ハーモニクス低減のための開放端巻線誘導電動機に給電する二重インバータのSVPWMベース能動フィルタ制御

なぜよりクリーンなモータが重要か

電動機は工場の生産ライン、ポンプ、ファン、さらには一部の電気自動車に至るまで静かに動力を供給しています。回転数を効率よく制御するため、産業界では急速に電力をオン／オフする電子ドライブを使います。この高速なスイッチングはエネルギーを節約しますが、モータに供給される電気波形を荒らし、望ましくない振動、騒音、そして余分な発熱を生みます。本稿の元となる論文は、かさばる追加ハードウェアを増やすことなく、そうした電気的な“ギザギザ”を抑える新しい手法を探り、より滑らかで長持ちするモータシステムと電力の有効利用を約束します。

波形の粗さが引き起こす問題

現代の電力エレクトロニクスは直流や交流の安定した電力を高速で刻むパルスに変換し、それをモータ用の波形に整えます。理想的にはこれらの波形は完全に滑らかであるべきですが、現実にはハーモニクスと呼ばれる余分なリップルで満ちています。産業用モータ駆動では、これらのハーモニクスが電圧や電流の歪みとして現れます。モータにとってはトルクのぎくしゃく、軸や軸受けへの余分な機械的負担、耳に聞こえる低周波の甲高い音、そして熱として失われる無駄なエネルギーを意味します。従来の対策はコイルやコンデンサで構成するパッシブフィルタや、より複雑なマルチレベル変換器を用いる方法で、いずれもコスト、容積、設計の複雑さを増します。

モータを配線する別の方法

本研究が焦点を当てるのは開放端巻線（オープンエンドワインディング）誘導電動機と呼ばれる配置です。三相の固定子巻線を閉じた中性点に結線する代わりに、各巻線の両端を取り出して接続可能にします。これにより、両側からそれぞれ別個の電子変換器でモータに給電できるようになります。両方が従来型の2レベルインバータの場合、モータには実質的に3レベルの電圧が印加され、基本的なドライブに比べて電力品質が向上します。従来の研究では双インバータ配置は主に出力共有や電圧耐圧の向上に使われてきましたが、新しい研究は2つのインバータの役割を再考し、一方を能動的な“クリーンアップ”装置に変えています。

一方は仕事を担い、もう一方は洗い落とす

提案手法では、第一インバータがモータへの実負荷供給をほとんど担い、スペースベクトル変調（SVPWM）と呼ばれる効率的なスイッチング法で主な三相電圧を生成します。第二インバータは自身の電源を与える代わりに浮遊コンデンサで構成され、直列能動フィルタとしてのみ制御されます。鍵となる考え方は、一次インバータが実際に出している電圧を計測し、その滑らかな基本成分を分離し、残りを望ましくない歪みとみなすことです。次に二次インバータはその歪み成分だけを模した電圧を生成するよう指令され、それがモータ端子から差し引かれる形になります。モータは2つのインバータの差分を“見る”ため、一次の歪みは二次によって大部分打ち消され、結果として位相電圧・電流がはるかにクリーンになります。

シミュレーションから実機試験へ

著者らは提案する二重インバータ構成で駆動される5馬力誘導電動機の詳細なコンピュータモデルを構築し、広く使われる中性点クランプ型などの一般的な3レベルドライブと比較しました。続いて実際のモータとハードウェアコントローラを用いた実験台で結果を検証しました。広範な運転条件にわたり、新手法は一貫してモータ位相電圧の総合的な歪み量を低減しました。例えば、従来の開放端ドライブが約11～14％の歪みを生じさせるところを、提案手法は設定により異なるものの概ね半分程度の約5～10％にまで削減しました。トルクリップルや騒音に最も影響を与える低次・中次のハーモニクスは特に良く抑制されました。

日常の機械にとっての意義

専門外の読者にとっての主なメッセージは、著者らがモータ自体を再設計したり重いフィルタハードウェアを追加したりすることなく、標準的な産業用モータをより滑らかに動かす方法を見出したという点です。既存の二つあるインバータの一方を自己調整型フィルタとして賢く再利用することで、電気的な粗さを発生源で低減します。より滑らかな電圧は静かな動作、振動の低減、機械的摩耗の軽減、効率改善や発熱低減をもたらします。可変速ドライブが多数ある工場では、こうした改善が機器寿命の延長や運用コストの低減につながり、しかも現代のモータシステムに既にある基本部品をそのまま使える点が魅力です。

引用: 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

キーワード: 誘導電動機駆動, ハーモニクス低減, 能動電力フィルタ, マルチレベルインバータ, モータ効率