에어컨 실외기 시스템에서 압축기 특성이 공통 모드 전도 방출 노이즈에 미치는 영향

그림 1은 에어컨 실외기의 구성을 나타낸 것이다. 단상 3선의 전원선을 통해 전원을 공급한다. 3선을 각각 L (live), N(neutral), 접지라고 할 때, L상과 N상은 실외기 측면에 있는 터미널 블록을 거쳐서 PCB로 연결되고, 접지선은 샤시에 직접 나사를 통해 연결되고, 샤시에서 다시 분기되어 PCB와 접속된다.

그림 1. | Fig. 1. 에어컨 실외기의 구성 | Configuration of the air conditioner outdoor unit.

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PCB에 입력된 전원은 전원단 EMI 필터를 거치게 되고브릿지 다이오드와 DC Link 커패시터 구조와 같은 평활 과정을 거친다. 이후, 인버터(DC-AC 3Φ)를 통해 압축기 및 실외기 팬 모터를 동작시킨다.

압축기 및 팬 모터는 모두 3상 인버터 구동 방식을 통해 동작하고, 선행 연구를 통해 이 중 압축기 구동부가 에어컨 실외기 시스템의 주요한 노이즈원이라는 것이 확인되었다. 이는 에어컨 실외기 시스템의 공통 모드 전도 방출 노이즈를 이해하기 위해 에어컨 실외기 시스템을 간단하게 인버터 구동 모터 시스템으로 해석할 수 있음을 의미한다.

그림 2는 LISN와 EUT 간에 공통 모드 전도 방출 노이즈의 경로를 나타낸다. 공통 모드 전도 방출 노이즈는 L상과 N상에 동일하게 흐르며 접지를 통해 흐르는 경로를 형성한다. 이처럼 공통 모드 전도 방출 노이즈는 EUT 내에서 접지로 빠져나오는 전류에 의해 크게 영향을 받음을 알 수 있다.

그림 2. | Fig. 2. 공통 모드 전도 방출 노이즈의 경로 | The path of common-mode conducted emission noise.

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그림 3은 LISN으로부터 전원을 입력 받아 EMI 핕터를 거쳐 인버터에 의해 구동되는 압축기 시스템을 회로도로 나타낸 것이고, 그림 우측의 모터는 압축기 내부의 모터를 나타낸다. L상과 N상으로 입력된 단상 전원은 첫 번째 Y 커패시터인 C_Y1과 첫 번째 X 커패시터인 C_X1을 지나 CM 초크를 지난다. 그리고 두 번째 X 커패시터인 C_X2와 두 번째 Y 커패시터인 C_Y2를 지나가고, 그 후 브릿지 다이오드와 큰 용량의 DC Link 커패시터를 거쳐 인버터 제어를 통해 3상 압축기로 전달된다.

그림 3. | Fig. 3. LISN에 연결된 에어컨 실외기 시스템의 단순화된 회로 | Simplified circuit of air conditioner outdoor unit system connected to LISN.

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인버터에서 발생하는 노이즈 성분들이 모터와 접지 간의 기생 커패시턴스를 통해 누설 전류를 일으키고, 이러한 누설전류는 모터의 내구성 및 성능에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 공통 모드 노이즈에도 영향을 줄 수 있다고 알려져 있다^[6]~[8]. 이와 비슷한 양상으로 인버터에서 발생하는 공통 모드 전도 방출 노이즈도 압축기 케이스와 접지를 통해 흐르게 되고, 이는 공통 모드 전도 방출 노이즈에 많은 영향을 줄 것으로 예상된다. 따라서 압축기의 임피던스 특성이 이러한 공통 모드 노이즈와 어떠한 관계가 있는지에 대해 서로 다른 임피던스를 갖고 있는 두 압축기를 비교하는 시뮬레이션을 통해 알아보고자 한다.

