발전 제동
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1. 개요
발전 제동은 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전동기를 발전기로 전환하여 제동력을 얻는 방식이다. 철도 차량, 특히 전동차와 전기 기관차에서 강력한 제동력 확보를 위해 사용되었지만, 에너지를 열로 소모하는 단점으로 인해 1980년대 이후 회생 제동이 널리 사용되었다. 현재는 회로 구성의 단순함, 열차 운행 빈도가 낮은 노선에서의 장점 등으로 인해 발전 제동이 여전히 사용되며, 블렌디드 제동과 같은 기술과 함께 다양한 분야에서 응용되고 있다.
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가공 전차선은 전기 철도 차량에 전력을 공급하는 상부 전선 시스템으로, 트롤리선, 조가선, 행어 등으로 구성되며 다양한 가선 방식과 장력 조절 장치가 존재하고 외부 요인에 의한 고장 위험과 시각 공해 등의 문제도 고려되어야 한다.
| 발전 제동 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 발전 제동 (發電制動) |
| 영어 명칭 | Dynamic braking |
| 설명 | '전기 동력을 사용하는 차량에서 감속 시, 구동 모터를 발전기로 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 이 에너지를 저항기에서 열로 소모시키거나, 전력 시스템으로 되돌려 보내는 제동 방식이다.' |
| 작동 원리 | |
| 모터의 역할 전환 | 구동 모터를 발전기로 전환 |
| 에너지 변환 | 운동 에너지를 전기 에너지로 변환 |
| 에너지 처리 방식 | 저항기에서 열로 소모 전력 시스템으로 회생 |
| 특징 | |
| 장점 | 마찰식 브레이크의 마모 감소 에너지 회생 가능 (회생 제동) 제동력 향상 |
| 단점 | 초기 투자 비용 증가 제어 시스템 복잡 전력 회생 시스템 필요 (회생 제동 시) |
| 종류 | |
| 저항 제동 (Rheostatic braking) | 발전된 전력을 저항기를 통해 열에너지로 소모시키는 방식 |
| 회생 제동 (Regenerative braking) | 발전된 전력을 전력 시스템으로 되돌려 보내는 방식 |
| 적용 분야 | |
| 철도 차량 | 전기 기관차 전동차 고속철도 |
| 전기 자동차 | 하이브리드 자동차 전기차 |
| 산업용 장비 | 크레인 엘리베이터 |
| 관련 용어 | |
| 회생 제동 | Regenerative braking |
| 전기 제동 | Electric braking |
| 발전기 | Generator |
| 저항기 | Resistor |
2. 작동 원리
전기 에너지를 회전축의 기계적 에너지로 바꾸는 전동기의 작동 원리는, 반대로 회전축의 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 발전기의 원리와 같다. 두 과정 모두 전기자 권선과 움직이는 외부 자기장 사이의 상호 작용을 통해 이루어진다. 전기자는 전력을 공급받거나(전동기) 내보내는(발전기) 전기 회로에 연결된다. 따라서 하나의 장치가 에너지를 어느 쪽(기계적 또는 전기적)에서 주고받느냐에 따라 전동기 또는 발전기의 역할을 모두 수행할 수 있다.
철도 차량에서 발전 제동은 연속된 경사 구간 주행이나 정차 시 강력하고 안정적인 제동력을 얻기 위해 널리 사용되는 기술이다.[2] 전동차, 전기 기관차, 전기식 디젤 기관차 등 다양한 차량에서 중요한 제동 방식으로 활용되며,[1][2] 기본 원리는 차량의 운동 에너지를 전동기를 발전기처럼 작동시켜 전기 에너지로 변환하는 것이다.
동력 제동 과정에서는 견인 전동기를 발전기로 작동하도록 전환한다. 이를 위해 전동기를 주 전원 공급 회로에서 분리하고, 대신 전력을 소비하는 회로(예: 저항기)에 연결한다. 동시에 계자 코일에 전류를 흘려 자기장을 만드는 여자 과정을 거친다.
