인버터 노이즈가 케이블을 타고 모터로 들어오는 건가요?

흘러 들어오는 것이 아니라, 전압이 모터 안에서 나뉘는 것입니다. 전선을 타고 노이즈가 축까지 흘러온다고 생각하면 대책이 엉뚱해집니다. 실제로 일어나는 일은 정전용량에 의한 분압이고, 그래서 접지를 아무리 잘해도 축전압은 남습니다.

먼저, 공통모드 전압이 무엇인가

상용 전원은 세 상의 합이 항상 0입니다. 그런데 인버터는 각 상을 「위 아니면 아래」 두 값에만 붙이므로 세 값을 더해 0이 나올 수가 없습니다. 이 남는 것이 공통모드 전압이고, 모터 권선의 중성점이 대지 기준으로 계단처럼 흔들립니다.

여기서 짚고 넘어갈 것이 있습니다. 공통모드 전류는 전력계통에서 말하는 영상분 전류와 같은 양입니다.

공통모드 전류  i_com = i_a + i_b + i_c
영상분 전류    I₀    = (i_a + i_b + i_c) / 3

           i_com = 3 I₀

부르는 이름이 다른 이유는 보는 주파수와 돌아가는 길이 다르기 때문입니다. 영상분은 상용주파 지락 해석에서 쓰고 중성선·접지선이라는 설계된 도체로 돌아갑니다. 공통모드는 수 kHz~MHz 대역이고 기생 정전용량을 타고 돌아갑니다 — 케이블 트레이, 건물 철골, 배관 같은 것들입니다.

실무에서 이 차이가 사고로 나타납니다. ZCT가 이 전류를 「영상분이 흐른다 = 지락이다」로 읽어 누전차단기가 오동작합니다. 지락이 아니라 정상 운전 중의 충방전 전류입니다.

모터 안에는 보이지 않는 커패시터가 넷 있습니다

권선과 철심 사이, 회전자와 프레임 사이에는 얇은 절연물과 공극이 있습니다. 상용주파에서는 없는 것이나 마찬가지지만, 수백 kHz가 넘어가면 전류가 지나다니는 통로가 됩니다.

기호	어디와 어디 사이	하는 일
CSF	고정자 권선 ↔ 프레임	전류의 대부분이 여기로. 인버터로 돌아가는 정상 경로
CSR	고정자 권선 ↔ 회전자	축에 전압을 넘겨 주는 쪽. 작다
CRF	회전자 ↔ 프레임	축전압을 눌러 주는 쪽. 크다
CB	베어링 유막	유막이 절연체. 뚫리면 방전

축전압을 정하는 것은 C_SR과 C_RF 둘입니다. 이 둘이 전압 분배기를 이룹니다.

축전압은 분압비가 정합니다

이 분배기의 비율을 축전압비(BVR, Bearing Voltage Ratio)라고 부릅니다.

BVR = C_SR / ( C_SR + C_B + C_RF )

C_RF가 C_SR보다 훨씬 크기 때문에 이 값은 작게 나옵니다. 인버터 제조사 문헌은 축전압과 공통모드 전압의 비가 대체로 1:10 정도이며 모터 크기에 따라 달라진다고 적고 있습니다.

숫자를 맞춰 보면 사이트의 다른 글과 들어맞습니다. 400V급 인버터는 DC 링크가 약 565V이고 공통모드 전압이 수백 V인데, 여기에 1/10을 곱하면 수십 V가 됩니다. NEMA MG 1이 인버터 구동 시 축~접지 전압을 10~40V peak로 적어 둔 것과 같은 크기입니다.

그래서 접지를 잘해도 축전압은 남습니다

이 글에서 가장 중요한 대목입니다. 분압비는 모터가 생겨먹은 모양이 정합니다. 권선과 회전자가 얼마나 마주 보고 있는지, 공극이 얼마인지가 정하는 값입니다. 접지선을 굵게 하든 짧게 하든 이 비율은 바뀌지 않습니다.

접지가 부실하면 다른 문제가 여기에 더해질 뿐입니다. 프레임 전위가 뜨고, 축이 더 잘 접지된 피구동 기계 쪽으로 전류를 흘리고, 대형기에서는 순환전류가 생깁니다. 그쪽은 접지·본딩으로 개선됩니다.

두 가지가 별개의 문제이고 대책도 별개입니다. 접지만 잘하면 되는 문제였다면 축 접지 브러시라는 물건이 필요하지 않았을 것입니다.

	원인	대책
축전압 자체	모터 내부 정전용량 분압 — 구조가 정한다	축 접지 브러시 축에서 프레임으로 길을 냄
프레임 전위·순환전류	귀환 경로 임피던스	편조선 본딩 짧고 넓게

전류는 네 갈래로 갈라집니다

공통모드 전류는 한 길로만 가지 않습니다. 임피던스에 반비례해 나뉩니다. 인버터 제조사 문헌은 그 갈래를 넷으로 정리합니다.

	경로	성격
i₁	고정자 → 프레임 (CSF)	가장 큰 몫. 인버터로 돌아가는 정상 경로
i₂	EDM — 축전압이 유막을 뚫고 방전	베어링을 깎는 주범
i₃	회전자 → 축·부하 구조물 → 대지	감속기 베어링이 먼저 상하는 경우
i₄	순환전류 — 축을 감는 자속이 유도	축이 긴 대형기. 소형기에서는 미미

그러니 「접지로 다 빠져나간다」가 아니라 「어느 길의 임피던스가 낮은가」의 문제입니다. 인버터로 돌아가는 길을 낮게 만들수록 나머지 셋으로 가는 몫이 줄어듭니다.

⚠ 여기서 흔한 오해가 하나 더 있습니다. 모터와 인버터를 각각 대지에 접지하는 것만으로는 부족합니다. 각자 대지로만 가면 고리가 커져 임피던스가 올라갑니다. 모터에서 인버터로 직접 되돌리는 길이 있어야 합니다 — 차폐 케이블의 양끝 360° 종단이나 짧은 본딩선입니다.

정전용량 기호와 전류 경로 분류, 축전압과 공통모드 전압의 1:10 비는 Yaskawa Electric America Application Note AN.AFD.17 — Motor Bearing Current Phenomenon(2008)을 참고했습니다. BVR 산식과 베어링 손상 유형 분류는 Plazenet 외, An Overview of Shaft Voltages and Bearing Currents in Rotating Machines, IEEE IAS 2016 에 정리되어 있습니다. 실제 값은 모터 용량·극수·공극에 따라 달라지므로, 위 비율은 크기 감각으로만 참고하시기 바랍니다.

접지가 하나로 묶여 있으면 이 전압을 다른 계통까지 함께 받습니다. 통합접지에서 인버터 고주파가 어디로 퍼지는지는 따로 정리했습니다.