지멘스 옥타브

1. 개요2. 원리3. 예시4. 지멘스제임에도 옥타브가 제거된 사례5. 지멘스 이외의 옥타브6. 관련 문서

1. 개요

철도차량에 쓰이는 지멘스제 SIBAS32 계열 VVVF- GTO 인버터에서 나는 구동음이 음악소리 같다고 해서 붙여진 별명. 외국에서도 지멘스의 노래하는 인버터가 유명한지 유튜브에 잔뜩 올라와 있다.

지멘스 옥타브라고 하지만 지멘스제 외에도 이러한 소리가 발생하는 인버터는 꽤 많고 철도 외에도 산업용 팬 같이 비교적 작은 규모의 시스템에서 들을 수도 있다. 왜냐하면 지멘스 옥타브는 단순히 재미로 음악을 들려주려고 내는게 아니라 인버터의 효율성과 전압 이용률을 최대화 하려는 과정에서 발생하는 것이기 때문이다.

현 시점에는 전력소자들의 성능이 어마어마하게 좋아지면서 보통은 이정도로 인버터를 최적화 하지 않으며, 하더라도 이런저런 소음 억제 대책을 적용한다. 그래서 현대의 전기자동차나 최신 전철에서는 이정도로 요란한 옥타브 음은 잘 들리지 않게 되었다. 다만 그렇다 해도 여전히 메가와트 급의 대형 시스템은 스위칭 속도가 충분히 빠르지 못하고 규모가 워낙 크기 때문에 지금도 이를 극복하는 과정에서 특유의 구동음이 발생하는 경향이 크다.

2. 원리

대부분의 현대 전기기관차 및 전기동차는 효율적인 견인전동기 제어를 위해 직류전동기의 경우 초퍼제어, 교류전동기는 VVVF라는 가변적으로 전압 및 주파수 출력을 제어하는 방법을 사용한다. 이 때 인버터에서 출력하는 교류에 의해 전동기에 기계적인 떨림이 발생하고 이것이 소리로 변환되면서 위 영상처럼 들리게 된다. 요약하면 소리는 전동기에서 나는게 맞으나 전동기에서 발생하는 소리의 특성은 인버터에 의해 결정된다고 이해하면 된다. 특히 기관차의 경우에는 워낙에 큰 전력을 다루고 전동기도 매우 크다보니 이에 비례해서 소음도 크다. 이런 특성을 이용해서 아예 전동기의 상태를 무시하고 특정 음을 내는 주파수의 교류를 출력할 수도 있으며 실제로도 전동기를 돌리면서 악기마냥 음악을 연주하는 영상을 많이 찾아볼 수 있다. 이것이 가능한 이유는 전동기 구동 전류의 주파수에 비해 가청주파수 대역의 주파수가 매우 높고 이런 가청주파수 대의 고주파 전류를 섞어넣더라도 전동기의 관성이 워낙 크기 때문에 전동기 제어에는 거의 영향이 없기 때문이다.

그런데 신기하게도 전철에서는 단순히 소리가 나는 정도가 아니라 음악마냥 다채로운 옥타브 음이 들리는 경우가 꽤 많다. 이를 지멘스 옥타브라고 하는 것인데 물론 이런 동작은 기관차 전동기로 음악이나 재생하려고 내는 것은 아니고 가장 근본적인 원인은 전력소자의 성능이 넉넉하지 않기 때문이다. 현대의 전동기들은 전용 인버터의 VVVF 제어를 받으며 이를 위해 전력소자들이 PWM 동작을 하게 된다. 문제는 전력소자가 커질수록 스위칭 동작에 걸리는 시간과 전류 응답 시간이 느려진다는 점이다. 이 때문에 이런 대형 전력소자들을 무턱대고 높은 주파수로 구동하게 되면 스위칭 손실이 기하급수적으로 커지고 전류가 목표치까지 안올라간다. 그래서 철도 인버터 같은 경우에는 부하전류와 회전수 등을 고려하여 스위칭 주파수를 가변한다. 그런데 재미있게도 전력소자들의 작동 주파수가 우연히 딱 가청주파수 대역에 걸려 있다보니 우리가 들을 수 있는 음으로 들리게 된다.