이렇게 발전기로 작동할 때 회전축에 걸리는 저항, 즉 제동력은 생성되는 전기 에너지의 양에 에너지 변환 과정에서의 손실을 더한 값과 같다. 이 제동력의 크기는 두 가지 요소에 의해 결정된다. 첫째는 계자 코일에 흐르는 전류로 조절되는 자기장의 세기이고, 둘째는 전기자와 자기장이 서로 상대적으로 회전하는 속도이다. 이 회전 속도는 차량의 바퀴 회전 속도와 동력 전달축과 바퀴 사이의 기어비에 따라 정해진다.
제동력의 크기는 계자 코일에 흐르는 전류량을 조절하여 자기장의 세기를 변화시킴으로써 제어할 수 있다. 생성되는 전기 에너지의 양, 즉 제동력은 동력축의 회전 속도에 비례한다. 따라서 차량 속도가 줄어들면 동일한 제동력을 유지하기 위해 더 강한 자기장이 필요하다. 하지만 계자 코일에 흘릴 수 있는 전류에는 한계가 있기 때문에, 일정 속도 이하에서는 동력 제동의 효과가 떨어지는 한계점이 존재한다.
한편, 영구 자석 모터의 경우, 모터의 단자를 서로 연결하여 단락(short circuit)시키면 빠르고 강한 제동 효과를 얻을 수 있다. 이 방식은 간단하지만, 제동 과정에서 발생하는 모든 에너지가 모터 내부에서 열로 변환되어 소모된다. 따라서 냉각이 용이하지 않은 경우, 예를 들어 무선 전동 공구처럼 저출력으로 간헐적으로 사용하는 경우가 아니면 적용하기 어렵다. 특히 높은 에너지를 다루어야 하는 철도 차량과 같은 견인 용도에는 적합하지 않다.
3. 철도 차량
생성된 전기 에너지를 처리하는 방식에 따라 저항 제동과 회생 제동으로 나뉜다.[1][2] 저항 제동은 에너지를 차량 내 저항기에서 열로 소모시키는 반면, 회생 제동은 에너지를 가선이나 세 번째 레일 등으로 되돌려 보내 재활용한다.
에너지 절약 측면에서는 회생 제동이 유리하여 1980년대 이후 전동차의 주력 제동 방식으로 채택되었으나,[1][2] 저항 제동 역시 특정 상황에서는 여전히 중요한 역할을 한다. 회생 제동은 외부 전력 시스템 상태에 따라 제동력이 불안정해지는 '회생 실효' 가능성이 있어,[2] 열차 운행 빈도가 낮은 로컬선이나 안정성이 중요한 급경사 구간 등에서는 저항 제동이 선호되거나 회생 제동과 병행하여 사용되기도 한다.[1][2]
각 제동 방식의 상세한 원리, 장단점, 역사 등은 아래 하위 섹션에서 자세히 다룬다.
3. 1. 저항 제동
저항 제동은 전동기를 발전기로 작동시켜 얻은 전기 에너지를 차량에 탑재된 저항기에서 열에너지로 변환하여 소모시킴으로써 제동력을 얻는 방식이다.[1] 이 과정에서 차량의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되고, 이 에너지가 다시 열에너지로 변환되어 대기 중으로 방출된다.
작동 원리는 다음과 같다. 먼저, 차량 주행에 사용되던 견인용 전동기의 전기 회로를 전환하여 발전기 역할을 하도록 만든다. 동시에 계자 코일에 전류(여자 전류)를 흘려 자기장을 형성시킨다. 바퀴가 회전함에 따라 전동기 내부의 전기자 권선이 이 자기장 속에서 회전하면서 전기를 생산한다. 이렇게 생산된 전기는 '제동 그리드'라고 불리는 차량 탑재 저항기로 보내져 열로 변환되어 소모된다.[1]
제동력의 크기는 주로 두 가지 요소에 의해 결정된다. 하나는 계자 코일에 흐르는 전류의 양으로, 이 전류를 조절하여 자기장의 세기를 변화시킴으로써 제동력을 제어할 수 있다. 다른 하나는 바퀴의 회전 속도(즉, 발전기의 회전 속도)이다. 속도가 감소하면 발전되는 전기 에너지 양도 줄어들기 때문에, 일정한 제동력을 유지하기 위해서는 속도가 낮아질수록 계자 전류를 증가시켜 자기장을 더 강하게 만들어야 한다.[1] 하지만 계자 코일에 흘릴 수 있는 전류에는 한계가 있어, 저속에서는 저항 제동의 효과가 감소한다.
