Sterowanie filtrowaniem aktywnym oparte na SVPWM w układzie z podwójnym falownikiem zasilającym silnik indukcyjny o rozwartych końcach uzwojeń w celu redukcji harmonicznych

Dlaczego czystsze silniki są ważne

Silniki elektryczne dyskretnie napędzają linie produkcyjne, pompy, wentylatory, a nawet niektóre pojazdy elektryczne. Aby wydajnie sterować ich prędkością, przemysł korzysta z układów napędowych, które szybko włączają i wyłączają zasilanie. To przełączanie oszczędza energię, ale również zniekształca przebiegi elektryczne zasilające silnik, powodując niepożądane wibracje, hałas i dodatkowe nagrzewanie. Artykuł opisany tutaj bada nowy sposób ujarzmienia tych elektrycznych „zadziorów” bez dodawania masywnego sprzętu, obiecując płynniejszą pracę silników, dłuższą żywotność i lepsze wykorzystanie energii elektrycznej.

Problem z „szorstką” energią

Nowoczesna elektronika mocy zmienia stałe napięcie w szybkie, posiekane impulsy, które następnie kształtuje się w przebiegi dla silnika. W idealnym świecie te przebiegi byłyby idealnie gładkie, ale w praktyce pełne są dodatkowych zakłóceń zwanych harmonicznymi. W napędzie przemysłowym harmoniczne objawiają się jako zniekształcone napięcia i prądy. Dla silnika oznacza to nierówną wartość momentu, dodatkowe obciążenia mechaniczne wałów i łożysk, słyszalne gwizdy oraz straty energii w postaci ciepła. Tradycyjne rozwiązania to filtry bierne z cewkami i kondensatorami albo bardziej złożone przetwornice wielopoziomowe — oba podejścia zwiększają koszty, gabaryty i złożoność konstrukcji.

Inny sposób okablowania silnika

Badanie koncentruje się na specyficznym układzie silnika zwanym silnikiem indukcyjnym z rozwartymi końcami uzwojeń. Zamiast łączyć trzy uzwojenia stojana w zamknięty punkt neutralny, oba końce każdego uzwojenia wyprowadza się na zewnątrz do połączenia. Pozwala to inżynierom zasilać silnik z dwóch oddzielnych przetwornic elektronicznych, po jednej z każdej strony. Gdy obie są konwencjonalnymi falownikami dwupoziomowymi, silnik doświadcza efektywnie napięcia trójpoziomowego, co poprawia jakość zasilania w porównaniu z podstawowym napędem. Wcześniejsze prace wykorzystywały układ z podwójnym falownikiem głównie do dzielenia mocy i zwiększenia zdolności napięciowej. Nowe badanie przemyślało role obu falowników, zmieniając jeden z nich w aktywne urządzenie „oczyszczające”.

Niech jeden falownik dostarcza moc, drugi oczyszcza

W proponowanym schemacie pierwszy falownik dostarcza niemal całą moc czynną do silnika, wykorzystując efektywną metodę przełączania nazwaną modulacją wektorów przestrzennych (SVPWM) do generowania głównego napięcia trójfazowego. Drugi falownik, zamiast zasilać własne źródło, jest zbudowany wokół pływającego kondensatora i jest sterowany wyłącznie jako szeregowy filtr aktywny. Kluczowa idea polega na zmierzeniu tego, co faktycznie generuje falownik podstawowy, wyodrębnieniu gładkiej składowej podstawowej tego napięcia i potraktowaniu wszystkiego, co pozostaje, jako niepożądanego zniekształcenia. Następnie drugiemu falownikowi poleca się wygenerowanie napięcia odwzorowującego tylko tę składową zniekształcającą, tak aby odejmowała się od napięcia na zaciskach silnika. Ponieważ silnik „widzi” różnicę między dwoma falownikami, zniekształcenia z pierwszego są w dużej mierze znoszone przez drugi, pozostawiając znacznie czystsze napięcie i prąd fazowy.

Z symulacji do testów w laboratorium

Autorzy zbudowali szczegółowe modele komputerowe silnika indukcyjnego o mocy pięciu koni mechanicznych napędzanego przez ich układ z podwójnym falownikiem i porównali je z bardziej powszechnymi napędami trójpoziomowymi, w tym szeroko stosowanym układem z klamrą punktu neutralnego. Następnie zweryfikowali wyniki na stanowisku badawczym z rzeczywistym silnikiem i sterownikami sprzętowymi. W szerokim zakresie warunków pracy nowa metoda konsekwentnie obniżała całkowitą ilość zniekształceń napięcia fazowego silnika. Na przykład tam, gdzie konwencjonalny napęd z rozwartym końcem generował poziomy zniekształceń rzędu 11–14 procent, proponowane podejście zmniejszało je mniej więcej o połowę, do około 5–10 procent w zależności od ustawień. Harmoniczne niskiego i średniego rzędu, te najbardziej odpowiedzialne za pulsacje momentu i hałas, były szczególnie skutecznie tłumione.

Co to oznacza dla codziennych maszyn

Dla osoby niebędącej specjalistą główny przekaz jest taki, że autorzy znaleźli sposób, by standardowe silniki przemysłowe działały bardziej płynnie bez przeprojektowywania silnika lub dodawania ciężkich filtrów. Dzięki sprytnemu wykorzystaniu jednego z dwóch istniejących falowników jako samo‑dostrajającego się filtra, schemat redukuje elektryczną „szorstkość” u źródła. Gładsze napięcia oznaczają cichszą pracę, mniejsze drgania i niższe zużycie mechaniczne, a także poprawę sprawności i zmniejszenie nagrzewania. W zakładach wyposażonych w wiele napędów o regulowanej prędkości takie udoskonalenia mogą przekładać się na dłuższą żywotność urządzeń i niższe koszty eksploatacji, przy użyciu tych samych podstawowych komponentów już obecnych we współczesnych systemach napędowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: napędy silników indukcyjnych, redukcja harmonicznych, aktywne filtry mocy, falowniki wielopoziomowe, wydajność silnika