[상세설명]

또한 이후에 나온 IGBT도 GTO에 비해서 빠르다 정도지 철도차량에 쓰이는 제품들은 체급이 워낙 크기 때문에 마찬가지로 가청주파수 밖으로 나갈 정도의 높은 주파수로 구동하는 것은 불가능하며, 그래서 IGBT 인버터도 좀 덜할지언정 어쩔 수 없이 특유의 소음이 발생한다. 보통 철도차량에 사용할 수 있을만큼 큰 IGBT 소자들이 Turn ON, OFF하는데는 수십 마이크로초가 걸린다. 10kHz의 스위칭 주파수를 달성하는데만도 모든 전력소자들이 50마이크로초 이내로 동작을 마칠 수 있어야 하므로 가청 주파수 밖으로 주파수를 올린다는 것은 물리적으로 거의 불가능에 가깝다. SiC MOSFET을 사용하더라도 여러가지 이유로 구현이 쉽지 않으며, 그나마도 전동기 구동전류에 의한 소음은 해결할 수 없다.

IGBT 인버터들이 비교적 소음이 적은 이유는 GTO보다는 스위칭 속도가 빠르기 때문에 PWM에 의한 전동기 구동전류의 진폭이 상대적으로 작고 GTO보다 IGBT가 전자제어를 하기가 훨씬 수월하기 때문에 이를 이용해 임의로 스위칭 타이밍을 랜덤하게 조정해서 여러 주파수 대역으로 분산하기 때문이다. 그 외에는 GTO처럼 대형 전력소자 특유의 단점을 IGBT도 갖고 있으므로 마찬가지로 속도가 좀 붙으면 동기 PWM을 사용하며 스위칭 횟수를 최소화한다. 그 외에는 전동기의 유형과 설계, 사용된 감속기, 전류형 인버터냐 전압형 인버터냐에 따라서도 다르고 2Level이냐 3Level이냐에 따라서도 소음에 차이가 있다.

3. 예시

특유의 옥타브음을 가장 자주 들을 수 있는 곳은 독일의 도이치반, 네덜란드의 NS, 오스트리아의 오스트리아 연방 철도이다. 그 외에도 북유럽 지역의 여러 철도회사, 대한민국의 한국철도공사에서도 들을 수 있다. [2]

동영상 속 기관차는 ÖBB 1116( ES 64 U2)[3]. 옥타브음 탓에 유럽권 철덕들 사이에서도 철도 관악기라는 별명이 많이 통한다.[4]

이쪽은 관악기를 넘어 철도 아코디언이 탄생했다. 공전현상 때문에 인버터가 모터의 힘을 조절하려다보니 이런 소리가 나온 것.[5]

케이큐 1000형 전동차 (추진제어장치 교체 전)[6]
1033F[7]이 마지막으로 남아있었으나, 2021년 07월 20일 라스트런을 마지막으로 그 유명한 "케이큐 도레미"는 영영 들을 수 없게 됐다.

케이큐 2100형 전동차 (1분 50초 부터) (추진제어장치 교체 전)[8]
옥타브음을 제외하면 후술할 대구 1호선 전동차와 가장 유사한 구동음을 낸다. 현재는 전 차량이 소자 교체로 옥타브가 나오지 않는다.

JR 동일본 E501계 전동차 (개조 이전)[9][10]
발차시 뿐만 아니라 제동시(위 영상 0:58~)에도 옥타브음을 내는 것이 특징이며, 또한 저속부분을 제외하면 IGBT 느낌이 난다는 것도 특징.

한국철도공사 8200호대 전기기관차

그 밖에 도이치반의 고속열차 인터시티익스프레스의 ICE 1, ICE 2 차량의 기관차에도 지멘스제 GTO 인버터가 들어가있어서 오이로슈프린터만큼 소리가 크지는 않지만 옥타브음이 나온다.

