철도의 기초 지식 - 제어 방법 2편

(3) 직류 전동기 제어

앞서 언급한 바와 같이, 견인 전동기는 크게 직류 전동기와 교류 전동기로 분류된다. 직류 전동기는 전기 차용 주전 동기로 교 류 전동기가 사용되기 전까지 거의 대부분의 전기 차에 적용되어 왔다. 직류 전동기는 고정자가 계자 역할을 수행하며, 회전자의 권신이 정류자와 브러시를 통하여 전원에 연결되고, 축을 통하여 바퀴를 회전시킨다. 직류전동기의 제어방법은 전압 제어, 계자제어 및 저항제어가 있다. 저항제어(Rheostatic control)는 전기자의 저항을 가변 시켜 속도를 제어한다. 저항은 낮은 에너지 효율, 저항기 과열 등과 같은 여러 문제점을 가지고 있으나, 제어가 간단하므로 서울메트로 1호선과 한국철도공사 1호선에 사용됐다.

이후, 저항제어의 문제점들을 극복하기 위하여 초퍼 제어(Chopper control)가 개발되었다. 저항기 대신 스위치가 삽입되어서 전동기에 인가되는 평균 전압이 스위치의 On 시간에 따라 바뀌게 되고, 인가전압의 조정을 통해 속도제어를 수행할 수 있다. 일반적으로 스위치는 사이리스터가 사용되며, 초퍼 제어의 상용화는 대용량 사이리스터의 개발에 의해 가능하였다.

 

(4) 교류 전동기 제어

견인용 교류 전동기는 크게 유도전동기와 동기전동기로 분류되는데, 현재 대부분의 지하철 및 KTX - 산천에는 유도 전동기가 사용되고 KTX에는 권선형 동기 전동기가 사용된다. 교류 전동기에 대한 교류 전원은 주로 직류를 임의의 가변 전압/주파수(VVVF)의 교류로 변환하는 장치인 인버터에 의해 공급된다. 교류 전동기는 고정자에 3 상전류를 공급하기 위한 권선을 사용하고, 유도전동기의 경우 회전자에 도체 바를, 동기전동기의 경우 회전자에 계자용 전자석을 사용한다. 유도 전동기는 3상 고정자 권선에 3 상전류를 인가하여 회전 자제를 형성하면, 회전자의 도 제바 또는 단락 권신이 자속을 끊으면서 기전력이 발생하고 이때 흐르는 단락 전류와 회전자계 사이에 플레밍의 법칙이 적용되어 토크가 발생한다. 최근에는 전력전자의 발달로 대부분의 교류전동기 제어는 인버터를 사용하며, 크게 세 가지 방법이 있다.

 

1. WVP 제어 : 인버터를 이용하여 주파수와 전압을 제어 (자속 일정 제어, V/F 제어)
2. 슬립주파수 제어 : 슬립주파수를 일정하게 제어 (슬립주파수 일정 제어)
3. 벡터 제어 : 토크 전류와 계자 전류를 분리하여 제어 (순시 토크 제어)

이 중 벡터 제어는 전류와 자속의 크기 및 방향을 동시에 제어하는 방법으로, 가장 복잡하나 교류 전동기를 직류전동기처럼 모사하여 순시 토크를 제어할 수 있으므로 현재 가장 널리 사용되고 있다. 유도전동기와 동일한 고정자를 가지는 동기 전동기는 회전자가 전원 주파수에 동기 되어 회전하므로, 다음 식과 같이 전원 주파수의 가변으로 속도를 제어할 수 있으며, 유도전동기와 마찬가지로 벡터 제어가 널리 사용되고 있다.

 

2. 궤도의 폭이 다른 선로를 하나의 열차로 운행할 수 있을까?

