СВПВМ‑на базе активного фильтра управления приводом с открытым концом обмоток, питаемым двумя инверторами, для снижения гармоник

Почему важны более «чистые» двигатели

Электродвигатели тихо приводят в движение производственные линии, насосы, вентиляторы и даже некоторые электромобили. Для эффективного управления скоростью промышленность использует электронные приводы, которые быстро переключают подачу мощности. Такое переключение экономит энергию, но делает питающие двигатель электрические формы тока более грубыми, что вызывает нежелательные вибрации, шум и избыточный нагрев. Работа, лежащая в основе этой статьи, исследует новый способ сгладить эти электрические «шершавости» без добавления громоздкого оборудования, обещая более плавную, долговечную работу двигателей и лучшее использование электроэнергии.

Проблема «шероховатой» электроэнергии

Современная силовая электроника превращает постоянное напряжение в быстрые, «нарезанные» импульсы, которые затем формируют волны для питания двигателя. В идеале эти волны были бы абсолютно плавными, но на практике они содержат дополнительные пульсации, известные как гармоники. В приводе промышленного двигателя гармоники проявляются как искажённые напряжения и токи. Для двигателя это означает рывки момента, дополнительные механические нагрузки на валы и подшипники, слышимый писк и потерю энергии в виде тепла. Традиционные решения включают пассивные фильтры из катушек и конденсаторов или более сложные многоуровневые преобразователи, которые повышают стоимость, габариты и сложность конструкции.

Другой способ подключения двигателя

Исследование сосредоточено на особой схеме моторной обмотки, называемой асинхронным двигателем с открытым концом обмоток. Вместо соединения трёх фазовых обмоток в замкнутую нейтраль обе концы каждой обмотки выводятся для подключения. Это позволяет питать мотор от двух отдельных электронных преобразователей, по одному с каждой стороны. Когда оба являются обычными двухуровневыми инверторами, мотор фактически испытывает трёхуровневое напряжение, что улучшает качество питания по сравнению с базовым приводом. Ранее такую схему применяли в основном для распределения мощности и повышения рабочего напряжения. Новая работа переосмысливает роли двух инверторов, превращая один из них в активный «очиститель».

Пусть один инвертор подаёт мощность, а второй — чистит

В предлагаемой схеме первый инвертор выполняет почти всю реальную подачу мощности к двигателю, используя эффективный метод модуляции пространственного вектора для генерации основной трёхфазной формы напряжения. Второй инвертор, вместо того чтобы подавать своё собственное питание, построен вокруг плавающего конденсатора и управляется исключительно как последовательный активный фильтр. Ключевая идея — измерить то, что на самом деле генерирует основной инвертор, выделить из этого гладкую фундаментальную составляющую напряжения и считать всё остальное нежелательными искажениями. Затем второму инвертору ставится задача сформировать напряжение, повторяющее только эту искажающую составляющую так, чтобы оно вычиталось на клеммах двигателя. Поскольку двигатель «видит» разность между двумя инверторами, искажения от первого в значительной степени компенсируются вторым, остаётся значительно более чистое фазное напряжение и ток.

От моделирования к реальным испытаниям

Авторы построили детализированные компьютерные модели пяти‑сильного асинхронного двигателя, управляемого их двойным инверторным решением, и сравнили их с более распространёнными трёхуровневыми приводами, включая широко применяемую схему с зажимом нейтральной точки. Затем результаты подтвердили на лабораторном стенде с реальным двигателем и аппаратными контроллерами. В широком диапазоне режимов работы новый метод последовательно снижал суммарное количество искажений в фазном напряжении двигателя. Например, там, где у традиционного открытого привода уровень искажений составлял около 11–14 процентов, предложенный подход сократил это примерно вдвое — до примерно 5–10 процентов в зависимости от настроек. Низко- и среднепорядковые гармоники, наиболее ответственные за пульсации момента и шум, были особенно эффективно подавлены.

Что это значит для повседневных машин

Для неспециалиста главный вывод таков: авторы нашли способ заставить стандартные промышленные двигатели работать более плавно без переделки самого двигателя или добавления тяжёлой фильтрующей аппаратуры. За счёт хитрого повторного использования одного из двух уже имеющихся инверторов как самонастраивающегося фильтра схема уменьшает электрическую «шероховатость» у её источника. Более гладкие напряжения означают более тихую работу, меньшую вибрацию и сниженный механический износ, а также повышенную эффективность и меньшее нагревание. Для заводов с множеством приводов с регулированием скорости такие улучшения могут преобразоваться в более длительный срок службы оборудования и меньшие эксплуатационные расходы, при этом используются те же базовые компоненты, что и в современных моторных системах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: приводы асинхронных двигателей, снижение гармоник, активные фильтры мощности, многоуровневые инверторы, эффективность двигателя