KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (4), 테스트 그리고 10Khz

글쓴이 : SOONDORI

와산교 님의 수고로운 테스트 자료를 보면서 몇 가지를 궁리해 보았다.

* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (3), 조립

■ 검토 표준

아래는 엘리베이터가 움직일 때, 인티앰프 Tape Out 단자에서 관측된 삐~ 소리의 실체. 가청 주파수 대역의 다양하고 복합한 파형이 담겨 있다. (PC 사운드 카드로 포획했으니 20Khz 초과 노이즈는 감지하지 못한 것으로 간주)

* User Talk의 글 읽기

여기서,

1) 무조건 우뚝 솟은 10Khz는 엘리베이터 VVVF 인버터의 기본 펄스일 가능성이 있다? 그러면 10Khz와 함께 존재하는 20Khz는, 2배짜리 고조파로 볼 수 있겠고. 그것이 쉽게 상상했던 방사성 노이즈인지 아니면, (설마?) 전도성 노이즈인지는 모름.

2) 8Khz, 13.5Khz, 이미지 주파수처럼 보이는 a) 16Khz – 3Khz = 15.7Khz(= 예, Lower Side Band), b) 16Khz + 3Khz = 16.3Khz(=Upper Side Band) 그리고 기타는 모두 고조파 전도성 노이즈이거나 방사성 노이즈이거나 또는 필터 내부에서 변형된 파형의 n차 주파수일 듯.

3) 가외 변수

– 엘리베이터에 1명이 탔을 때, 10명이 탔을 때, 상승할 때와 하강할 때, 브레이크가 작동할 때와 아닐 때 등 다양한 변수에 따라 VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency) 컨트롤러의 반응이 달라질 것이므로 현실 테스트 환경은 약간 불안정한 편이다. 즉, 모든 것을 포괄하는, 100프로 통제된 실험으로 보기는 어렵다는 생각. 더하여 벽면 콘센트의 대지접지 상태 등 불확정 변수가 있다.

– KEMET EMI 필터는, 1) (대지접지 라인(PE)을 제외한다면) 입력 핀 두 개, 출력 핀 두 개 각각을 바꾸어 사용해도 된다. 2) 다이오드와 같이 명확한 것은 아니지만, 필터의 입력과 출력은 구분된다. 즉, 방향성이 있다, 3) Line과 Load를 뒤집어 사용해도 문제없음. 회로가 그렇고 어차피 220V 전력이 여기로 가든 저기로 가든…

■ 미쓰비시 VVVF 컨트롤러

다음은 예시로 제시하는, 미쓰비시 엘리베이터 제어계의 정보. 독일제, 미제, 일제, 국산 등 모든 도긴개긴 VVVF 제어계가 비슷한 특성을 갖고 있다고 간주하면, 그리고 그런 것이 10년쯤, 20년쯤 된 아파트에서 쓰이고 있다고 가정할 때…

주목할 것은 Motor 제어 파형. 기본 파형은 10Khz에, 약 30Mhz 단위의 계단형 파형을 취급한다고 한다.

깨끗한 삼각파 또는 방형파 그림을 썼지만, 현실은 그렇게 단순하거나 깨끗하지 않고 파형 변곡점에서 매우 다양한 파생 주파수가 생성될 것이다. Primary 10Khz에 얹히는 복잡한 것들.

그것을 얼렁뚱땅 수식으로 정리하자면,

노이즈 =
fx(강도가 세서 우뚝 솟을 10Khz 모터 구동 신호, 강도가 약할 것이 뻔한 30Mhz 구동 신호, 기타 정체를 알 수 없는 어떤 주파수의 잡신호)
= 10Khz 우세 & 기타 주파수는 약세인 전도성 노이즈 또는 방사성 노이즈

■ KEMET 필터의 10Khz

당초 어떤 ‘높은 주파수’의 하모닉 즉, 고조파로 10Khz를 특정하고 그 ‘높은 주파수’를 억제하면, (그것이 전도성이든 방사성이든 불문) 당연히 10Khz도 억제될 것으로 기대하였다. 현실이 기대와 다르니까 이제는 10Khz가 직접 들어오는 것인가 아니면 고조파로 들어오는 것인가를 판단해야 한다.

관측 자료를 기준으로는, 직접 유입되는 것으로 볼 수밖에 없음. 그러면 예시된 미쓰비시 제어계 특성에도 부합한다. 미쓰비시 제어계가 대표할 타사 제어계에도 부합하는 것이 되고…

KEMET의 반응 그래프들을 가져와서 다시 살펴보면, 안타깝게도 10Khz 부근 감쇄도는 대체로 Zero. 즉, 어떤 경우에도 직접 들어오는 10Khz를 충분히 억제할 수 없다.

