인버터 캐리어 주파수란 무엇이며 높이거나 낮추면 무엇이 달라질까?

인버터 설정항목을 보다 보면 캐리어 주파수라는 값을 만나게 된다. 제품에 따라 PWM 주파수 또는 스위칭 주파수라고 표현하기도 한다.

처음에는 모터의 회전속도를 결정하는 출력주파수와 비슷한 개념으로 느껴질 수 있지만 둘은 전혀 다르다. 출력주파수는 전동기의 기본 회전자계 속도와 관계가 있고, 캐리어 주파수는 인버터 내부의 전력반도체가 얼마나 빠르게 스위칭하는지와 관계가 있다.

캐리어 주파수를 바꾸면 모터의 고주파 소음, 전류리플, 인버터의 스위칭 손실과 발열, 누설전류와 전자파 특성까지 달라질 수 있다.

인버터는 정현파를 그대로 만들어내는 장치가 아니다

인버터의 DC 링크에는 직류전압이 존재하고, 모터에는 3상 교류전압이 필요하다. 인버터는 IGBT나 다른 전력반도체를 빠르게 켜고 끄면서 직류전압을 펄스 형태로 출력한다.

이 펄스의 폭과 순서를 조절하면 모터 권선에 흐르는 전류는 기본파 성분을 중심으로 교류에 가까운 형태가 된다. 이 방식이 PWM, 즉 펄스폭변조다.

캐리어 주파수란 무엇일까?

PWM을 만들기 위해 사용하는 빠른 기준주파수를 캐리어 주파수라고 한다. 모터 출력주파수가 60Hz여도 캐리어 주파수는 수 kHz 이상일 수 있다.

즉 60Hz 출력주파수는 전동기의 회전자계와 회전속도에 직접 관계되는 기본주파수이고, 수 kHz의 캐리어 주파수는 PWM 스위칭 패턴을 만드는 주파수다.

캐리어 주파수가 낮으면 어떤 현상이 나타날까?

캐리어 주파수가 낮으면 한 주기 동안 전력반도체가 스위칭하는 횟수가 줄어든다. PWM 펄스 간격이 상대적으로 넓어지고 모터 전류의 리플이 커질 수 있다.

또한 스위칭에 의해 발생하는 전자기적인 힘의 주파수 성분이 사람의 가청영역에 들어오면 특유의 높은 음이 들릴 수 있다.

그래서 인버터 운전 모터에서 들리는 고주파음이 항상 베어링이나 기계적인 전동기 이상소음을 뜻하는 것은 아니다. PWM 스위칭에 의한 전자기음일 수도 있다.

캐리어 주파수를 높이면 왜 조용해질 수 있을까?

캐리어 주파수를 높이면 스위칭과 관련된 주요 주파수 성분도 더 높은 영역으로 이동한다. 사람이 듣기 어려운 주파수대로 이동하면서 모터의 가청 고주파 소음이 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

또한 PWM 펄스를 더 세밀하게 조절할 수 있어 모터 전류리플이 줄어드는 방향으로 작용할 수 있다. 이 때문에 조용한 운전이 중요한 소형 설비나 실내 장비에서는 비교적 높은 캐리어 주파수를 선택하는 경우가 있다.

그런데 왜 항상 최고값으로 설정하지 않을까?

전력반도체는 완전히 켜져 있는 동안의 도통손실뿐 아니라 켜지고 꺼지는 순간에도 손실이 발생한다. 스위칭 순간에는 전압과 전류가 동시에 존재하는 구간이 생기기 때문이다.

한 번의 스위칭 손실이 작더라도 1초 동안 스위칭 횟수가 많아지면 전체 스위칭 손실은 증가한다. 그래서 캐리어 주파수를 높이면 인버터 전력반도체의 발열이 커질 수 있다.

캐리어 주파수와 인버터 허용전류

일부 인버터는 높은 캐리어 주파수에서 정격 출력전류를 그대로 사용할 수 없고 허용전류를 낮춰야 하는 조건이 있다. 이를 디레이팅이라고 한다.

주변온도가 높거나 제어반 내부의 통풍이 좋지 않은 상황에서 높은 캐리어 주파수로 운전하면 인버터의 열적 여유가 더 줄어들 수 있다.

따라서 캐리어 주파수를 변경할 때는 반드시 제조사 매뉴얼의 캐리어 주파수별 출력전류와 주변온도 조건을 확인해야 한다.

모터 전류리플은 왜 달라질까?

모터 권선은 인덕턴스를 가지고 있기 때문에 전압이 PWM 펄스 형태로 인가되어도 전류가 전압처럼 즉시 변하지 않는다.