저항기는 작동 중에 상당한 열을 발생시키므로, 손상을 방지하기 위해 대형 냉각 팬을 설치하여 강제로 냉각시키는 경우가 많다. 최신 시스템에서는 저항기의 온도를 감지하는 센서를 장착하여, 온도가 지나치게 높아지면 자동으로 저항 제동을 차단하고 마찰 브레이크(예: 공기 브레이크, 디스크 브레이크)로 전환하여 저항기를 보호한다.[1]
저항 제동은 회생 제동에 비해 다음과 같은 장단점을 가진다.
장점:
단점:
기술 자체는 제2차 세계 대전 이전에 확립되었으나, 초기에는 운전사가 마스콘 핸들과 브레이크 핸들을 별도로 조작해야 하는 등 사용이 복잡하여 주로 보조 제동 장치로 취급되었다.[2] 전후 기술 개발을 통해 브레이크 핸들 조작만으로 공기 브레이크와 발전 제동을 함께 제어하는 전공 협조 제어가 가능해지면서 상용 제동으로 널리 사용되기 시작했다.[2]
21세기 현재에도 저항 제동은 여러 분야에서 활용되고 있다. 특히 열차 밀도가 낮아 회생 제동 시 발생한 전력을 소비할 다른 열차가 부족하여 회생 제동이 제대로 작동하지 않는 경우(회생 실효)를 대비하여, 회생 제동과 저항 제동 기능을 모두 탑재하는 차량도 있다. 예를 들어 JR 동일본 E127계 전동차나 긴테쓰의 VVVF 인버터 제어 차량 중 일부가 이러한 방식을 채택하고 있다.[2] 교류 전철화 구간에서도 신칸센 0계 전동차 등 일부 차량에서 저항 제동을 사용한 사례가 있다.[2]
3. 2. 회생 제동
회생 제동은 발전 제동의 한 방식으로, 전동차나 전기 기관차가 감속할 때 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 다시 사용하는 기술이다. 전동기를 발전기처럼 작동시켜 제동력을 얻는 원리는 일반적인 발전 제동과 동일하지만, 회생 제동은 변환된 전기 에너지를 단순히 열로 소비하지 않고 가선이나 세 번째 레일과 같은 전력 공급 시스템으로 되돌려 보낸다는 점에서 차이가 있다.
회생 제동의 핵심 원리는 제동 시 주 제어기가 전동기에서 가선 전압보다 높은 전압의 전기를 발생시키도록 제어하는 것이다. 이렇게 생성된 전기는 가선을 통해 다른 전력 운행 중인 차량의 주행 에너지로 사용되거나, 변전소로 보내져 전력망으로 돌아가거나 변전소 내 저항기 등을 통해 소비될 수 있다. 이는 마치 전동기가 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정의 역변환과 같다.
회생 제동은 여러 가지 장점을 가진다. 가장 큰 장점은 에너지 절약 효과이다. 버려질 수 있는 제동 에너지를 회수하여 다른 차량의 동력으로 재활용함으로써 전체적인 에너지 소비를 줄일 수 있다. 또한, 가선을 통해 전력을 되돌려 보내면서 차량 외부의 큰 부하를 이용할 수 있기 때문에, 차량 내 저항기의 용량에 제한받는 저항 제동 방식보다 더 강력하고 안정적인 제동력을 얻을 수 있다. 더불어, 제동 시 발생하는 마찰열과 브레이크 슈 분진 발생을 줄여 환경 개선 및 차량 유지보수에도 유리하다.
