Controle de filtragem ativa baseado em SVPWM de acionamento por inversores duplos em motor de indução com enrolamento de extremidade aberta para mitigação de harmônicos

Por que motores mais limpos importam

Motores elétricos alimentam discretamente linhas de fábrica, bombas, ventiladores e até alguns veículos elétricos. Para controlar sua velocidade com eficiência, a indústria depende de acionamentos eletrônicos que comutam rapidamente a energia. Essa comutação economiza energia, mas também torna as formas de onda elétricas que alimentam o motor mais ásperas, produzindo vibrações indesejadas, ruído e aquecimento extra. O artigo que inspira este texto explora uma nova forma de domar essas “arestas” elétricas sem adicionar hardware volumoso, prometendo sistemas de motor mais suaves, com maior durabilidade e melhor aproveitamento da energia elétrica.

O problema da eletricidade áspera

A eletrônica de potência moderna transforma eletricidade contínua em pulsos rápidos que são então moldados em ondas para o motor. Idealmente essas ondas seriam perfeitamente lisas, mas na prática estão cheias de ondulações extras conhecidas como harmônicos. Em um acionamento industrial, esses harmônicos aparecem como tensões e correntes distorcidas. Para o motor, isso significa torque irregular, maior esforço mecânico em eixos e mancais, zumbido audível e energia desperdiçada sob a forma de calor. Soluções tradicionais incluem filtros passivos feitos de indutores e capacitores, ou conversores mais complexos multinível, ambos aumentando custo, volume e complexidade de projeto.

Uma forma diferente de conectar o motor

O estudo concentra‑se em uma configuração particular chamada motor de indução com enrolamento de extremidade aberta. Em vez de unir as três bobinas do estator em um ponto neutro fechado, ambas as extremidades de cada bobina são trazidas externamente para conexão. Isso permite alimentar o motor a partir de dois conversores eletrônicos separados, um em cada lado. Quando ambos são inversores convencionais de dois níveis, o motor passa a experimentar efetivamente uma tensão de três níveis, melhorando a qualidade de energia em comparação com um acionamento básico. Trabalhos anteriores usavam esse arranjo de inversores duplos principalmente para compartilhar potência e aumentar a capacidade de tensão. O novo trabalho repensa os papéis dos dois inversores, transformando um deles em um dispositivo ativo de “limpeza”.

Deixe um inversor entregar energia e o outro limpar

No esquema proposto, o primeiro inversor realiza quase toda a entrega de potência real ao motor, usando um método de comutação eficiente chamado modulação por vetor de espaço (SVPWM) para gerar a tensão trifásica principal. O segundo inversor, em vez de alimentar sua própria fonte, é construído em torno de um capacitor flutuante e é controlado puramente como um filtro ativo em série. A ideia chave é medir o que o inversor primário está efetivamente produzindo, separar a parte fundamental suave dessa tensão e tratar tudo o mais como distorção indesejada. O inversor secundário é então comandado a produzir uma tensão que imite apenas esse componente de distorção, de modo que subtraia dos terminais do motor. Como o motor “vê” a diferença entre os dois inversores, a distorção do primeiro é em grande parte cancelada pelo segundo, deixando uma tensão e corrente de fase muito mais limpas.

Da simulação a testes em bancada

Os autores construíram modelos de computador detalhados de um motor de indução de cinco cavalos alimentado pelo arranjo de inversores duplos e compararam isso com acionamentos mais comuns de três níveis, incluindo o amplamente usado com ponto neutro clampado. Eles então validaram os resultados em bancada de testes com um motor real e controladores de hardware. Em uma ampla gama de condições de operação, o novo método reduziu consistentemente a quantidade total de distorção na tensão de fase do motor. Por exemplo, onde um acionamento de extremidade aberta convencional gerava níveis de distorção em torno de 11–14%, a abordagem proposta cortou isso aproximadamente pela metade, para cerca de 5–10% dependendo dos ajustes. Harmônicos de baixa e média ordem, os mais responsáveis pelo ripple de torque e pelo ruído, foram particularmente bem suprimidos.

O que isso significa para máquinas do dia a dia

Para um não especialista, a mensagem principal é que os autores encontraram uma forma de fazer motores industriais comuns rodarem mais suavemente sem redesenhar o motor ou adicionar filtros pesados. Ao reutilizar de modo inteligente um dos dois inversores existentes como um filtro autoajustável, o esquema reduz a aspereza elétrica na própria fonte. Tensões mais suaves significam operação mais silenciosa, menos vibração e menor desgaste mecânico, além de eficiência aprimorada e menor aquecimento. Para fábricas repletas de acionamentos de velocidade variável, essas melhorias podem se traduzir em maior vida útil dos equipamentos e menores custos operacionais, tudo isso usando os mesmos componentes básicos já encontrados em sistemas de motores modernos.

Citação: 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

Palavras-chave: acionamentos de motores de indução, redução de harmônicos, filtros ativos de potência, inversores multinível, eficiência do motor