그림 4는 압축기 임피던스 특성이 공통 모드 노이즈에 어떤 영향을 주는지를 확인하기 위한 등가 회로이다. EMI 필터 중 공통 모드와 관련 있는 성분들만 고려하기 위해 X 커패시터는 생략을 하였다. 보다 정확한 시뮬레이션을 위해 Y 커패시터와 접지 간의 기생 인덕턴스(L_P1, L_P2)와 CM 초크를 등가회로로 나타내었다. V_n,CM과 Z_Comp,CM은 각각 인버터 공통 모드 노이즈와 압축기 공통 모드 임피던스를 나타낸다. 이 등가 회로 모델에서 LISN에서 측정되는 V_CM과 인버터 공통 모드 노이즈 V_n,CM의 전압비를 통해 Z_Comp,CM이 공통 모드 노이즈에 어떻게 영향을 주는지를 확인할 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. 인버터 구동 압축기 시스템의 공통 모드 등가 회로 | Common-mode equivalent circuit for inverter driven compressor system.

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그림 4의 등가 모델을 통해 압축기 임피던스가 공통 모드 노이즈에 어떻게 영향을 주는지를 확인해보는 시뮬레이션 수행을 위해 몇 가지 측정이 선행되었다.

모터의 공통 모드 임피던스를 추출하는 방법은 많은 문헌에서 논의되어 왔다. 참고문헌 [9]~참고문헌 [11]에서, 유한 요소 해석(FEA)은 모터의 HF 모델을 얻기 위해 사용되어졌다. 하지만, FEA 기반 방법을 사용하면 해당 모터의 상세한 수치와 재료 특성이 필요하다. 이러한 복잡성 때문에 본 논문에서는 참고문헌 [12]~참고문헌 [14]에서 수행된 것과 같이 직접 측정을 통해 등가 회로 모델을 구성하였다. 회전자의 위치가 변경되어도 공통 모드 임피던스에는 영향이 없기 때문에 임의의 회전자 위치에서 모터의 공통 모드 임피던스 측정을 하여도 아무 문제가 없다. 즉, 시간에 따른 공통 모드 임피던스의 변화가 없다는 것을 의미한다^[15],[16].

그림 5는 압축기 공통 모드 임피던스 측정을 위한 모습을 나타내고 있다. 공통 모드 임피던스 측정을 위해서는 3상 단자를 하나로 묶고, 이와 압축기의 외관 접지 간의 임피던스를 측정한다.

그림 5. | Fig. 5. 압축기 공통 모드 임피던스의 측정 설정 | Measurement setup of the compressor CM impedance.

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그림 6은 본 논문에서 측정에 사용된 서로 다른 제조업체 A와 제조업체 B의 7 kW급 압축기의 사진이다. 압축기 내부는 영구 자석 동기 모터(PMSM) 방식을 적용하고 있다. 두 가지의 압축기의 공통 모드 임피던스를 동일한 방법으로 측정하였고, 측정 장비는 Agilent Technologies사의 E5061B ENA Series Network Analyzer를 이용하였다.

그림 6. | Fig. 6. 측정에 사용된 두 압축기의 사진 | Photographs of the two compressors used in the measurement.

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VNA에서 측정되는 S₁₁은 식 (1)과 같고, 이를 Z_L에 대해 정리해서 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다. 이를 통해 압축기의 공통 모드 임피던스를 구할 수 있다.

그림 7은 A와 B 두 제조업체의 압축기 공통 모드 임피던스를 나타낸다. B 제조업체의 압축기 공통 모드 임피던스가 1.5 MHz 주파수 이하의 대역에서 A 제조업체의 압축기 공통 모드 임피던스보다 약 2~3 dB 정도 더 높고, 그 이후 주파수 대역에서는 전반적으로 비슷한 양상을 보였다. 이러한 압축기 임피던스 특성으로 인해 일정 대역에서는 임피던스 차이로 인한 영향이 나타나고, 나머지 대역에서는 큰 차이가 없을 것으로 예상해 볼 수 있다.

그림 7. | Fig. 7. 측정된 두 압축기의 공통 모드 임피던스 | CM impedance measurements of two compressors.

