완전 전기제동
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1. 개요
완전 전기 제동은 회생 제동의 원리를 활용하여 전동기를 발전기로 전환, 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력망으로 돌려보내거나 열로 소비하는 제동 방식이다. 회생 제동만으로는 정지 상태 유지가 어려워, 완전 전기 제동은 정지 직전까지 회생 제동을 사용하고 정지 시에는 마찰 제동을 병용한다. 3상 유도 전동기와 인버터 제어 기술 발전으로 회생 제동 사용 영역이 넓어졌으며, 슬립 주파수를 제어하여 토크를 발생시키는 방식 등으로 완전 전기 제동이 구현된다. 마찰 제동 부품 교체 비용 절감, 전력 회생 효율 증가, 승차감 개선 등의 장점이 있으며, 간선 전기 동차에 적용되거나 개조를 통해 기능을 추가하는 사례가 있다.
3상 유도 전동기와 VVVF 인버터 제어가 철도 차량에 채용되면서 직류전동기와 사이리스터 초퍼 제어 편성에 비해 저속에서도 안정적인 제어가 가능하게 되어, 회생제동을 사용할 수 있는 속도 대역이 넓어졌다.
철도차량에 3상 유도 전동기와 VVVF 인버터 제어가 채용되면서 직류 전동기와 사이리스터 쵸퍼 제어 편성에 비해 저속까지 안정적인 제어가 가능해져 회생 제동을 사용할 수 있는 속도 영역이 넓어졌다. 그러나 기전력 문제로 회생 제동만으로는 정지 상태를 유지할 수 없다.
완전 전기 제동은 간선 전기 동차, AUTS 등의 철도 차량에 탑재되었거나 탑재될 예정이다. 기존 차량에 완전 전기 제동 기능을 추가하는 개조 작업도 이루어지고 있다.
2. 작동 원리
그러나 기전력 문제로 회생제동만으로는 정차 상태를 유지할 수 없다. 또한 회생실효하는 속도역에 대해 주전동기의 슬립 주파수를 유지하여 자계를 역회전시켜 토크를 일으키는 방식과, 정지 직전에서 슬립 주파수를 0으로 수렴시키는 2가지 방식이 존재한다.
최근 완전 전기 제동의 도입이 촉진되고 있지만, 제동 시작부터 정지까지 마찰 제동을 거의 사용하지 않아도 되는 것으로 오해하기 쉽다. 그러나 현실적으로는 저속에서의 제동 시 회생 제동 능력이 부족하거나, 고속에서의 제동 시 가선 전압 상승을 방지하기 위해, 또는 탑재된 전동기 능력의 한계를 초과하지 않도록 마찰 제동을 병용하고 있다. 또한 정차 중 차륜의 전동 방지에는 마찰 제동이 반드시 필요하며, 열차에는 최저 2계통의 제동 장치를 장비하는 것이 정해져 있으므로 전동차에서 마찰 제동을 완전히 없애는 것은 불가능하다. 따라서 차량 가격 측면에서의 대폭적인 절감까지는 이르지 않은 것이 현실이다. 그러나 보수 측면에서는 브레이크 슈 교환 빈도가 줄어들어 비용 절감을 도모할 수 있는 것은 사실이다.
정지 직전의 제어에서는 미쓰비시(三菱)나 도시바(東芝) 등의 역상 모드 제어와 히타치(日立)의 직류 인가(직류 여자) 모드와 같이 각각 방식이 다르다. 따라서 히타치(日立)제는 정지 직전에 "붕" 또는 "푸웅" 하는 발진음이 난다. (비동기 모드와 겸용이기 때문에, 비동기 모드의 주파수가 된다.) 발진음의 주파수는 200Hz가 대부분이다. 또한, 2013년 이후에는 충격 개선을 위해 비동기 모드의 주파수가 급격히 내려가는 역상 모드 타입도 등장했다.
3. 장점
4. 한계 및 과제
회생 실효가 발생하는 속도 영역에서 주 전동기의 슬립 주파수를 유지하여 자계를 역회전시켜 토크를 발생시키는 방식과, 정지 직전 슬립 주파수를 0으로 수렴시키는 두 가지 방식이 있다.
완전 전기 제동은 제동 시작부터 정지까지 마찰 제동을 거의 사용하지 않아도 된다는 오해가 있지만, 현실적으로는 저속 제동에서 회생 제동 능력이 부족하거나, 고속 제동에서 가선 전압 상승 방지 등 노선 조건 문제 및 탑재된 모터 능력 한계를 초과하지 않도록 마찰 제동을 병용한다. 또한 정차 중 바퀴 전동 방지를 위해 마찰 제동이 필요하며, 열차에는 최소 2계통의 제동 장치를 갖추도록 관련 법규에 규정되어 있어 전동차에서 마찰 제동을 완전히 없애는 것은 불가능하다. 따라서 차량 가격의 대폭적인 감소에는 이르지 못했지만, 보수 면에서 브레이크 슈 교체 주기가 늘어나 경비 절감이 가능하다.
5. 적용 사례
다음은 완전 전기 제동이 적용되었거나 적용될 예정인 차량 목록이다.
제조 초기에는 완전 전기 제동을 사용할 수 없었던 차량도 소프트웨어를 탑재한 기판 교체나 제어 장치 자체 교체 등의 개조를 통해 완전 전기 제동을 이용할 수 있게 되었다.
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