반송파 위상 변이로 축전압을 줄일 수 있나요?

줄일 수 있습니다. 그런데 이 기술을 쓸 수 있는 사람이 정해져 있습니다. 이미 돌아가고 있는 설비의 대책으로는 쓰기 어렵습니다.

반송 주파수를 바꾸는 것과는 다른 이야기입니다

먼저 구분이 필요합니다. 반송 주파수를 올리거나 내리는 것은 스위칭이 얼마나 자주 일어나는지를 바꿉니다. 공통 모드 전압(CMV)의 크기 자체는 그대로입니다. 그래서 전식 대책이 되지 못합니다.

반송파 위상 변이는 다릅니다. 각 상의 반송파를 서로 어긋나게 놓아 공통 모드 전압이 만들어지는 방식 자체를 바꿉니다. 인버터 필터가 이미 생긴 전류를 흡수하는 것과 달리, 이쪽은 애초에 덜 생기게 합니다. 접근이 다르니 결과도 다릅니다.

원리 — 영벡터를 쓰지 않는다

일반적인 공간벡터 PWM은 세 상을 모두 켜거나 모두 끄는 순간을 씁니다. 이것을 영벡터라고 합니다. 이때 공통 모드 전압이 가장 크게 튑니다.

반송파 위상을 어긋내면 세 상이 동시에 같은 상태가 되는 구간이 사라집니다. 영벡터를 안 쓰게 되니 전압이 튀는 폭이 줄어듭니다. 공통 모드 전압 저감 PWM 기법들을 비교한 연구에서는 이 방식으로 피크 대 피크 크기가 종래 대비 1/3 수준으로 줄었다고 보고합니다(허건·박용순, 전력전자학회 논문지 26권 2호, 2021).

별도의 부품을 달지 않고 제어만으로 얻는 결과입니다. 연산 부담도 늘지 않습니다. 그래서 주목받습니다.

완전히 없앨 수 있다는 건 6상 전동기 이야기입니다

여기가 가장 자주 오해되는 부분입니다. 공통 모드 전압을 완전히 제거할 수 있다는 설명은 6상 전동기를 전제로 합니다. 상이 여섯 개라 서로 상쇄시킬 조합이 나오기 때문입니다.

6극이 아니라 6상입니다. 극수는 회전 속도를 정하는 값이고, 상수는 인버터가 몇 갈래로 전력을 보내는지를 말합니다. 현장에서 쓰시는 인버터 구동 모터는 6극이든 4극이든 대부분 3상입니다. 3상에서는 줄어들 뿐 없어지지 않습니다.

남은 축전압이 유막이 견디는 한계를 넘으면 방전은 그대로 일어납니다. 크기가 줄어 손상이 늦춰질 뿐, 0이 되는 것은 아닙니다.

만능이 아닌 이유 셋

첫째, 인버터를 만드는 쪽만 쓸 수 있습니다. 이건 부품이 아니라 변조 방식입니다. 인버터 내부의 PWM 제어를 고쳐야 합니다. 이미 설치된 설비에 타사 인버터를 쓰고 계시면 사용자가 손댈 수 있는 영역이 아닙니다. 이 기술이 모터·인버터 제조사를 대상으로 한 기술이전 항목인 이유입니다.

둘째, 대가가 있습니다. 영벡터를 쓰지 않으면 전류 파형이 거칠어집니다. 운전 조건(변조지수)에 따라 성능도 달라져서, 어떤 구간에서는 이득이 줄어듭니다. 공짜로 얻는 개선이 아닙니다.

셋째, 인버터가 원인이 아닌 축전압은 못 막습니다. 축전압이 늘 인버터에서만 오는 것은 아닙니다. 벨트 구동이나 공정에서 생기는 정전기 대전, 설비 주변을 흐르는 미주 전류는 인버터 제어와 무관합니다. 같은 모델인데 특정 현장에서만 문제가 생기는 경우가 여기에 해당합니다.

덧붙여, 축전압 방전과 순환 전류·축 접지 전류는 경로가 다릅니다. 공통 모드 전압을 줄이면 셋 다 함께 완화되지만, 어느 하나도 완전히 사라지지는 않습니다.

그래서 어떻게 보아야 하나

유망한 기술입니다. 다만 설계 단계에서 쓰는 수단입니다. 모터와 인버터를 함께 만드는 곳이라면 부품을 추가하지 않고 위험을 낮출 수 있으니 검토할 가치가 충분합니다.

반면 이미 돌아가고 있는 설비라면 선택지가 다릅니다. 인버터를 바꾸지 않고 축전압을 처리하려면 축에 흐르는 전류를 안전하게 내보내는 쪽이 현실적입니다. 두 방법은 경쟁 관계가 아니라 적용 시점이 다른 것입니다.

※ 참고 문헌 — Im, Lee, Park, Hur, “Shaft Voltage Reduction Method Using Carrier Wave Phase Shift in IPMSM”, Energies 14(21):6924, 2021 (DOI 10.3390/en14216924) · 허건, 박용순, 「변조지수에 따른 공통모드 전압 저감 PWM 기법 성능 비교」, 전력전자학회 논문지 26(2), 2021, 135–140. 두 편 모두 초록만 확인했으며 전문은 보지 못했습니다. 앞의 논문은 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)를 대상으로 시뮬레이션으로 검증한 연구입니다.