SVPWM-gebaseerde actieve filterregeling van dual-inverter gevoede open-eind wikkeling asynchrone motoraandrijving voor harmonische mitigatie

Waarom schonere motoren ertoe doen

Elektrische motoren drijven stilletjes productielijnen, pompen, ventilatoren en zelfs sommige elektrische voertuigen aan. Om hun snelheid efficiënt te regelen, vertrouwen industrieën op elektronische aandrijvingen die snel vermogen in- en uitschakelen. Deze schakeling bespaart energie, maar maakt ook de elektrische golfvormen die de motor aanvoeden ruw, wat ongewenste trillingen, geluid en extra opwarming veroorzaakt. Het artikel onderliggend aan dit stuk onderzoekt een nieuwe manier om die elektrische "ruwheden" te temmen zonder extra omvangrijke hardware toe te voegen, met beloftes van soepelere, duurzamere motorsystemen en beter gebruik van elektrische energie.

Het probleem van ruwe elektriciteit

Moderne vermogenselektronica zet constante stroom om in snelgehakte pulsen die vervolgens worden gevormd tot golven voor de motor. Ideaal gezien zouden deze golven perfect glad zijn, maar in werkelijkheid zitten ze vol extra rimpels die bekendstaan als harmonischen. In een industriële motoraandrijving uiten deze harmonischen zich als vervormde spanningen en stromen. Voor de motor betekent dat schokkend koppel, extra mechanische belasting op assen en lagers, hoorbaar gezoem en verspilde energie in de vorm van warmte. Traditionele oplossingen omvatten passieve filters van spoelen en condensatoren, of complexere multilevel-omvormers, die beide extra kosten, volume en ontwerpinspanningen toevoegen.

Een andere manier om de motor aan te sluiten

De studie richt zich op een specifieke motorconfiguratie die een open-eind wikkeling asynchrone motor wordt genoemd. In plaats van de drie statorwikkelingen samen te verbinden op een gesloten nulpunt, worden beide uiteinden van elke wikkeling naar buiten gebracht voor aansluiting. Dit stelt ingenieurs in staat om de motor vanaf twee afzonderlijke elektronische omvormers te voeden, één aan elke kant. Wanneer beide conventionele twee-niveau omvormers zijn, ervaart de motor effectief een drie-niveau spanning, wat de netvermogenkwaliteit verbetert vergeleken met een eenvoudige aandrijving. Eerder werk gebruikte deze dubbele-omvormeropstelling voornamelijk om vermogen te delen en de spanningscapaciteit te verhogen. Het nieuwe werk heroverweegt de rollen van de twee omvormers en verandert er één in een actief "schoonmaak"-apparaat.

Laat de ene omvormer het werk doen en de andere schoonmaken

In het voorgestelde schema levert de eerste omvormer bijna al het reële vermogen aan de motor, met behulp van een efficiënte schakelmethode genaamd space-vector modulatie om de hoofddriefasenspanning te genereren. De tweede omvormer, in plaats van zijn eigen voeding te leveren, is opgebouwd rond een zwevende condensator en wordt puur als serie-actief filter aangestuurd. Het sleutelidee is te meten wat de primaire omvormer daadwerkelijk produceert, het gladde fundamentele deel van die spanning te scheiden en alles wat overblijft als ongewenste vervorming te behandelen. Vervolgens wordt de secundaire omvormer aangestuurd om een spanning te leveren die precies dat vervormingscomponent nabootst, op zo’n manier dat deze van de motorspoelen wordt afgetrokken. Omdat de motor het verschil tussen de twee omvormers "ziet", wordt de vervorming van de eerste grotendeels gecompenseerd door de tweede, wat resulteert in veel schonere fasespanningen en -stromen.

Van simulatie naar tests in de praktijk

De auteurs bouwden gedetailleerde computermodellen van een vijf-pk asynchrone motor die werd aangestuurd door hun dubbele-omvormeropstelling, en vergeleken deze met meer gebruikelijke drie-niveau aandrijvingen, waaronder het veelgebruikte neutral-point-clamped ontwerp. Ze valideerden de resultaten vervolgens op een laboratoriumtestbank met een echte motor en hardware-controllers. Over een breed scala aan bedrijfsomstandigheden verlaagde de nieuwe methode consequent de totale hoeveelheid vervorming in de motorfase‑spanning. Bijvoorbeeld, waar een conventionele open-eind aandrijving vervormingsniveaus rond 11–14 procent produceerde, sneed de voorgestelde aanpak dit ruwweg door de helft, tot ongeveer 5–10 procent afhankelijk van de instellingen. Lage en middelhoge orde harmonischen, die het meest verantwoordelijk zijn voor koppelrimpel en geluid, werden bijzonder goed onderdrukt.

Wat dit betekent voor alledaagse machines

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat de auteurs een manier hebben gevonden om standaard industriële motoren soepeler te laten lopen zonder de motor te herontwerpen of zware filterhardware toe te voegen. Door op slimme wijze één van de twee bestaande omvormers opnieuw te gebruiken als een zichzelf aanpassend filter, vermindert het schema de elektrische ruwheid bij de bron. Gladdere spanningen betekenen stillere werking, minder trillingen en lagere mechanische slijtage, evenals verbeterde efficiëntie en verminderde opwarming. Voor fabrieken vol variabele-snelheidsaandrijvingen kunnen dergelijke verbeteringen zich vertalen in een langere levensduur van apparatuur en lagere operationele kosten, terwijl dezelfde basisonderdelen worden gebruikt die al in moderne motorsystemen aanwezig zijn.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: asynchrone motoraandrijvingen, harmonische vermindering, actieve vermogensfilters, multilevel-omvormers, motorefficiëntie