4. 지멘스제임에도 옥타브가 제거된 사례

대구 도시철도 1호선의 전동차에서도 지멘스 GTO 인버터를 사용하고 있다. 단 지멘스 옥타브가 아니긴 하지만[11], 도레미 음이 없는 것을 제외하면 JR동일본 E501계와 가장 가까운 소리가 난다. [12]

싱가포르 MRT C651형 전동차 지멘스 GTO 인버터를 가지고 있지만 옥타브는 아니다. 다만 대구 쪽하고 조금 유사하다.

5. 지멘스 이외의 옥타브

네덜란드 철도 186형 전기기관차[13]

KTX-1의 인버터 구동음.
지멘스 옥타브와 비슷한 음을 내지만 알스톰의 기술로 만든 물건이기에 인버터도 지멘스제가 아닌 알스톰제를 쓴다.[14]

음악관 트레인 시뮬레이터 시리즈 중 하나인 트레인 시뮬레이터 리얼 케이큐편에서는 신호보고, 차량 내 기타 잡소리, 사내 안내방송까지 도입해 리믹스해서 인트로도 만들었다.(...)

캐나다 몬트리올 지하철의 MR-63 열차(위)와 MR-73 열차(아래)의 구동음. 지멘스제도 아니고 VVVF도 아니지만[15][16] 옥타브음이 난다! 여담으로 몬트리올 지하철의 출입문 경고음은 MR-73 열차의 이 소리를 모티브로 하였다고 한다. MR-63 열차는 모두 퇴역했다.

이외에 REGIOJET의 예가 있고 러시아의 유사 사례들(4:30 부터)이 일부 존재한다.

6. 관련 문서

[상세설명] 반송자 주파수를 고정하지 않고 가변적으로 사용하는 VVVF를 사용하기 때문이다. 저속 주행시 낮은 반송자 주파수를 사용하면 출력 주파수 파형을 효율적으로 만들어낼 수 있고, GTO 스위칭에서도 큰 이득을 볼 수 있다. 그런데 왜 단수가 나뉘느냐면 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(無段, 단수가 없다는 의미.)으로 하려면 비싸다. 그래서 저런 톤이 나오는 것이다. [2] 일본은 후술한 케이큐 1000형 전동차의 최후 편성 1033F가 2021년 7월 20일 최종운행(라스트 런)을 종료해 최종적으로 역사속으로 사라졌다. 자세한 내용들은 케이큐 1000형 전동차, 케이큐 2100형 전동차, E501계 전동차 항목 참조 [3] 이 기관차의 출력이 워낙에 강력하다보니 별도의 개조 없이도 고속 주행이 가능하여 Railjet이라는 기관차 견인식 고속열차도 존재한다. 위의 영상이 바로 레일젯. 유로스프린터 기관차를 사용하며 반대편에는 유로스프린터의 전두부 디자인을 이식한 운전객차가 있다. [4] Railjet 포함 지멘스 옥타브 연속장면들 [5] 후술한 E501계 전동차처럼 제동시에도 옥타브음을 낸다.(영상 0:06~) 아코디언까지 포함하면 가장 화려한 구동음이다. [6] 다른 운행모습. 1040 편성이다. [7] 운행모습 [8] 73편성 [9] 다른 운행모습 [10] 2012년 5월 [11] 1C1M 에 closed loop 컨트롤을 위해 캐리어 무단제어가 가능하다. [12] 괴성 지르는 것 처럼 들린다 [13] 외형도 그렇고 소리도 지멘스 옥타브와 비슷하지만 봄바디어(현 알스톰) TRAXX 차량이다. 해당 차량이나 그와 동종인 독일철도 146형 기관차처럼 일부 차종에 대해서는 지멘스 옥타브와 유사한 구동음이 있다. [14] 기본적으로 GTO(Gate Turn-off Thyrister)를 사용한 위상제어 전류형 인버터가 탑재되었는데, 이건 VVVF 방식과도 다르다. [15] 봄바디어제이며, 초퍼제어이다. [16] 또한 고무차륜과 제3궤조집전식을 사용한다.