캐리어 주파수가 높으면 한 번의 스위칭 주기가 짧아져 전류가 크게 증가하거나 감소할 시간이 줄어든다. 그래서 전류리플이 작아지는 방향으로 작용한다.

전류리플이 줄면 토크 맥동과 일부 전자기적 진동 성분도 줄어들 수 있다. 다만 실제 효과는 모터 구조와 운전주파수, 부하조건에 따라 달라진다.

캐리어 주파수와 전동기 진동

PWM으로 인해 발생하는 고조파 전류는 모터 내부의 자속에도 영향을 준다. 이 자속 성분이 전자기적인 힘을 만들고, 특정 구조물의 고유진동수와 가까워지면 소음이나 전동기 진동으로 나타날 수 있다.

특정 캐리어 주파수에서 유독 소음이 커지는 설비라면 허용범위 안에서 캐리어 주파수를 변경했을 때 소음특성이 달라지는지 비교해볼 수 있다.

캐리어 주파수를 높이면 모터 발열은 항상 줄어들까?

전류리플과 일부 고조파 성분이 줄어들면 모터의 추가손실이 감소하는 방향으로 작용할 수 있다. 하지만 높은 캐리어 주파수에서는 고주파 스위칭이 더 자주 반복된다.

케이블과 모터의 기생 정전용량을 통해 흐르는 고주파 전류도 영향을 받을 수 있으므로 캐리어 주파수가 높으면 시스템 전체가 무조건 차가워진다고 단정하면 안 된다.

가장 분명한 열적 부담은 인버터에서 나타난다

캐리어 주파수 상승에 따른 대표적인 부담은 인버터 전력반도체의 스위칭 손실 증가다. 손실이 증가하면 히트싱크와 내부온도가 올라갈 수 있다.

냉각팬이나 통풍로가 오염되어 있으면 문제가 더 커진다. 모터의 전동기 냉각이 중요한 것처럼 인버터 자체의 냉각상태도 장기적인 신뢰성에 중요하다.

케이블이 길면 왜 더 신경 써야 할까?

모터 케이블에는 분포 정전용량이 존재한다. PWM 출력은 빠른 전압변화를 가지므로 케이블 정전용량을 충·방전하는 고주파 전류가 발생할 수 있다.

캐리어 주파수가 높아지면 이러한 충·방전이 1초 동안 반복되는 횟수도 증가한다. 그 결과 누설전류와 전자파 간섭, 인버터 출력전류의 고주파 성분이 증가하는 방향으로 작용할 수 있다.

캐리어 주파수와 dv/dt는 같은 개념일까?

같지 않다. 캐리어 주파수는 스위칭이 얼마나 자주 발생하는지를 나타낸다. dv/dt는 한 번의 스위칭 에지에서 전압이 얼마나 빠르게 변하는지를 나타낸다.

캐리어 주파수를 높인다고 해서 개별 펄스 에지의 dv/dt가 같은 비율로 커지는 것은 아니다. 다만 스위칭 횟수가 많아지므로 고주파 현상이 반복되는 횟수는 증가한다.

캐리어 주파수를 낮추는 것이 유리한 경우

인버터 자체의 발열이 심하거나 높은 주변온도에서 최대 출력전류를 확보해야 하는 경우에는 캐리어 주파수를 낮추는 것이 도움이 될 수 있다.

대용량 전동기에서는 모터의 가청소음보다 인버터 효율과 열적 여유가 더 중요한 경우도 있다. 반대로 소음에 민감한 작은 설비에서는 비교적 높은 캐리어 주파수가 유리할 수 있다.

기본값을 함부로 바꾸지 않는 것이 좋은 이유

인버터 제조사는 제품의 출력용량, 냉각설계, 전력반도체 특성과 EMC 조건을 고려해 기본 캐리어 주파수를 정한다.

특별한 이유가 없다면 기본 설정을 유지하는 것이 가장 안정적일 수 있다. 소음을 줄이기 위해 값을 변경할 때도 허용 가능한 출력전류와 주변온도, 케이블 길이 조건을 매뉴얼에서 확인하는 것이 좋다.

마무리

인버터의 캐리어 주파수는 모터의 회전속도를 직접 결정하는 출력주파수와 다른 개념이다. 캐리어 주파수는 PWM을 만들기 위해 전력반도체가 스위칭하는 빈도를 결정한다.

캐리어 주파수를 높이면 전류리플과 가청소음을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 인버터의 스위칭 손실과 발열은 증가할 수 있다. 반대로 낮추면 인버터의 열적 부담은 줄어들 수 있지만 모터의 고주파 소음과 전류리플이 커질 수 있다.

따라서 캐리어 주파수는 단순히 높을수록 좋은 값이 아니라 모터 소음, 인버터 발열, 허용전류, 케이블과 EMC 조건을 함께 고려해 설정해야 한다.