(▲ 이상은 KEMET 표시 방법 그대로, 마이너스 감쇄도를 역으로 표현한 것. 1~40hz 구간의 증분 효과는… “대충 넘어가자!” 계측 오류가 아니라 실제로 그랬던 모양. 정의는 ‘Filter Gain > 0’이다. 그렇다면, 필터 모듈의 방향을 달리하되 같은 방식으로 그래프를 그려볼 필요가 있음)

* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (2), 기초 테스트

그러면 자연스럽게 KEMET 필터는 무용의 것이 된다.

그런데…

쉽게 단정하고 끝낼 것은 아니다. 가정은 했지만 반드시 미쓰비시 제어계가 모든 엘리베이터 제어계를 대표한다고 볼 수 없고 EMI 필터 사용의 기본 목적이 전자 기기 내부에서 발생하는 노이즈의 외부 방출을 억제하는 것이라고 보면, 장착 방향을 180도 뒤집은 상태에서 검증해 볼 필요가 있다.

2차 테스트를 했더니 반응이 엇비슷하다면, 10Khz 노이즈가 직접 들어오고 KEMET로는 방어할 수 없는 것으로 확정.

(▲ 우리나라 아파트의 엘리베이터 머신 룸이 이렇게 깨끗할 것 같지는 않음. 표제부 사진 포함 출처 : https://twitter.com/ME_Elevators_US)

그래서 미리 적어두는바, 그렇게 무조건 우뚝 솟는 10Khz가 모든 사례에 있어서 공히 엘리베이터 노이즈의 주범이라면… 예를 들어, LC Notch Filter로 억제할 수 있을 듯? 그러면 RF, EMI, EMC, EMS 세상을 떠나서 오디오 레벨 필터의 세상으로 가는 것이 된다.

다른 아파트, 다른 엘리베이터에서는 주범이 무엇인지가 매우 궁금하다.

* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (5), 역방향 테스트

○ (내용 추가) PWM 방식 엘리베이터 모터 제어의 기본 목적은 전기 절약. 그런 취지로 SMPS 전원 회로와 D-클래스 앰프를 쓰는데… 좋은 게 있으면 반드시 나쁜 게 있기 마련이다.

○ 아무래도 10Khz와 파생 고조파 20Khz는 거의 고정된…

“…이 논문은 IGBT의 스위칭 전류와 다이오드 역회복 전류에 의해 발생하여 전원 선로에서 측정되는 DM(Differential Mode) 노이즈와 컨버터 시스템과 접지 사이의 기생 커패시턴스에 의해 발생되어 선로와 접지 사이에서 측정되는 CM(Common Mode) 노이즈를 줄이기위한 방법에 관한 연구이다… 전력 반도체소자의 스위칭에 의하여 발생하는 Noise는 전원선을 통하여 전달되는 전도성이 대부분이다. IGBT의 경우 5~10Khz의 스위칭을 하는데 범용 EMI 필터를 이용할 경우 Mhz 대역에서는 규정 레벨 이내로 충분히 낮지만, 150Khz에서 1Mhz에서 주로 문제시 된다…” (대한전기학회/LS 산전, 엘리베이터용 컨버터의 EMI 대책에 관한 연구, 1997년)

…This paper has focused on the novel SVPWM(Space vector pulse-width modulation)strategy for the two-level three-phase inverter, which could eliminate the harmonics nearby PWM frequency. Ear-piercing high frequency electromagnetic noise from motor is common due to PWM technique. The proposed SVPWM is able to remove the high frequency harmonics located nearby the PWM frequency and other odd multiples by changing the original switching states. The unpleasant acoustic noise could be removed with the novel strategy whose PWM frequency is selected near 10 kHz. By comparison, it is near 20 kHz for conventional SVPWM to achieve the similar performance. Therefore, the switching losses are significantly reduced using the novel method. Furthermore, the proposed technique neither changes the characteristics of the fundamental wave nor employs the additional circuits in the drive. At last, the effectiveness of proposed strategy is verified by simulation and experiment… (IEEE, PWM Frequency Voltage Noise Cancellation in Three-Phase VSI Using the Novel SVPWM Strategy, 2017년)

○ (내용 추가) 참조용으로 기록해두는… 가장 쉽게 접근할 수 있는 LC 밴드스톱필터의 예.