총괄제어
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1. 개요
총괄제어는 여러 대의 차량을 연결하여 제어하는 기술로, 처음에는 미국 시카고의 고가철도에서 사용되었다. 프랭크 J. 스프래그는 1897년 총괄제어 개념을 설계하여 전동차의 취급 용량을 크게 증대시켰다. 이 기술은 전동차 계통과 디젤 기관차 계통에서 발전했으며, 자동 가속 기능 추가, 교류 전철화, 디젤 기관차 도입 등을 통해 효율성을 높였다. 또한, 트롤리버스에도 적용되어 수송 능력을 향상시키는 데 기여했으며, 현대에는 자동 연결 및 분리를 가능하게 하는 철도 연결기를 통해 더욱 발전했다.
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- 철도차량공학 - 자동 열차 운전 장치
자동 열차 운전 장치는 열차 운행을 자동 제어하는 시스템으로, 국제 표준에 따라 자동화 수준이 GoA0(수동 운전)부터 GoA4(무인 운전)까지 분류되며, 안전성 및 효율성 향상에 기여하지만 오류 및 인적 실수 가능성도 존재하여 연구 개발이 진행 중이다. - 철도차량공학 - 가공 전차선
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.
| 총괄제어 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 총괄제어 (總括制御) |
| 영어 명칭 | Multiple-unit train control |
| 설명 | 여러 철도 차량을 연결하여 한 곳에서 집중적으로 제어하는 방식 주로 전기 동차나 디젤 동차와 같은 동력 분산식 차량에 적용 |
| 기술적 측면 | |
| 제어 방식 | 전기적, 공압적, 기계적 방식 사용 각 차량의 제어 장치를 연결하여 동시에 작동 |
| 연결 | 전기 회로, 공기 배관, 기계적 연결 장치 사용 차량 간의 신호 전달 및 동력 제어 |
| 장점 | 수송량 증가 유연한 편성 가능 운영 효율성 향상 |
| 역사 | |
| 초기 | 증기 기관차 시대에는 기관차를 여러 대 연결하여 운행 현대적인 총괄제어 시스템은 전기 철도의 발전과 함께 등장 |
| 발전 | 전자 기술 및 통신 기술의 발전으로 더욱 정밀하고 효율적인 제어 가능 컴퓨터 기반 제어 시스템 도입 |
| 적용 분야 | |
| 철도 | 전동차, 디젤 액압 동차, 고속철도 도시 철도, 광역 철도, 간선 철도 |
| 기타 | 트램, 노면 전차, 트롤리 버스 특수한 산업용 차량 |
| 참고 사항 | |
| 관련 용어 | 병결 운전 중련 운전 총괄 제어 장치 (Master Controller) |
2. 개발
총괄제어는 여러 대의 동차를 연결해야 할 필요성에서 비롯되었다. 과거에는 각 차량마다 기관사나 조수가 탑승하여 주간제어기를 조작해야 했기 때문에, 오작동의 위험이 있었다. 따라서 한 운전대에서 연결된 전 차량을 통제하는 방식이 필요하게 되었다.
초기 전차는 운전사가 핸들이나 레버를 조작하여 저항기 결선을 연결하고, 전동기에 걸리는 전압과 전류를 변화시켜 속도를 조절하는 직접 제어 방식이었다. 이 방식은 간단했지만, 다룰 수 있는 전력에 한계가 있었고, 출력이 큰 전동기를 제어하거나 여러 차량을 동시에 제어하기 어려웠다.
이후, 운전대의 컨트롤러가 저항 연결 명령을 보내고, 각 차량의 주 제어기가 이 명령에 따라 저항을 연결하는 간접 제어 방식이 개발되어 여러 전동차를 동시에 제어하는 것이 가능해졌다.
2. 1. 프랭크 J. 스프래그와 초기 개발
1897년 미국 시카고의 고가철도에서 미국인 프랭크 J. 스프래그(Frank Julian Sprague)가 총괄제어 개념을 설계하여 처음으로 적용하였다.
스프래그의 발명은 주간제어기가 직접 회로를 제어하는 방식이 아니라, 각 차량의 주 저항기에 명령을 전달하여 회로 구성을 제어하는 방식이었다. 즉, 직접 제어 방식에서 간접 제어 방식으로 전환하여, 복수의 동력차 연결을 가능하게 했다.[2]
1890년대에 전동차(electric multiple unit)에 다중 유닛 열차 제어가 처음 사용되었다. 리버풀 고가 철도는 1893년에 2량 편성 전동차로 개통되었으며, 초기에는 양쪽 끝 운전실의 제어기가 두 차량의 모터를 직접 제어하는 방식을 사용했다.[3]
3. 발전
총괄제어의 발전은 크게 전동차 계통과 디젤 기관차 계통으로 나뉜다.
전동차 계통에서는 1903년 제너럴 일렉트릭이 뉴욕 지하철용으로 자동 가속 기능을 추가한 총괄제어 장치를 개발하면서 발전하기 시작했다. 이전까지는 기관사가 직접 노치를 조작해야 했고, 이 과정에서 회로 손상이 발생할 수 있었다. 자동 가속 장치는 이러한 문제를 해결하여 차량 조작을 용이하게 했다.
기관차 계통에서는 1920년대에 디젤 기관차에 총괄제어가 도입되면서 인력 소요와 차량 통제 효율성이 크게 향상되었다. 이전에는 각 기관차마다 기관사가 필요했지만, 총괄제어를 통해 한 명의 기관사가 여러 대의 기관차를 제어할 수 있게 되었다.
