基于SVPWM的双逆变器馈开端绕组异步电机驱动有源滤波控制以减小谐波

更洁净的电机为何重要

电动机在工厂生产线、泵、风扇，甚至部分电动汽车中默默提供动力。为高效控制其转速，工业上依赖于快速开关电源的电子驱动。这样的开关能节能，但也使供电波形变粗糙，产生不期望的振动、噪声和额外发热。本文背后的研究探讨了一种在不增加笨重硬件的前提下抑制这些电气“粗糙边缘”的新方法，有望带来更平稳、更耐用的电机系统并更有效地利用电能。

粗糙电能带来的问题

现代电力电子把稳定的电源转换为快速的脉冲，再将脉冲整形为驱动电机的波形。理想情况下这些波形应当十分平滑，但实际上它们含有被称为谐波的附加纹波。在工业电机驱动中，这些谐波表现为电压和电流的失真。对电机而言，这意味着扭矩抖动、轴承和轴的额外机械应力、可听见的啸叫声以及以热量形式的能量浪费。传统的解决办法包括由电感和电容构成的无源滤波器，或更复杂的多电平变换器，但这些方案都会增加成本、体积和设计复杂性。

一种不同的接线方式

研究聚焦于一种特殊的电机接法，称为开端绕组异步电机。不将三个定子绕组在中性点并联，而是把每个绕组的两端都引出以供连接。这样工程师可以从两台独立的电子变流器为电机供电，各在一端。当两台都是常规两电平逆变器时，电机实际上受到类似三电平的电压，相比于基本驱动可改善电能质量。早期工作主要利用这种双逆变器布局来分担功率或提高电压等级。新工作重新思考了两台逆变器的角色，将其中一台转为有源“清理”装置。

一台逆变器供能，另一台负责“清理”

在所提方案中，第一台逆变器承担绝大部分向电机输送有功功率，采用称为空间矢量调制的高效换流方式产生主三相电压。第二台逆变器并不直接供电，而是以一个浮动电容为核心，作为串联有源滤波器进行控制。关键思想是测量主逆变器实际输出的电压，分离出其中平滑的基波分量，把剩余部分视为不希望出现的失真。然后命令第二台逆变器产生一个仅对应该失真的电压，以便在端子上抵消它。由于电机“看到”的是两台逆变器电压的差值，第一台产生的失真在很大程度上被第二台抵消，从而得到更洁净的相电压和电流。

从仿真到实测

作者搭建了详尽的计算机模型，模拟一台五马力异步电机由他们的双逆变器结构驱动，并与更常见的三电平驱动（包括广泛使用的中点箝位结构）进行了比较。随后他们在实验台架上用实际电机和硬件控制器验证了结果。在广泛的工况下，新方法始终降低了电机相电压的总失真量。例如，在传统开端驱动下失真约为11–14%时，所提方法大约将其减半，下降到约5–10%，具体取决于参数设置。对扭矩脉动和噪声影响最大的低阶和中阶谐波得到尤其显著的抑制。

对日常设备意味着什么

对非专业读者来说，主要信息是：作者找到了一种方法，使常见的工业电机在不改动电机本体或增加沉重滤波硬件的情况下运行得更平稳。通过巧妙地将两台逆变器中的一台重新用作自调节滤波器，该方案从源头减少了电气粗糙度。更平滑的电压带来更低的噪声、更小的振动和更少的机械磨损，同时提高效率并降低发热。对于大量使用变速驱动的工厂，这些改进可转化为更长的设备寿命和更低的运行成本，而无需更换已存在的基本部件。

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

关键词: 异步电机驱动, 谐波抑制, 有源电力滤波器, 多电平逆变器, 电机效率