하지만 회생 제동은 전력 공급 시스템의 상태에 따라 제동 효과가 달라질 수 있다는 한계점을 가진다. 주변에 회생 전력을 소비할 다른 열차가 없거나, 변전소가 전력을 수용할 수 없는 상태(회생 실효)가 되면 제동력이 제대로 발휘되지 않을 수 있다. 이는 특히 열차 운행 빈도가 낮은 로컬선이나 노면 전차 노선, 또는 가선 사고나 집전 장치 이선 등 비상 상황에서 문제가 될 수 있다.
이러한 회생 실효 문제를 해결하기 위해 여러 기술적 보완책이 사용된다. 변전소에 회생 전력 흡수 장치를 설치하여 열차가 적은 노선에서도 회생된 전력을 안정적으로 처리할 수 있도록 하거나, VVVF 인버터 제어 차량 등에서는 회생 제동이 불가능할 경우 자동으로 저항 제동으로 전환되는 회생·발전 제동 병행 시스템을 탑재하기도 한다. 또한, Green Goat와 같은 일부 하이브리드 기관차는 회생 에너지를 차량 내 배터리 등에 저장하는 온보드 에너지 저장 시스템을 갖추고 있다. 현대의 AC 인버터 기반 여객 기관차는 회생 에너지를 열차의 냉난방, 조명 등 부가 서비스 전력(전방 동력, HEP)으로 활용하여 회생 실효 가능성을 낮추기도 한다.
1980년대 이후 기술 발전과 에너지 효율성에 대한 관심 증대로 회생 제동은 전동차의 표준적인 제동 방식으로 자리 잡았다. 초기에는 회로 구성이 복잡하고 비용이 높았으나, 현재는 도시 철도, 고속철도 등 다양한 전기 철도 시스템에서 핵심적인 에너지 절약 기술로 활용되고 있다.
3. 3. 발전 제동과 회생 제동의 비교
| 구분 | 발전 제동 | 회생 제동 |
|---|---|---|
| 원리 | 전동기를 발전기로 사용 → 발생 전기를 차량 내 저항기에서 열에너지로 소모 | 전동기를 발전기로 사용 → 발생 전기를 가선 등으로 보내 다른 차량 동력원 또는 변전소로 송전 (에너지 재활용) |
| 에너지 효율 | 낮음 (에너지 소모) | 높음 (에너지 재활용) |
| 제동력 | 저항기 용량에 따라 제한됨 | 이론적으로 더 강력한 제동력 확보 가능 (가선/변전소 용량 의존) |
| 제동력 안정성 | 높음 (외부 요인 영향 적음) | 상대적으로 낮음 (회생 실효 가능성) |
| 시스템 구성 | 비교적 단순 | 상대적으로 복잡 |
| 초기 비용 | 상대적으로 저렴 | 상대적으로 비쌈 |
| 주요 장점 | 안정적 제동력, 단순한 구조 | 높은 에너지 효율, 강력한 제동력 |
| 주요 단점 | 에너지 낭비, 저항기 발열 문제 | 회생 실효 가능성, 복잡한 시스템, 높은 초기 비용 |
발전 제동과 회생 제동은 열차의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 제동력을 얻는다는 점에서 공통점을 가지지만, 생성된 전기 에너지를 처리하는 방식에서 차이가 있다. 발전 제동은 이 전기를 차량 내부에 설치된 저항기를 통해 열로 바꾸어 공기 중으로 방출하는 방식이다. 반면, 회생 제동은 생성된 전기를 가선이나 세 번째 레일 같은 전력 공급선으로 되돌려 보내, 주변에서 운행 중인 다른 열차의 동력원으로 사용하거나 변전소를 통해 전력망으로 보내 재활용하는 방식이다.
에너지 효율 측면에서는 제동 시 발생하는 에너지를 회수하여 재사용하는 회생 제동이 발전 제동보다 월등히 우수하다. 이러한 에너지 절약 효과 덕분에 1980년대 이후 제작된 전동차는 대부분 회생 제동을 주력 제동 방식으로 채택하고 있다.
