인버터 노이즈는 주로 전력 반도체 소자(IGBT, MOSFET 등)의 고속 스위칭 동작에 의해 발생합니다. PWM(펄스 폭 변조) 제어 방식으로 구형파 형태의 전압/전류를 빠르게 온/오프하면서 원하는 주파수와 전압의 교류 파형을 만들어내는데, 이 과정에서 매우 **빠른 전압/전류의 변화율(dv/dt, di/dt)**이 발생하며 이것이 노이즈의 주된 원인이 됩니다.

인버터 노이즈의 특징 및 대책

인버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하거나, 교류의 주파수와 전압을 가변하여 모터의 속도를 제어하는 등의 기능을 수행하는 장치입니다. 특히 모터 구동용 인버터(Variable Frequency Drive, VFD)가 산업 현장에서 널리 사용되면서 인버터에서 발생하는 전기적 노이즈가 주요 문제로 대두되고 있습니다.

인버터 노이즈는 주로 전력 반도체 소자(IGBT, MOSFET 등)의 고속 스위칭 동작에 의해 발생합니다. PWM(펄스 폭 변조) 제어 방식으로 구형파 형태의 전압/전류를 빠르게 온/오프하면서 원하는 주파수와 전압의 교류 파형을 만들어내는데, 이 과정에서 매우 **빠른 전압/전류의 변화율(dv/dt, di/dt)**이 발생하며 이것이 노이즈의 주된 원인이 됩니다.

 

인버터 노이즈의 특징

1. 광대역 주파수 성분: 인버터의 스위칭 주파수(수 kHz ~ 수십 kHz) 및 그 배수뿐만 아니라, 스위칭 파형의 빠른 상승/하강 시간(edges)으로 인해 수 MHz 이상의 매우 높은 주파수 성분까지 포함하는 광대역 노이즈 특성을 가집니다.
2. 전도성 노이즈와 방사성 노이즈:
   • 전도성 노이즈 (Conducted Noise): 전원선, 출력선 등 도체를 따라 흐르는 노이즈입니다. 주로 수 kHz ~ 30 MHz 대역에서 문제가 됩니다.
   • 방사성 노이즈 (Radiated Noise): 전선이나 장비에서 전자기파 형태로 공간으로 방출되는 노이즈입니다. 주로 30 MHz 이상의 고주파 대역에서 문제가 됩니다.
3. 코먼 모드 노이즈 (Common Mode Noise): 3상 출력 선로(및 경우에 따라 중성선)의 모든 도체에 같은 방향으로 흘러 접지선이나 다른 경로를 통해 인버터로 되돌아오는 노이즈 성분입니다. 인버터 노이즈의 상당 부분을 차지하며, 일반적인 직렬 필터로는 제거하기 어렵고 접지 시스템에 큰 영향을 미칩니다. 모터 베어링 전류의 주요 원인이 됩니다.
4. 디퍼렌셜 모드 노이즈 (Differential Mode Noise): 3상 도체 간에 서로 다른 방향으로 흐르는 노이즈 성분입니다. 일반적인 부하 전류처럼 흐르지만 고주파 성분을 포함합니다. 코먼 모드 노이즈에 비해 필터링이 비교적 쉽습니다.
5. 높은 dv/dt 및 서지 전압: 인버터 출력 전압의 빠른 상승은 케이블 임피던스와 상호작용하여 모터 단자에 수백 V 또는 수천 V에 이르는 과도한 서지 전압을 발생시킬 수 있습니다.

인버터 노이즈로 인한 문제점

• 주변 기기 간섭: 인버터 근처의 민감한 전자 장비, 통신 장비, 센서, 제어 장치(PLC, 컴퓨터 등)에 오작동, 데이터 오류, 통신 불량 등을 유발할 수 있습니다.
• 모터 문제:
  • 베어링 전류: 코먼 모드 전압/전류가 모터 축과 베어링을 통해 흐르면서 베어링 표면에 전기적 부식을 일으키고 수명을 단축시킵니다 (일렉트로 스파킹 또는 플루팅).
  • 권선 절연 스트레스: 높은 dv/dt는 모터 권선 간에 비균일한 전압 분포를 유발하여 절연체에 부분 방전이나 스트레스를 증가시키고 절연 파괴를 가속화할 수 있습니다.
  • 소음 및 발열: 고조파 성분은 모터의 철심에서 추가적인 손실과 진동을 유발하여 소음과 발열을 증가시킬 수 있습니다.
• 케이블 문제: 케이블 절연체에 스트레스를 주고, 장거리 케이블에서는 반사파로 인한 전압 증폭 현상을 일으킬 수 있습니다.
• 계통 영향: 전원 계통으로 역류하여 다른 설비에 영향을 주거나 전력 품질을 저하시킬 수 있습니다.
• 법적 규제 초과: 전자파 적합성(EMC) 관련 규제 기준을 초과할 수 있습니다.

