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지멘스 옥타브

철도차량에 쓰이는 지멘스GTO 인버터에서 나는 구동음이 음악소리 같다고 해서 붙여진 별명. 3단 부스터와는 관계없다 외국에서도 지멘스의 노래하는 인버터가 유명한지 유튜브에 잔뜩 올라와 있다(...)

이것으로 유명한 곳은 일본의 케이큐#, 우리나라의 한국철도공사#, 대구도시철도 1호선#[1]가 있다. 물론 본고장인 유럽에서도 왕왕 들을 수 있다.

동영상 속 기관차는 ÖBB 1116 (ES 64 U2)


여기서, 저런 옥타브가 나는 것은, 반송자 주파수(케리어 프리퀸시)를 고정하지 않고 가변적으로 운용하는 철도전기기관차의 특성에 의해 나타나는 것이다. 저속주행시 낮은 반송자 주파수를 사용하면 출력 주파수 파형도 그럭저럭 쓸만하고 GTO 스위칭에서도 큰 이득을 볼 수 있다.[2] 한국의 8시리즈 전기기관차는 3단계의 주파수 변경을 가지는데, 어차피 바꾼다고 해봐야 깨알같은 차이로 바뀔 뿐, 위의 영상과 같이 단수가 많지는 않다.

IGBT 를 사용하는 인버터도 마찬가지로 반송자 주파수를 변조할 수 있다. 역시 같은 이유[3]에서 그런 과정을 거치는데 IGBT를 사용한 철도인버터는 20KHz 이상의 반송자 주파수를 내보내기에 들을 일은 없다.

그런데 왜 단수가 나뉘느냐. 우리가 정현파 스위칭을 할 때, 델타-시그마 변환을 응용한 PWM 제어를 하게되는데, 이 때 SAW OSC 의 주파수가 반송자 주파수가 된다. 이 osc 의 주파수는 PLL-Loopback 에 의해 Lock 되어 있으며, 이 주파수를 무단 변경[4]하려면 비싸다. 그래서 저런 톤이 나가는것이다.

IGBT 계열 인버터의 연속적인 캐리어 주파수 변경음을 들어보자. 모터 구동에 필요한 IF 주파수 (실제 전동기 제어 주파수) 외에 훨씬 높은 음역대에서 지나가는 소리가 있는데 그게 캐리어 주파수이다. 데모 영상에서는 다소 낮은 주파수를 사용하지만 대부분의 상용 IGBT 인버터는 국내와 같이 기술력이 떨어지지 않는 이상 높게는 20khz 까지 올라간다. 또한 일정 출력 주파수 이상 부터는 출력 파형의 품질을 유지하기 위해 캐리어 주파수가 같이 따라서 상승하게 된다.


이 때 중간중간에 캐리어 주파수가 떨어지는 경우가 있는데 이는 중대형 인버터의 단수제어에 의해 발생하는 것으로, 인버터 모듈 2기가 합산동작으로 전압을 그려내므로 높은 주파수가 필요없어져 다시 캐리어 주파수가 낮아지는 현상이다. 모듈 단위로 분리되지 않고 하나의 제어계통만을 가진 인버터의 경우 한번에 쭈우우우욱 올라간다.

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  • [1] 지멘스 GTO인버터를 써서 비슷한 소리가 나지만 옥타브는 아니다.
  • [2] 참고로, 이 주파수 변경에는 제조사마다의 기술력이 담겨있고, 모터와의 매칭에 따라서도 달라진다. 그래서 철도동호인들은 인버터 및 주 전동기에서 발생하는 반송자 주파수 소리만으로도 어떤 회사 인버터가 달린건지, 어떤 차량인지 구분할 수 있는 것이다. 소리 자체는 버전이나 제조사마다 엄청나게 다르다. 단 외우기가 빡셀 뿐.
  • [3] 스위칭 효율 증가
  • [4] 여기서의 무단은 단수가 없다, 즉 연속적으로 가감할 수 있다의 의미
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last modified 2014-10-28 23:55:20
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