하지만 제동력의 안정성은 발전 제동의 장점이다. 발전 제동은 차량 단독으로 제동력을 완결할 수 있어 외부 요인(가선 상태, 주변 열차 유무 등)에 영향을 덜 받는다. 회생 제동은 전기를 받아줄 부하(다른 열차, 변전소 설비 등)가 없거나 가선 전압이 불안정하면 제동력을 상실하는 '회생 실효'가 발생할 수 있다. 따라서 열차 운행 빈도가 낮은 로컬선, 노면 전차 또는 급경사 구간처럼 안정적인 제동력이 최우선시되는 환경에서는 발전 제동이 여전히 중요한 역할을 하거나 회생 제동과 함께 사용된다. 전기식 디젤 기관차와 같이 외부 전력 공급 없이 운행하는 차량도 발전 제동을 사용한다.
시스템 구성과 비용 면에서는 발전 제동이 구조가 더 단순하고 초기 도입 비용이 저렴하다. 회생 제동은 전력을 안정적으로 전력선으로 되돌려 보내기 위한 복잡한 제어 시스템이 필요하기 때문이다.
기술 발달로 회생 제동의 단점은 점차 보완되고 있다. 변전소에 '회생 전력 흡수 장치'를 설치하면 회생 실효 문제를 줄여 열차 밀도가 낮은 노선에서도 회생 제동의 이점을 활용할 수 있다. 이는 발전 제동 시 발생하는 저항기 발열로 인한 부품 손상 및 수명 단축 문제를 피하는 부가적인 장점도 제공한다. 또한, 급경사 구간에서 발전 제동을 장시간 사용하면 저항기 과열 및 소손 위험이 있어, 오히려 회생 제동 시스템을 채택하는 경우도 있다.
최근에는 VVVF 인버터 제어 차량을 중심으로, 평상시에는 회생 제동을 사용하다가 회생 실효 조건에서는 발전 제동으로 자동 전환하여 안정성을 확보하는 방식이 적용되기도 한다. 교류 전철화 구간은 직류 구간보다 회생 제동 구현이 용이하지만, 초기 교류 전기 기관차나 신칸센 0계 전동차 등 일부는 발전 제동을 사용한 사례도 있다.
3. 4. 블렌디드 제동
- -|]]|thumb|right|175px|2006년 런던 블랙프라이어스 역에서 다이내믹 블렌디드 제동이 장착된 Connex South Eastern 466형 전기 동차
발전 제동의 일종인 다이내믹 제동만으로는 열차를 완전히 정지시키기 어렵다. 특히 속도가 시속 10~12마일(약 16~19km/h) 미만으로 떨어지면 제동 효과가 급격히 감소하기 때문이다. 이러한 이유로 다이내믹 제동은 공기 제동과 같은 다른 제동 방식과 함께 사용되는 경우가 많다. 두 가지 이상의 제동 시스템을 동시에 조합하여 사용하는 것을 블렌디드 제동(Blended Braking)이라고 부른다.[1]
블렌디드 제동 시스템은 다이내믹 제동력을 최대한 활용하고, 필요한 총 제동력에서 다이내믹 제동력만큼을 제외한 나머지를 공기 제동력이 자동으로 보충하도록 설계된다. 즉, 전체 제동력은 공기 제동만 사용했을 때와 동일한 수준을 유지하면서, 다이내믹 제동의 사용 비율을 극대화하는 것이다.
