고조파와 고주파의 차이점

고조파와 고주파의 차이점

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

모터 샘플 제작 후 평가할 때 '삐-' 하는 귀에 거슬리는 소음이 발생하는 경우가 있습니다. 이에 대해 설명할 때, 고주파와 고조파를 혼동해서 설명하는 경우를 더러 봤습니다. 비전공자(?)에게 정확하게 의미 전달을 하고 설명해야 하는데, 막연하게 둘러대어 잘못 이해하게 하는 경우가 있어서 고조파와 고주파의 차이점에 대해서 포스팅 하고자 합니다.

 

모터 설계에서 고조파(Harmonics)와 고주파(High Frequency)는 중요한 개념입니다. 영어로 표기하면 전혀 다르지만 한글로 설명하면 비슷하게 들리기에 주의해야 합니다. 이들은 모두 전기적, 자기적 특성에 영향을 미쳐 효율과 성능을 저하시킬 수 있기 때문에, 설계 단계에서 충분한 고려가 필요합니다. 본 글에서는 고조파와 고주파의 차이를 설명하고, 이를 최소화하기 위한 설계 시 주의할 점을 알아보겠습니다.

 

 

1. 고조파(Harmonics)란?

고조파는 기본 주파수(Fundamental Frequency)의 정수배를 갖는 신호를 의미합니다. 모터에서 전압, 전류, 자속 밀도 등에 포함된 고조파는 다양한 문제를 유발할 수 있습니다.

 

1) 고조파의 발생 원인

- 전력 변환 과정 : 인버터를 사용한 구동 시, 비선형적인 스위칭 과정에서 고조파가 발생합니다.

- 모터 권선 구조 : 권선의 배치와 슬롯 조합이 적절하지 않으면 특정 고조파 성분이 강하게 나타날 수 있습니다.

- 자속 변형 : 회전자와 고정자 사이의 자기장의 비대칭성이 고조파를 증가시킬 수 있습니다.

 

2) 고조파가 모터에 미치는 영향

- 토크 리플(Torque Ripple) : 일정하지 않은 토크 변동이 발생하여 진동과 소음이 증가합니다.

- 효율 저하 : 추가적인 손실이 발생하여 모터의 전체 효율이 낮아집니다.

- 과열 문제 : 고조파로 인한 추가적인 철손과 동손이 발생하여 발열이 증가할 수 있습니다.

 

 

2. 고주파(High Frequency)란?

고주파는 특정 기준(일반적으로 수 kHz 이상)의 높은 주파수를 가진 신호를 의미합니다. 이는 반드시 기본파의 정수배일 필요는 없으며, 주로 전력 변환 및 전자기 간섭(EMI)과 관련이 있습니다.

 

1) 고주파의 발생 원인 

- PWM 인버터 스위칭 : 인버터에서 고주파 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 사용할 경우, 높은 주파수 성분이 포함됩니다.

 

2) 고주파가 모터에 미치는 영향

- 고주파 소음 : 고속 스위칭으로 인해 가청 주파수 영역에서 소음이 발생할 수 있습니다.

- EMI 문제 : 주변 전자 기기에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

- 절연 파괴 위험 : 높은 주파수 전압은 모터 절연 시스템에 추가적인 스트레스를 가해 절연 수명을 단축할 수 있습니다.

 

 

3. 고조파와 고주파의 차이점 비교

	고조파	고주파
정의	기본파의 정수배 주파수	일반적으로 높은 주파수 대역의 신호
발생 원인	비선형 부하, 전력 변환기, 권선 구조 등	PWM 인버터 스위칭, 전자기적 간섭(EMI) 등
영향	토크 리플, 손실 증가, 진동, 발열	전자기 간섭, 절연 문제, 노이즈 발생
예시	60Hz 전원에서 3차 고조파(180Hz), 5차 고조파(300Hz)	PWM 주파수 10kHz, 인버터 스위칭 노이즈

 

 

4.고조파 및 고주파 최소화를 위한 모터 설계 시 주의점

1) 권선 및 슬롯 최적화

- 적절한 슬롯-폴 조합을 선택하여 특정 고조파 성분을 줄일 수 있습니다.

- 분포권(Distributed Winding) 방식이 집중권(Concentrated Winding) 방식보다 고조파 억제에 유리할 수 있습니다.

 

2) PWM 스위칭 기법 개선

- 스위칭 주파수를 최적화하여 토크 리플과 소음을 줄일 수 있습니다.

- 다중 레벨 인버터(Multilevel Inverter) 방식을 사용하면 전압 파형의 고조파 성분을 줄일 수 있습니다.

 

3) 필터 및 실드 적용

- 고주파 노이즈를 줄이기 위해 적절한 EMI 필터를 적용할 수 있습니다.

- 전자기 간섭을 억제하기 위해 실드 처리를 고려해야 합니다.

 

4) 절연 강화

- 고주파 전압으로부터 절연 시스템을 보호하기 위해 고품질 절연 재료를 선택해야 합니다.

- 모터 권선의 절연 내압을 충분히 확보하는 것이 중요합니다.

 

5) 냉각 및 방열 대책 마련

- 고조파 및 고주파로 인한 추가 손실을 효과적으로 방출할 수 있도록 냉각 시스템을 설계해야 합니다.

- 자연 대류뿐만 아니라 강제 공랭 또는 수냉 시스템을 고려할 수도 있습니다.

 

 

5. 결론

고조파와 고주파는 모터의 성능과 수명에 큰 영향을 미치는 요소입니다. 고조파는 기본파의 정수배로 발생하는 불필요한 신호이며, 토크 리플 및 손실 증가를 유발합니다. 고주파는 높은 주파수 대역에서 발생하는 신호로, 전자기 간섭 및 절연 문제를 일으킬 수 있습니다. 이를 줄이기 위해서는 권선 구조 최적화, PWM 기법 개선, 필터 적용, 절연 강화 등의 대책이 필요합니다.

 

고조파와 고주파는 영어로 설명하면 금방 이해가 되는 단어이나, 한글로 설명하고 고조파와 고주파에 대해 오해하기 쉽습니다. 정확한 의미를 파악하여 모터 설계 단계에서 효율적이고 신뢰성 높은 모터를 개발해야 합니다.