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그림 4의 등가회로에 표현된 압축기 구동 시스템의 필터부 파라미터를 추출하기 위해서 Ansys 사에서 제공하는 Ansys Q3D Extractor를 사용할 수 있다. 측정에 사용된 두 압축기를 실제로 구동하는 제어기 PCB를 기준으로 Ansys Q3D Extractor를 통해 추출된 각 파라미터를 표 1에 정리하였다.

그림 8은 압축기 구동 제어기 PCB에 적용된 CM 초크의 임피던스 특성을 나타낸다. 이로부터 추출한 등가회로 파라미터 R_{CM_Choke}, L_{CM_Choke}, C_{CM_Choke}의 값은 표 2에 정리하였다.

그림 8. | Fig. 8. 압축기 구동 제어기 PCB에 적용된 CM 초크의 임피던스 특성 | Impedance characteristics of CM choke applied to compressor drive controller PCB.

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그림 9는 앞서 Ⅲ장에서 진행한 일련의 과정들을 통해 압축기 구동 시스템을 완성하고, 제조업체 A와 B 압축기를 비교하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 결과 또한 그림 7과 유사하게 1.5 MHz 주파수 이하 대역에서 2~3 dB의 차이를 갖는 것을 확인할 수 있다. 인버터에서 발생한 공통 모드 전압 노이즈(V_n,CM)는 압축기의 공통 모드 임피던스(Z_Comp,CM)를 거쳐 접지를 통해 LISN으로 흘러 들어가 공통 모드 노이즈(V_CM)로 측정되게 되는데, 이 때 더 높은 Z_Comp,CM이 공통 모드 전압으로 인해 발생하는 전류를 제한하기 때문에 LISN에서 측정되는 노이즈도 줄어들게 된다. 따라서 상대적으로 높은 Z_Comp,CM을 갖고 있는 B 제조업체의 압축기가 더 낮은 전압비, 즉 더 큰 노이즈 감쇄를 나타내고 있다는 것을 그림 9로 확인할 수 있다.

그림 9. | Fig. 9. 제조업체 A와 B의 압축기 특성을 반영한 그림 4의 등가회로에서의 V_LISN/V_n,CM 그래프 | V_LISN/V_n,CM graph in Fig. 4. equivalent circuit with compressor characteristics of manufacturers A and B.

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앞서 4-1절에서 진행한 시뮬레이션 결과가 실제 공통 모드 전도 방출 노이즈 측정 결과에서는 어떻게 나타나는지에 대해 실험을 통해 확인해 보았다.

그림 10은 에어컨 실외기의 공통 모드 전도 방출 노이즈를 측정하기 위한 실험 설정을 보여준다. 에어컨 실내기와 실외기가 배관 및 통신선으로 연결되어 있고, 실외기 전원은 LISN에 연결되고, 실내기 전원은 일반 단상 220 V/60 Hz 전원에 연결이 된다. 전도 방출 노이즈의 공통 모드 성분 분리 측정을 위해 EMI ANALYZER가 추가로 세팅되었고, 이를 TEST RECEIVER에 연결하여 공통 모드 전도 방출 노이즈를 측정하게 된다. 본 논문에서 진행한 실험에서 에어컨 실외기에는 앞서 언급된 제조업체 A와 B의 압축기가 사용되었으며, LISN과 EMI ANALYZER는 각각 EMCIS사의 LN4-50과 EA-300을 사용하였으며, TEST RECEIVER는 ROHDE&SCHWARZ사의 ESPI-3을 사용하였다.

그림 10. | Fig. 10. 에어컨 실외기의 공통 모드 전도 방출 노이즈 측정을 위한 설정 사진 | The photograph of measurement setup for common mode conduction emission noise of air conditioner outdoor unit.