블렌디드 제동의 주된 목적은 공기 제동의 사용을 줄이는 데 있다. 이를 통해 압축 공기를 절약할 수 있으며, 마찰열로 인한 바퀴의 과열 위험을 최소화하여 제동 시스템의 안정성과 효율성을 높일 수 있다. 미국의 기관차 제조업체인 일렉트로-모티브 디젤(EMD)는 블렌디드 제동 시 다이내믹 제동이 전체 제동력의 약 50%에서 70% 정도를 담당한다고 추정한다. 최근에는 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 이용하여 회생 제동 에너지를 저장했다가 열차를 완전히 정지시키는 데 활용하는 기술도 사용되고 있다.[1]
3. 5. 한국 철도에서의 발전 제동 역사
철도 차량에서 발전 제동은 연속된 구배(오르막 또는 내리막) 구간을 운행하거나 정차 시 강력한 제동력을 확보하기 위해 전동차나 전기 기관차에 자주 사용된다. 특히 연속 경사 구간의 내리막길 주행이나 감속 시 유용하며, 전기식 디젤 기관차에도 종종 채택된다. 발전 제동은 전력 운전 시 사용되는 저항기를 활용하여, 주 제어기가 주 전동기에서 발생하는 전압에 따라 저항값을 조절함으로써 안정적인 제동력을 얻는 방식이다.그러나 차량에 탑재된 저항기의 용량에 따라 제동 능력이 제한되며, 제동 에너지를 열로 변환하여 소모하는 방식은 에너지 절약 측면에서 비효율적이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 1980년대 이후 전동차에서는 전력 회생 제동이 주류 기술로 자리 잡았다. 회생 제동은 제동 시 발생하는 전기를 가선이나 제3궤조의 전압보다 높게 만들어, 이를 통해 다른 운행 중인 차량이나 변전소로 보내 에너지를 재활용하는 방식이다. 이는 차량 탑재 저항기보다 더 큰 부하를 이용해 강력한 제동력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율성도 높다. 전력 회생 제동도 넓은 의미에서는 발전 제동의 일종이지만, 일반적으로 철도 기술 분야에서는 저항기를 이용하는 발전 제동과 구분된다. 연속 경사 구간에서 속도를 억제하기 위해 사용하는 억속 브레이크 역시 저항기를 사용하는 경우 발전 제동과 동일한 구조를 가진다.
발전 제동 기술 자체는 제2차 세계 대전 이전에 확립되었으나, 초기에는 정지용 제동 장치가 단순한 밸브로 공기압을 제어하는 직통 브레이크였기 때문에, 전기 회로 변경으로 작동하는 발전 제동(회생 제동 포함)은 브레이크 핸들과 별도로 마스콘 핸들로 조작해야 했다. 이 때문에 당시에는 억속 브레이크 등 보조 제동 장치로 취급되었고, 정지 제동에 활용하기 위해서는 운전사의 숙련된 조작이 필요하여 실용성이 낮다는 평가가 많았다. 다만, 오사카시 교통국 등 일부 사업자에서는 차륜 답면 브레이크의 잦은 사용으로 인한 발열, 타이어 이완, 쇳가루 비산 등의 문제를 줄이기 위해 발전 제동을 적극적으로 사용하기도 했다. 한와 전기 철도는 전시기에 이미 회생 제동을 유사한 방식으로 운용했다.
전후 미쓰비시 전기와 나고야 철도는 브레이크 핸들 조작만으로 자동 공기 브레이크와 발전 제동을 동시에 작동시키고, 발전 제동이 중단될 때 공기 브레이크 압력을 높이는 전공 협조 제어 기능을 갖춘 제어기를 개발하여 1951년경부터 시험 사용했다. 이후 1953년, 도쿄 지하철이 마루노우치선 개업을 위해 300형을 도입하면서 미쓰비시가 웨스팅하우스로부터 SMEE 상시 전공 병용 전자기 직통 브레이크 기술을 도입하여 조합한 제어기가 개발되었다. 한편, 도시바는 도큐 전철 등과 협력하여 기존 차량과의 호환성을 유지하면서 HSC-D 전자기 직통 브레이크의 전공 협조계를 조합한 AMCD 상시 전공 병용 자동 공기 브레이크와 PE-11형 전동 캠축 제어기를 개발, 5000계에서 실용화했다. 이 방식은 이후 일본 국철의 신성능 전동차용 CS12형 제어기로 발전하며 표준 기술(국철 명칭 SELD)로 자리 잡았다.
