SVPWM-basierte aktive Filtersteuerung eines dualen Wechselrichters für einen Induktionsmotor mit offenem Wicklungsende zur Oberwellenminderung

Warum sauberere Motoren wichtig sind

Elektromotoren treiben unauffällig Förderlinien, Pumpen, Lüfter und sogar einige Elektrofahrzeuge an. Um ihre Drehzahl effizient zu regeln, setzen Betriebe auf elektronische Antriebe, die Leistung sehr schnell ein- und ausschalten. Dieses Schalten spart Energie, macht aber die elektrischen Wellenformen rauer und erzeugt unerwünschte Vibrationen, Lärm und zusätzliche Erwärmung. Die zugrundeliegende Studie untersucht eine neue Methode, diese elektrischen "Unregelmäßigkeiten" ohne zusätzlichen sperrigen Aufbau zu glätten, was auf sanfter laufende, langlebigere Motorsysteme und eine bessere Nutzung elektrischer Energie hindeutet.

Das Problem rauer Spannung

Moderne Leistungselektronik wandelt konstante Versorgungsspannung in schnell abgetaktete Pulse, die dann zu den für den Motor gewünschten Wellengeformen geformt werden. Idealerweise wären diese Wellen vollkommen glatt, in der Praxis enthalten sie jedoch Nebenwellen, sogenannte Oberwellen. In einem industriellen Antrieb zeigen sich diese Oberwellen als verzerrte Spannungen und Ströme. Für den Motor bedeutet das ruckartiges Drehmoment, zusätzliche mechanische Belastung von Wellen und Lagern, hörbares Pfeifen und Energieverlust in Form von Wärme. Traditionelle Gegenmaßnahmen sind passive Filter aus Spulen und Kondensatoren oder komplexere mehrstufige Umrichter, die jedoch Kosten, Bauraum und Auslegungsaufwand erhöhen.

Eine andere Art, den Motor zu verschalten

Die Arbeit konzentriert sich auf eine bestimmte Wicklungsanordnung: den Induktionsmotor mit offenem Wicklungsende. Anstatt die drei Statorwicklungen an einem neutralen Punkt zu verbinden, werden beide Enden jeder Wicklung herausgeführt. Das erlaubt es, den Motor von zwei separaten Leistungsumrichtern zu speisen, einer auf jeder Seite. Wenn beide konventionelle Zweistufen-Wechselrichter sind, erlebt der Motor effektiv eine dreistufige Spannung, was die Leistungsqualität gegenüber einem einfachen Antrieb verbessert. Frühere Arbeiten nutzten dieses Dual‑Inverter‑Layout vorwiegend zur Leistungsaufteilung und Erhöhung der Spannungsfähigkeit. Die neue Studie überdenkt die Rollen der beiden Wechselrichter und verwandelt einen davon in ein aktives „Aufräum“-Gerät.

Der eine Wechselrichter liefert, der andere säubert

Im vorgeschlagenen Schema liefert der erste Wechselrichter nahezu die gesamte Wirkleistung an den Motor und erzeugt die Haupt-Drehstromspannung mit einer effizienten Schaltmethode namens Space‑Vector‑Modulation (SVPWM). Der zweite Wechselrichter ist statt mit eigener Versorgung um einen schwebenden Kondensator herum aufgebaut und wird ausschließlich als serielles aktives Filter gesteuert. Die Schlüsselidee besteht darin, zu messen, was der primäre Wechselrichter tatsächlich erzeugt, den glatten Grundanteil dieser Spannung zu separieren und alles Übrige als unerwünschte Verzerrung zu betrachten. Der sekundäre Wechselrichter soll dann eine Spannung erzeugen, die genau diese Verzerrung nachahmt, so dass sie von den Motoranschlüssen subtrahiert wird. Weil der Motor die Differenz zwischen den beiden Wechselrichtern „sieht“, werden Verzerrungen des ersten weitgehend vom zweiten aufgehoben, sodass eine deutlich sauberere Phasenspannung und -strom bleibt.

Von der Simulation zur Laborprüfung

Die Autoren erstellten detaillierte Computermodelle eines fünf-PS-Induktionsmotors, der von ihrem Dual‑Inverter‑Aufbau angetrieben wird, und verglichen diese mit gebräuchlicheren dreistufigen Antrieben, einschließlich des weit verbreiteten Neutralpunktgeklammerten Designs. Anschließend validierten sie die Ergebnisse auf einem Laborprüfstand mit realem Motor und Hardware‑Reglern. Über einen großen Betriebsbereich hinweg verringerte die neue Methode konsistent den Gesamtverzerrungsanteil in der Motorphasenspannung. Beispielsweise erzeugte ein konventioneller Open‑End‑Antrieb Verzerrungswerte von etwa 11–14 Prozent, die vorgeschlagene Vorgehensweise halbierte diese Größenordnung auf etwa 5–10 Prozent, abhängig von den Einstellungen. Vor allem nieder- und mittelfrequente Oberwellen, die maßgeblich für Drehmomentwelligkeit und Lärm verantwortlich sind, wurden stark unterdrückt.

Was das für Alltagsmaschinen bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft: Die Autoren haben einen Weg gefunden, standardmäßige Industriemotoren geschmeidiger laufen zu lassen, ohne den Motor umzubauen oder schwere Filterhardware hinzuzufügen. Indem einer der beiden vorhandenen Wechselrichter als sich selbst anpassendes Filter wiederverwendet wird, reduziert das Konzept elektrische Rauhigkeit direkt an der Quelle. Glattere Spannungen bedeuten leiseren Betrieb, weniger Vibrationen und geringeren mechanischen Verschleiß sowie bessere Effizienz und weniger Wärmeentwicklung. Für Fabriken mit vielen drehzahlgeregelten Antrieben können solche Verbesserungen zu längerer Lebensdauer der Anlagen und niedrigeren Betriebskosten führen — und das bei Nutzung derselben Basiskomponenten, die bereits in modernen Motorsystemen vorhanden sind.

Zitation: Latha, S.N., Egeriose, S.K. & Gopinathan, S. SVPWM based active filtering control of dual inverter fed open-end winding induction motor drive for harmonic mitigation. Sci Rep 16, 14480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42127-5

Schlüsselwörter: Induktionsmotorantriebe, Oberwellenreduktion, aktive Netzfilter, mehrstufige Wechselrichter, Motoreffizienz