Controllo di filtraggio attivo basato su SVPWM per azionamento di motore a induzione con avvolgimento a estremità aperta alimentato da doppio inverter per la riduzione delle armoniche

Perché i motori più puliti sono importanti

I motori elettrici alimentano silenziosamente linee di produzione, pompe, ventilatori e persino alcuni veicoli elettrici. Per controllarne la velocità in modo efficiente, l’industria si affida ad azionamenti elettronici che commutano rapidamente la potenza. Questa commutazione risparmia energia ma rende anche più ruvide le forme d’onda elettriche che alimentano il motore, provocando vibrazioni indesiderate, rumore e riscaldamento aggiuntivo. L’articolo alla base di questo testo esplora un nuovo modo per domare questi “spigoli” elettrici senza aggiungere ingombrante hardware, promettendo sistemi motore più fluidi, più duraturi e un migliore sfruttamento dell’energia elettrica.

Il problema dell’elettricità imprecisa

L’elettronica di potenza moderna trasforma corrente continua stabile in impulsi rapidi che vengono poi sagomati in onde per il motore. Idealmente queste onde sarebbero perfettamente lisce, ma nella realtà sono piene di ondulazioni aggiuntive note come armoniche. In un azionamento industriale queste armoniche si manifestano come tensioni e correnti distorte. Per il motore ciò si traduce in coppia irregolare, stress meccanico extra su alberi e cuscinetti, fischi udibili e energia sprecata sotto forma di calore. Le soluzioni tradizionali includono filtri passivi fatti di induttanze e condensatori o convertitori multilevel più complessi, entrambi i quali aumentano costi, ingombro e complessità progettuale.

Un modo diverso di collegare il motore

Lo studio si concentra su un particolare schema del motore chiamato motore a induzione con avvolgimento a estremità aperta. Invece di collegare i tre avvolgimenti dello statore a un punto neutro chiuso, vengono portate all’esterno entrambe le estremità di ciascun avvolgimento per il collegamento. Questo permette agli ingegneri di alimentare il motore da due convertitori elettronici separati, uno per lato. Quando entrambi sono inverter convenzionali a due livelli, il motore sperimenta efficacemente una tensione a tre livelli, migliorando la qualità di potenza rispetto a un azionamento di base. Lavori precedenti hanno utilizzato questo layout a doppio inverter principalmente per condividere potenza e aumentare la capacità di tensione. Il nuovo lavoro reinterpreta i ruoli dei due inverter, trasformandone uno in un dispositivo attivo di “pulizia”.

Lascia che un inverter lavori e l’altro pulisca

Nello schema proposto, il primo inverter fornisce quasi tutta la potenza attiva al motore, usando un metodo di commutazione efficiente chiamato modulazione vettoriale di spazio (SVPWM) per generare la tensione trifase principale. Il secondo inverter, invece di fornire la propria alimentazione, è costruito attorno a un condensatore flottante ed è controllato esclusivamente come filtro attivo in serie. L’idea chiave è misurare ciò che il primo inverter sta effettivamente producendo, separare la parte fondamentale liscia di quella tensione e considerare tutto il resto come distorsione indesiderata. Allora al secondo inverter viene ordinato di produrre una tensione che imiti solo questa componente di distorsione, in modo da sottrarla dai terminali del motore. Poiché il motore “vede” la differenza tra i due inverter, la distorsione del primo viene in gran parte cancellata dal secondo, lasciando una tensione e una corrente di fase molto più pulite.

Dalla simulazione ai test pratici

Gli autori hanno costruito modelli informatici dettagliati di un motore a induzione da cinque cavalli pilotato dal loro schema a doppio inverter e lo hanno confrontato con azionamenti trifase multilevel più comuni, incluso il diffusissimo progetto a punto neutro clampato. Hanno poi validato i risultati su una panca di prova di laboratorio con un motore reale e controllori hardware. Su un’ampia gamma di condizioni operative, il nuovo metodo ha costantemente ridotto la quantità totale di distorsione nella tensione di fase del motore. Per esempio, dove un azionamento a estremità aperta convenzionale produceva livelli di distorsione intorno all’11–14 percento, l’approccio proposto li ha ridotti approssimativamente della metà, fino a circa il 5–10 percento a seconda delle impostazioni. Le armoniche di ordine basso e medio, quelle principalmente responsabili di ondulazioni di coppia e rumore, sono state particolarmente ben attenuate.

Cosa significa per le macchine di tutti i giorni

Per un non specialista, il messaggio principale è che gli autori hanno trovato un modo per far funzionare i motori industriali standard in modo più regolare senza riprogettare il motore né aggiungere pesanti filtri. Riutilizzando intelligentemente uno dei due inverter esistenti come filtro auto‑regolante, lo schema riduce la ruvidità elettrica alla sua fonte. Tensioni più lisce significano funzionamento più silenzioso, meno vibrazioni e minore usura meccanica, oltre a maggiore efficienza e riduzione del riscaldamento. Per le fabbriche piene di azionamenti a velocità variabile, tali miglioramenti si possono tradurre in vita utile più lunga dei macchinari e costi operativi inferiori, il tutto utilizzando gli stessi componenti di base già presenti nei sistemi motore moderni.

Citazione: 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

Parole chiave: azionamenti per motori a induzione, riduzione delle armoniche, filtri attivi di potenza, inverter multilevel, efficienza del motore