1960년대 이후 대량 생산된 사철 전동차 중에는 산악 구간이 없는 노선 등 경제성을 이유로 발전 제동을 생략한 경우(도부 8000계 전동차, 세이부 601계 전동차, 소테츠 6000계 전동차, 긴테쓰 1800계, 한신 7801・7901형 전동차 등)도 있었으나, 브레이크 슈 마모로 인한 분진 문제가 심각해지자 대부분 차세대 차량에서는 다시 발전 제동을 채택하게 되었다.
현재까지도 발전 제동이 널리 사용되는 이유는 다음과 같다.
- 회생 제동보다 회로 구성이 단순하고 과거에는 제조 비용이 저렴했다.
- 열차 운행 빈도가 낮은 로컬선이나 노면전차에서는 외부 요인(가선 전압, 주변 열차의 전력 소비)에 영향을 받는 회생 제동보다 차량 단독으로 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 발전 제동이 더 유리할 수 있다. 회생 제동으로 발생한 전력을 소비할 다른 열차나 설비가 부족하기 때문이다.
- 급경사 노선에서는 안전을 위해 안정적인 제동 성능이 최우선시된다. 가선 사고, 집전 장치 파손, 이선, 낮은 열차 밀도 등으로 인해 회생 제동이 제 기능을 못하는 회생 실효 상황이 발생하면 제어가 불가능해질 수 있다.
- 하이브리드 기술이 확립되기 전까지 비전철화 구간에서는 시스템상 회생 제동을 사용할 수 없었다.
물론, 로컬 사철에서 발전 제동 차량이 많은 것은 단순히 대도시에서 사용하던 구형 차량을 넘겨받은 경우가 많기 때문이기도 하다. 회생 제동 기능이 있는 차량을 도입하더라도, 발생 전력이 변전소로 역류하는 것을 막기 위해 회생 제동 기능을 비활성화하는 경우가 많으며, 심지어 회생 제동용 부품을 제공받고도 발전 제동 전용으로 개조하는 사례(에이잔 전철 900계 전동차)도 있다.
하지만 나가노 전철처럼 변전소에 회생 전력 흡수 장치를 설치하여 열차 수가 적은 노선에서도 회생 제동을 사용하는 경우도 있다. 이는 발전 제동 시 저항기 발열로 인한 기기 노후화를 줄일 수 있어 경영 기반이 약한 지방 사철에게 이점이 될 수 있다. 또한, 급경사 노선에서도 발전 제동을 지속하면 저항기 발열 처리 문제로 과열이나 소손이 발생할 수 있어, 국철 EF16형 전기 기관차처럼 회생 제동을 채택하는 경우도 있다.
JR 동일본 E127계 전동차나 긴테쓰의 VVVF 인버터 제어 차량처럼, 열차 밀도가 낮아 회생 실효가 우려되는 경우 발전 제동과 회생 제동 기능을 모두 탑재하여 안정성을 높이기도 한다.
교류 전철화 구간에서는 회생 제동 회로 구성이 비교적 간단하고 발생 전력을 변전소에서 송전망으로 되돌리기 용이하지만, 신칸센 0계 전동차의 저압 탭 제어나 일부 사이리스터 위상 제어 방식 차량에서는 발전 제동을 사용하기도 했다. 반면 교류 전용 차량 중 사이리스터 위상 제어 방식의 국철 ED78형 전기 기관차 및 국철 EF71형 전기 기관차는 경사 구간 억속 브레이크용으로 회생 제동을 채택하여 주 회로에 저항기가 없다.
JR 홋카이도의 키하183계와 같이 주행용 전동기가 없는 액체식 기동차의 다이내믹 브레이크는 자동차의 리타더 브레이크와 유사한 구조이다.