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그림 11은 에어컨 실외기의 공통 모드 전도 방출 노이즈 측정 결과를 보여준다. 범례에 표기된 제조업체 A와 B는 해당하는 색상이 각 제조업체의 압축기가 적용된 에어컨 실외기의 측정 결과라는 것을 의미한다. 위쪽 그래프는 Quasi Peak 값을, 아래쪽 그래프는 Average 값을 나타낸다. 측정 결과는 앞서 4-1절에서 수행한 시뮬레이션의 결과와 유사하다. 1.5 MHz 주파수 대역 이하에서 약 2~3 dB의 차이를 보이며, 그림 7의 압축기 공통 모드 임피던스의 차이만큼 측정된 공통 모드 전도 방출 노이즈의 차이가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 수행한 시뮬레이션의 신뢰도가 상당히 높음을 의미하며, 상대적으로 압축기의 공통 모드 임피던스가 높으면, 공통 모드 전도 방출 노이즈 저감 측면에서 유리하다는 것을 알 수 있다.

그림 11. | Fig. 11. 에어컨 실외기의 공통 모드 전도 방출 노이즈 측정 결과 | The result of measurement of common mode conduction emission noise of air conditioner outdoor unit.

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이러한 상관관계를 통해 압축기의 임피던스에 대해 분석해보는 것은 의미가 있다. 압축기 내부에 적용되는 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 등가회로 분석을 통해 이를 알아보도록 한다.

그림 12는 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 등가 회로를 나타낸다. 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스와 같은 여러 집중 매개 변수로 구성된 이 회로는 고주파 작동에서 발생하는 다양한 물리적 현상을 고려하고 있다. R_g1, C_g1은 각 상의 입력단과 접지 간의 등가 저항 및 기생 커패시턴스이고, 반면에 R_g2, C_g2는 중성점과 접지 간의 등가 저항 및 기생 커패시턴스를 나타낸다. R_e는 고주파 자기 손실을 의미하고, R_cu, L_d는 권선 저항 및 인덕턴스를 나타내며, R_t, L_t, C_t는 고정자 내 권선 간의 상호 작용을 내포하고 있다^[17]. 그리고 L_c는 영구 자석 동기 모터 입력부 기생 인덕턴스를 의미한다^[18]. 이러한 파라미터들은 참고문헌 [18]에서 제안한 방법에 따라 계산이 가능하다.

그림 12. | Fig. 12. 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 등가 회로 | The equivalent circuit of permanent magnet synchronous motor (PMSM).

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그림 13은 두 압축기의 공통 모드 및 차동 모드 임피던스 측정값을 나타낸다. 참고문헌 [18]에서 제안한 방법과 동일한 방식으로 파라미터 추출을 위한 특징점 7개를 표시하고 계산하였고, 표 3과 같이 계산된 두 압축기 등가회로의 파라미터를 나타내었다. 각 파라미터를 비교해 보면 C_g2가 가장 큰 차이를 보였고, 나머지 차이가 큰 파라미터들은 공통 모드 임피던스와 관련이 없거나, C_g2에 의해 계산되는 파라미터이므로 두 압축기 공통 모드 임피던스의 차이는 결국 C_g2에 지배적이라는 것을 알 수 있다.

그림 13. | Fig. 13. 제조업체 A와 B 압축기의 공통 모드(CM) 및 차동 모드(DM) 임피던스 특성 곡선 | Common mode (CM) and differential mode (DM) impedance characteristic curves for compressors of manufacturer A and B.

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그림 14는 C_g2가 20 %씩 감소함에 따라 증가하는 공통 모드 임피던스 특성을 나타낸다. 이를 통해 저주파수 대역, 특히 공통 모드 임피던스의 첫 번째 공진 주파수 이하 대역에서 낮은 C_g2는 더 큰 공통 모드 임피던스를 만든다는 것을 알 수 있고, 최종적으로는 공통 모드 노이즈를 더 많이 감쇄할 것으로 예상해볼 수 있다.

그림 14. | Fig. 14. C_g2가 20 %씩 감소함에 따라 변하는 공통 모드 임피던스 특성 곡선 | Common mode impedance characteristic curve that changes as C_g2 decreases by 20 %.

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