随着火电厂中大容量、高参数汽轮机组的增加，超临界甚至超超临界机组的应用，水资源短缺的状况日益严重。直接空冷技术由于节水效果显著，得到了迅速发展，特别是在“富煤缺水”地区。从国家大力提倡发展空冷电厂之日至今，空冷电厂已逐步形成规模，且以大容量空冷机组为主。

直接空冷机组普遍采用大量轴流风机对空冷岛冷却单元进行冷却，同时采用变频器驱动的电动机系统。因其节能效果显著、调节方便、维护简单、可实现网络化等特点，应用越来越广泛；但是变频设备大量使用了晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等非线性电力电子元件，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，从而导致电动机运行在不同程度的谐波电压和谐波电流中，使电动机在非正弦电压和非正弦电流下运行。

研究表明，电动机在变频器产生的谐波环境下会引起电动机额外的效率下降及温升；引起电动机的绕组绝缘的损坏，绝缘强度降低，寿命缩短；引起电动机额外的噪声及震动；引起额外的电动机轴电流等。现场实际运行的电动机也时常出现电机温升过高、电机寿命降低、噪声超标、轴承烧坏等现象。因此，对电动机在谐波环境下的研究很重要，对电动机设计选型提出指导意见。

本研究项目，基于理论上的研究数据，对实践具有一定的指导意义，日后如需进一步研究，需借助实验室的专业测量工具进行现场测量，再与理论计算比较，使该科研成果更具说服力，有效指导今后的设计。

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，而电气传动技术面临一场历史革命，即交流调速取代直流调速，以及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程，以提高产品质量，改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围，以及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，在电站直接空冷行业的应用也日趋成熟。

空冷岛中采用的变频器普遍属于交—直—交变频器。交—直—交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又被称为间接式变频器。

本项目采用一款电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对空冷电气系统各点谐波进行模拟仿真，并对各点参数进行分析。软件模型如图3-1所示。

图3-1　PSCAD/EMTDC软件模型

得到的电流波形如图3-2所示。

图3-2　电流波形

从图3-2可以看出，变频器供电下的电机谐波环境十分恶劣，完全运行在非正弦波的条件下。

变频器以非正弦波供电时电动机内除由基波电压和电流产生的损耗外，还会产生一些附加损耗。这些附加损耗取决于电动机的转速、电压和电流，变频器输出电压波形，以及电动机的设计和大小。如果没有串联电感和滤波器，这些附加损耗将达到基本损耗的10%～20%，即占电动机额定输出功率的1%～2%。

电压源变频器施加电压至所连接的电动机。由于输出切换，接近理想形状的平均电压由一个斜率且幅值接近恒定的准方波电压平均而来。由于该脉冲电压的幅值和频率恒定，电动机损耗几乎与电流、转速和磁通无关，类似于空载损耗。电动机磁路饱和对附加损耗的影响很小。

图3-3所示为一台50Hz正弦波和5.5Hz电压源变频器（PWM）供电的37kW、50Hz电动机在空载和满载时的损耗。

图3-3　电动机在空载和满载时的损耗

A—满载，PWM供电；

B—满载，正弦波供电；

C—空载，PWM供电；

D—空载，正弦波供电

变频器及其作用产生3个直接影响噪声发射的变量，即：

（1）转速从接近零到超过基速变化。这将影响轴承和润滑、通风和其他任何受温度变化影响的特性。

（2）电动机电源频率和谐波分量首先是对其定子铁芯中产生的电磁噪声影响很大；其次是对轴承噪声影响很大。

（3）由电动机气隙磁场中的不同频率的波相互作用而引起的扭转振荡。(www.daowen.com)

当电动机由变频器供电时，其绝缘结构承受的介电应力要高于由正弦波电源供电时承受的介电应力。电压源变频器产生不同宽度和频率的固定振幅电压矩形脉冲。变频器输出脉冲的电压振幅不会超出直线总线电压，它取决于整流电源电压或制动电压水平或功率因数修正调整电压。现代变频器输出电压上升时间在50～400ns。为了减小输出半导体的开关损耗，应尽可能缩短上升时间。变频器经电缆向电动机供电，使电动机端子上产生重复的电压突增，如超过电动机耐受重复电压强度，则势必降低其绝缘寿命。

电动机端子处电压突增与变频器输出脉冲电压上升时间、接线电缆长度及电动机阻抗有关。这些电压突增是因阻抗不匹配而由电缆与电机端子界面的反射波产生的。该现象完全可以用输出电压谐波在传输线上的行波理论做解释。当电缆长度增加时，脉冲突起通常增加至最大值，然后下降。同时，电动机端子处的脉冲电压上升时间增长。对于较短上升时间脉冲且电缆长度超过50m时，电动机端子处电压上升时间主要取决于电缆特性而非变频器输出的上升时间。

电动机端子处的高频共模电压产生共模电流。其中，一部分会流过电动机或传动设备的轴承。该共模电流还可通过变压器效应产生跨越轴承的电压。这些效应的产生是由于使用了快速开关的半导体器件，并且由于不同的影响，会在各种容量的电动机中产生与轴承有关的问题。判定哪种机理更突出的最重要因素是电动机的大小，以及电动机的基座和轴是如何接地的。电气安装意味着适当的电缆类型和接地导体的适当结合，而电气屏蔽、额定的变频器输出电压，以及变频器输出电压和电压上升速率也起着很重要的作用。轴承电流的来源是跨越轴承的电压。共有3种类型的轴承电流：循环电流、转轴电流和电容性放电电流。电流的示意情况见图3-4。

图3-4　轴承电流示意

（1）设计转子时减小肌肤效应。

（2）转子槽开口。

（3）避免转子铁心叠片的片间短路。

（4）采用更薄的定子、转子铁心叠片，以减少涡流损耗。

（5）减少串联电抗器或滤波器中的涡流损耗。

（1）对电动机采用独立风机冷却。

（2）提高耐热等级。

（3）选用更大容量的电动机。

（4）优化变频器输出波形。

（1）改变电动机和变频器之间的电缆长度或使电缆接地可降低电动机端子处的浪涌电压幅值。

（2）改用高介电损耗的电缆（如丁基橡胶或油绝缘纸）。用铁氧体屏蔽的特殊类型电动机电缆比较有效，可减小电压振荡并改进磁兼容（EMC）质量。

（3）安装输出电抗器可与电缆电容一起增加行波的上升时间。

（4）在变频器和接入电动机的电缆之间接入输出du/dt滤波器。

（1）使用绝缘轴承。

（2）用滤波器降低共模电压。

（3）对可能被轴承电流损坏的负载或其他设备采用非导电联轴器。

以上分析为工程设计提供了充分的理论依据。