인버터 노이즈 대책

인버터 노이즈는 발생원, 전달 경로, 피해 설비 측면에서 종합적으로 대책을 적용하는 것이 효과적입니다.

1. 인버터/모터 측 대책 (발생원 및 직접적인 경로):
   • 리액터(Reactor) 설치:
     • AC 리액터 (라인 리액터): 인버터 입력 측에 설치하여 입력 전류 파형 개선, 고조파 저감, 서지 흡수 등의 효과가 있습니다.
     • DC 리액터 (DC Choke): 인버터 DC 링크에 설치하여 입력 전류 고조파 저감에 효과적입니다.
     • 출력 리액터 (로드 리액터): 인버터 출력 측에 설치하여 모터 단자의 dv/dt 완화, 서지 전압 감소, 모터 소음 및 발열 감소, 케이블 영향 완화 등에 효과가 있습니다.
   • 출력 필터 설치:
     • dv/dt 필터: 모터 단자의 dv/dt 값을 효과적으로 제한하여 모터 절연 스트레스와 베어링 전류를 줄입니다. 출력 리액터보다 성능이 우수합니다.
     • 사인파 필터 (Sine Wave Filter): 인버터의 PWM 출력을 거의 순수한 사인파에 가깝게 변환하는 필터입니다. 고조파, dv/dt, 베어링 전류, 소음 등 인버터 관련 대부분의 노이즈 문제를 가장 효과적으로 해결하지만, 비용이 비싸고 전압 강하가 발생할 수 있습니다.
   • 스위칭 주파수 조정: 스위칭 주파수를 낮추면 dv/dt가 감소하여 고주파 노이즈가 줄어들지만, 모터의 자려 소음이 커지거나 효율이 저하될 수 있습니다. 적절한 주파수 선택이 필요합니다.
2. 케이블 및 접지 대책 (전달 경로):
   • 차폐 케이블 사용: 인버터 출력 케이블은 반드시 **차폐된 케이블(VFD Cable)**을 사용하고, 양쪽 끝(인버터 접지 단자 및 모터 프레임 접지 단자)에 차폐망을 잘 접지해야 합니다. 차폐망은 전도성 및 방사성 노이즈를 효과적으로 잡아주는 역할을 합니다.
   • 적절한 접지: 저 임피던스의 견고한 접지 시스템을 구축합니다. 코먼 모드 노이즈 전류가 접지선을 통해 안전하게 인버터로 되돌아갈 수 있도록 해야 합니다. 단일점 접지 또는 등전위 본딩을 통해 접지 전위 상승으로 인한 문제를 방지합니다.
   • 케이블 분리 및 배선: 전력 케이블(특히 인버터 출력 케이블)과 제어/통신 케이블은 물리적으로 분리하여 배선합니다. 같은 덕트나 트레이를 사용하지 않도록 하고, 부득이하게 교차할 경우 직각으로 교차시켜 간섭을 최소화합니다.
   • 페라이트 코어: 노이즈 전류가 흐르는 케이블에 페라이트 코어를 장착하여 고주파 노이즈 성분을 감쇠시킵니다. 특히 제어/통신 케이블이나 인버터 출력 케이블에 효과적입니다.
3. 피해 설비 측 대책 (수신단):
   • 필터 설치: 민감한 제어/통신 장비의 전원 입력 단이나 신호 라인에 노이즈 필터(라인 필터, 페라이트 비드, 코먼 모드 초크 등)를 설치합니다.
   • 절연 강화: 인버터 노이즈의 영향을 받는 장비에 절연 변압기 등을 사용하여 전원적으로 분리합니다.
   • 차폐 강화: 민감한 장비를 차폐된 제어반 내부에 설치하여 외부 전자기파 노이즈로부터 보호합니다.

인버터 노이즈 대책은 적용되는 시스템 환경, 요구되는 노이즈 저감 수준, 예산 등을 고려하여 여러 방법을 조합하여 적용하는 것이 일반적입니다. 가장 중요하고 기본적인 대책은 차폐된 인버터 출력 케이블의 올바른 사용 및 견고한 접지 시스템 구축이라고 할 수 있습니다.