철도 차량의 양측 차륜 사이의 간격 또는 철도 궤도의 양측 레일 사이의 간격을 궤간 (gauge)이라고 하며, 일반적인 철도 차량은 차륜 궤간에 맞는 한 개 레일 궤간의 선로를 운행할 수 있다. 따라서 과거에는 궤간 차이가 발생하는 국경역에서 화물을 옮겨 실거나(환적) 승객이 옮겨 타는(환승) 방법이 이용되었다. 그러나 국가 간 철도 네트워크 연계의 활성화로 인하여 궤간 차이를 빠르고 효율적으로 극복할 수 있는 방안이 필요하게 되었으며 대차 교환 방법(bogie change) 또는 궤간 가변 열차(gauge-changeable train)가 개발되어 활용되고 있다. 우리나라 (궤간: 1,435mm)도 러시아 철도 (궤간: 1,520mm)와 연계하기 위해서는 궤간 차이를 극복하기 위한 방법이 필요하다.

 

(1) 환적에 의한 방법
한 궤간의 화차에서 다른 궤간용 화차로 화물을 옮겨 싣는 것이다. 기술적 관점에서 궤간 변경의 가장 간단한 형태 중 하나이지만 많은 시간이 걸리고 매우 노동 집약적이며 비용 또한 높은 방법이다. 국경에서의 환적으로 전체 수송 기간에 평균 2일 반의 시간이 늘어나게 된다.

특히 컨테이너 화물인 경우보다 그 외 형태의 화물에서 환적 비용이 높고, 물리적으로 화물을 취급하는 데 있어서 파손이나 유실의 위험이 있다. 또한 위험물로 이루어진 화물인 경우에 환적이 불가능하거나 매우 위험한 상황을 만들 수 있는 문제점이 있다. 종종 철도 화물 수송에서 환적으로 인하여 그 수송량이 증대되지 못하고 있으며, 간단하지만 완전하지 않은 해결 방안이라고 할 수 있다.

 

(2) 대차 교환에 의한 방법

대차 교환은 대차(ogie)를 분리하여 다른 궤간용 대차로 교환하는 것을 말한다. 대차 교환을 위해서는 철도 차량 간 연결과 차체-대차 연결부를 분리한 후 리프팅 잭으로 차체를 들어 올려 다른 궤 관용 대차로 교환 장착한다. 따라서 리프팅 잭 등의 대차를 교환할 대규모 시설을 요구할 뿐만 아니라 서로 다른 궤간의 대차를 추가 적으로 필요로 한다. 또한 대차 교환으로 인한 시간 지연이 심한 편으로 일반적으로 약 25대 화물열차의 경우 4~6시간이 걸린다. 여객열차에서 심야에 윤 측 또는 대차 교환을 하게 될 경우에 승객들에게 많은 불편을 초래한다. 결국, 운영의 비용, 다룰 수 있는 용량의 제한, 대차를 보관할 큰 공간, 이러한 요소들을 다루어야 하는 어려움 등으로 인하여 최선의 방법이라고 할 수 없다.

 

(3) 궤간 가변 열차 방법
궤간 가변 열차는 일반 주행 시에는 차륜이 윤축 상의 한 궤간에 고정되어 운행되다가 다른 궤간의 선로를 주행할 때는 차륜 궤간이 변경되어 운행할 수 있는 철도 차량이다. 따라서 서로 다른 궤간을 달리면서도 안전에 영향을 주지 않고 국경에서 특정 부품을 장착하거나 제거하기 위하여 멈출 필요가 없는 차량 시스템이라고 할 수 있다. 궤간 변경은 열차 한 편성 전체에 대하여 수분 정도 소요되어 매우 빠르며, 궤간 변경 지점에서도 정숙한 운행이 가능하고 위험물 수송에도 적합하다. 또한 환적과 윤축, 대차 교환 시에 필요로 하는 인프라 투자비용이 절감되는 장점이 있다. 반면에 초기 개발 비용 및 대차 개조 비용이 소요된다. 현재 궤간 가변 열차는 1969년 이후 스페인-프랑스 간과 2000년 이후 폴란드-리투아니아의 운행에서 상용화되어 검증됐으며, 국내에서는 철도연에서 2008 년에 화차용 궤간 가변 열차를 개발하였다.