4. 기타 응용 분야
발전 제동 기술은 철도 차량 외에도 자동차, 자전거, 각종 산업용 장비 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
4. 1. 자동차
자가용 자동차 분야에서는 친환경 자동차(에코카)에 대한 관심이 높아지면서 전동기를 동력원으로 사용하는 자동차가 늘어나고 있다. 하지만 자동차에서는 주로 연비 개선에 중점을 두기 때문에, 회수한 에너지를 단순히 열로 소비하는 방식의 발전 제동은 거의 채택되지 않는다. 대신, 회생 제동 시스템을 탑재하여 제동 시 발생하는 에너지를 배터리에 다시 충전하는 방식이 널리 사용된다.한편, 전동기에 역전류를 흘려 제동력을 얻는 방식도 연구되고 있지만, 현재 단계에서는 이를 발전 제동이라고 부르지는 않는다. 이 방식은 차량이 정지한 상태에서는 효과가 없으므로 기존의 마찰 브레이크를 보조하는 역할에 그친다. 철도 차량에 사용되는 전기 브레이크와 유사한 개념이다.
4. 2. 자전거
전기 자전거나 전동 자전거 중 일부 모델에는 감속할 때 발생하는 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 회생 제동 기능이 탑재되어 있기도 하다. 그러나 이는 에너지를 저장하여 재활용하는 방식이며, 이 문서에서 주로 설명하는 저항기를 통해 에너지를 열의 형태로 소모시키는 방식의 발전 제동 장치를 갖춘 자전거는 일반적으로 찾아보기 어렵다.4. 3. 산업용 장비
모터를 사용하는 많은 산업용 장비의 범용 인버터에는 발전 제동 시 발생하는 에너지를 소모하기 위한 저항기가 내장되어 있거나, 필요에 따라 외부 저항기를 추가로 장착할 수 있는 단자가 마련되어 있는 경우가 많다.5. 기술적 과제 및 전망
발전 제동은 철도 차량, 특히 전동차나 전기 기관차에서 연속된 오르막길 주행이나 정차 시 강력한 제동력을 확보하는 데 유용하게 사용된다. 하지만 몇 가지 기술적인 한계점을 안고 있다.
가장 큰 단점은 제동 과정에서 발생하는 운동 에너지를 차량 내 저항기를 통해 열에너지로 변환하여 대기 중으로 방출한다는 점이다. 이는 에너지 절약 측면에서 비효율적이라는 평가를 받는다. 또한, 탑재된 저항기의 용량에 따라 제동 성능이 제한된다는 한계도 존재한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 1980년대 이후로는 전력 회생 브레이크 기술이 개발되어 널리 사용되고 있다. 회생 브레이크는 제동 시 발생하는 에너지를 다시 전기로 변환하여 가선을 통해 다른 열차나 변전소로 보내 재사용하는 방식이다. 이를 통해 에너지 효율을 높일 뿐만 아니라, 차량 내 저항기보다 훨씬 큰 외부 부하를 이용하므로 더 강력한 제동력을 얻을 수 있다.
그럼에도 불구하고 발전 제동은 여전히 특정 상황에서 유용하게 사용된다.
- 회생 브레이크 시스템에 비해 회로 구성이 상대적으로 단순하다.
- 운행하는 열차 수가 적은 로컬선에서는, 주변 환경(가선 전압 등)의 영향을 받는 회생 브레이크보다 차량 자체적으로 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 발전 제동이 더 선호될 수 있다.
- 급격한 내리막길 구간 등 안전 확보가 최우선인 노선에서도 활용된다.
하지만 발전 제동을 장시간 연속해서 사용하면 저항기에서 발생하는 열을 효과적으로 처리하기 어려워 과열이나 부품 손상의 원인이 될 수 있다. 이러한 발열 문제는 탑재된 다른 기기의 노후화를 촉진할 수도 있다.
최근에는 변전소에 회생 전력을 흡수하는 장치를 설치하여 열차 수가 적은 노선에서도 회생 브레이크를 효과적으로 사용할 수 있도록 하는 기술이 도입되고 있다. 이는 발전 제동의 발열 문제나 에너지 효율 문제를 해결하는 대안이 될 수 있으며, 특히 경영 기반이 약한 지방 사철 등에서 유지보수 부담을 줄이는 데 기여할 수 있다.
참조
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Wayside and on-board storage can capture more regenerated energy
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What is the impact of crane plugging? Konecranes
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문서
직류전동기와 직류발전기는 구조가 같기 때문에 출력측의 회전에 의해 발전기도 된다.
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