Commande de filtrage actif basée sur SVPWM d'un entraînement moteur asynchrone à enroulements ouverts alimenté par double onduleur pour la réduction des harmoniques

Pourquoi des moteurs plus propres sont importants

Les moteurs électriques alimentent discrètement les lignes d'usine, les pompes, les ventilateurs et même certains véhicules électriques. Pour contrôler efficacement leur vitesse, l'industrie s'appuie sur des entraînements électroniques qui commutent rapidement la puissance. Cette commutation économise de l'énergie mais altère les formes d'onde électriques alimentant le moteur, provoquant des vibrations, du bruit et un échauffement supplémentaires. L'article sous-jacent explore une nouvelle façon d'atténuer ces « aspérités » électriques sans ajouter de matériel encombrant, promettant des systèmes moteurs plus doux, plus durables et une meilleure utilisation de l'énergie électrique.

Le problème des signaux électriques rugueux

Les électroniques de puissance modernes transforment une alimentation continue en impulsions rapides qui sont ensuite façonnées en ondes pour le moteur. Idéalement ces ondes seraient parfaitement lisses, mais en réalité elles contiennent des ondulations supplémentaires appelées harmoniques. Dans un entraînement industriel, ces harmoniques se traduisent par des tensions et des courants déformés. Pour le moteur, cela signifie des couples saccadés, des contraintes mécaniques accrues sur les arbres et les roulements, des sifflements audibles et de l'énergie perdue sous forme de chaleur. Les solutions traditionnelles incluent des filtres passifs constitués d'enroulements et de condensateurs, ou des convertisseurs multiniveaux plus complexes, qui ajoutent tous coût, encombrement et complexité de conception.

Une façon différente de câbler le moteur

L'étude se concentre sur une disposition particulière appelée moteur asynchrone à enroulements ouverts. Plutôt que de relier les trois enroulements du stator à un point neutre fermé, les deux extrémités de chaque enroulement sont disponibles pour connexion. Cela permet d'alimenter le moteur à partir de deux convertisseurs électroniques séparés, un de chaque côté. Lorsque les deux sont des onduleurs conventionnels à deux niveaux, le moteur voit essentiellement une tension à trois niveaux, améliorant la qualité de l'énergie par rapport à un entraînement de base. Des travaux antérieurs utilisaient ce montage à double onduleur principalement pour partager la puissance et augmenter la capacité de tension. Le nouvel article reconsidère les rôles des deux onduleurs, transformant l'un d'eux en dispositif actif de « nettoyage ».

Laisser un onduleur fournir la puissance, l'autre nettoyer

Dans le schéma proposé, le premier onduleur assure presque toute la livraison de puissance réelle au moteur, en utilisant une méthode de commutation efficace appelée modulation vectorielle d'espace (SVPWM) pour générer la tension triphasée principale. Le second onduleur, au lieu d'alimenter sa propre source, est construit autour d'un condensateur flottant et est commandé uniquement comme filtre actif série. L'idée clé est de mesurer ce que produit réellement l'onduleur primaire, d'en extraire la composante fondamentale lisse de cette tension, et de considérer tout le reste comme une distorsion indésirable. L'onduleur secondaire est alors commandé pour générer une tension qui reproduit uniquement cette composante de distorsion, de sorte qu'elle soustrait de la tension aux bornes du moteur. Parce que le moteur « voit » la différence entre les deux onduleurs, la distorsion du premier est en grande partie annulée par le second, laissant une tension et un courant de phase beaucoup plus propres.

De la simulation aux essais réels

Les auteurs ont construit des modèles informatiques détaillés d'un moteur asynchrone de cinq chevaux entraîné par leur dispositif à double onduleur, et l'ont comparé à des entraînements trois niveaux plus courants, y compris la conception à point neutre pincé largement utilisée. Ils ont ensuite validé les résultats sur un banc d'essai en laboratoire avec un moteur réel et des contrôleurs matériels. Sur une large plage de conditions de fonctionnement, la nouvelle méthode a systématiquement réduit la quantité totale de distorsion dans la tension de phase du moteur. Par exemple, là où un entraînement à enroulements ouverts conventionnel produisait des niveaux de distorsion d'environ 11–14 %, l'approche proposée les a réduits d'environ moitié, jusqu'à environ 5–10 % selon les réglages. Les harmoniques d'ordre faible et moyen, celles principalement responsables des ondulations de couple et du bruit, ont été particulièrement bien supprimées.

Ce que cela signifie pour les machines de tous les jours

Pour un non-spécialiste, le message principal est que les auteurs ont trouvé un moyen de faire fonctionner des moteurs industriels standard plus en douceur sans redesigner le moteur ni ajouter de filtres lourds. En réutilisant habilement l'un des deux onduleurs existants comme filtre auto-ajustable, le schéma réduit la rugosité électrique à sa source. Des tensions plus lisses signifient un fonctionnement plus silencieux, moins de vibrations et une usure mécanique réduite, ainsi qu'une meilleure efficacité et moins d'échauffement. Pour des usines équipées de nombreux variateurs de vitesse, de telles améliorations peuvent se traduire par une durée de vie plus longue des équipements et des coûts d'exploitation plus faibles, tout en conservant les mêmes composants de base déjà présents dans les systèmes moteurs modernes.

Citation: 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

Mots-clés: variateurs de moteur asynchrone, réduction des harmoniques, filtres actifs, onduleurs multiniveaux, rendement moteur