총괄제어는 디젤 동차나 전후동력식 열차, 제어부 객차에 의한 푸시풀 운전을 가능하게 하여 철도 터미널 역 운영 효율을 높이고 입환의 필요성을 줄이는 데 기여하였다.
내연차(디젤 기관차, 기동차)는 분사 펌프로 연료 공급량(엔진 회전수)을 조절하고, 클러치 연결과 변속기 변속을 기계적으로 해야 했다. 이 때문에 각 장치의 연료 분사량, 저항(조작력) 차이로 타이밍을 정확히 맞추기 어려워 총괄제어가 힘들었다. 그래서 클러치와 변속기가 필요 없는 가스・전기 방식이나 디젤 전기 방식 등의 전기식이 대출력용으로 보급되었다. 한편, 변속기를 갖춘 차량의 총괄 제어 개발도 함께 진행되었다. 유체 이음매나 토크 컨버터가 실용화되면서 자체 변속 효과로 기어 선택식 변속기가 불필요해졌고, 출력 및 타이밍 편차도 흡수할 수 있게 되었다. 총괄 제어 명령은 전기 신호로 전달되지만, 최종 기계 조작부에는 전자석, 전자기 밸브, 압축 공기·유압 조합이 사용된다. 이와는 별도로 자동차의 수동 변속기와 같은 기계식의 후계인 자동화 수동 변속기를 총괄 제어하는 방법도 연구되고 있다.
3. 1. 전동차 계통의 발전
1903년, 제너럴 일렉트릭은 뉴욕 지하철용으로 자동 가속 기능을 갖춘 총괄제어 장치를 개발했다. 이전에는 기관사가 노치를 한 단씩 조작해야 했고, 단계를 건너뛰면 회로가 손상될 수 있었다. 자동 가속 장치는 이러한 문제를 해결하여 차량 조작을 더 쉽게 만들었다.[1] 이후 차량의 장대화, 노선 고밀도화, 교류 전철화가 진행되면서 총괄제어는 필수적인 기술이 되었다.[1]전기차 기술이 발전하면서 교류형 전동차 제어, 발전 제동 및 회생 제동, 계자 자속 제어 등 다양한 제어 방식이 가능해졌다. 이는 공간이 제한되어 전동기가 분산된 전차에서 총괄 제어 방식이 확립되었기 때문에 가능했다.[1] 이러한 장점 덕분에, 총괄 제어를 전제로 한 간접 제어 시스템을 갖춘 전차는 연결 운전을 하지 않는 철도 회사에도 유리했으며, 교외 노선에서도 널리 채택되었다.[1]
3. 2. 기관차 계통의 발전
1920년대에 디젤 기관차에도 총괄제어가 도입되면서, 각 기관차마다 기관사가 탑승해야 했던 인력 소요와 차량 통제 가능성이 크게 개선되었다. 이는 과거 초대형 기관차들의 수요를 줄이는 데 기여했다. 특히, 미국에서는 방대한 노선 규모로 인해 기관사 유지에 많은 노력이 필요했기 때문에 인력 소요 문제는 심각했다.총괄제어 기술은 디젤 동차, 전후동력식 열차, 또는 제어부 객차에 의한 푸시풀 운전을 가능하게 하여, 터미널 역 운영 효율성을 높이고 입환 필요성을 줄였다.
스프라그의 MU 시스템은 1920년대에 디젤 전기 기관차와 전기 기관차에 사용하기 위해 채택되었다. 그러나 이러한 초기 제어 연결은 완전히 공압식이었다. 오늘날의 최신 MU 제어는 브레이크 제어를 위한 공압 요소와 스로틀 설정, 동적 제동 및 고장 표시등을 위한 전기 요소를 모두 사용한다.
디젤 전기 MU 초창기에는 수많은 시스템이 있었다. 어떤 것은 서로 호환되었지만 다른 것은 그렇지 않았다. 예를 들어, 처음 인도되었을 때 많은 F 유닛에는 코에 MU 케이블이 없어 기관차 후면을 통해서만 MU가 가능했다.
북미에서 사용되는 용어는 B 유닛 또는 "부스터" 유닛에 제어 캐빈이 없는 A 유닛과 B 유닛이다. 슬러그는 B 유닛이 추가 연결을 통해 "모" 유닛에 의해 구동되는 견인 모터를 가지고 있으며, 카우-칼프는 스위처 기관차 유닛에 사용된다. 제어 차량 원격 제어 기관차는 원격 제어 기능을 갖지만 견인 장비는 없다.
대부분의 현대 디젤 기관차는 이제 MU 작동을 위해 장착되어 제공되므로 하나의 캐빈에서 기관차로 구성된(세트)을 작동할 수 있다. 모든 MU 연결이 제조업체 간에 표준화되어 있는 것은 아니므로 함께 사용할 수 있는 기관차 유형이 제한된다. 그러나 북미에서는 미국 철도 협회(AAR) 시스템을 사용하는 모든 철도 및 제조업체 간에 높은 수준의 표준화가 이루어져 북미의 모든 현대 기관차가 다른 현대 북미 기관차에 연결될 수 있다.[4] 영국에서는 몇 가지 호환되지 않는 MU 시스템이 사용되고 있으며, 영국 철도에서 사용되는 최신 디젤 기관차는 표준 미국 철도 협회 시스템을 사용한다.
현대 기관차 MU 시스템은 연결기의 오른쪽과 왼쪽에 있는 대형 MU 케이블로 쉽게 식별할 수 있다. 연결은 일반적으로 공기 브레이크 시스템을 제어하기 위한 여러 개의 공기 호스와 견인 장비 제어를 위한 전기 케이블로 구성된다. 연결기 옆에 있는 가장 큰 호스는 메인 공기 브레이크 라인 또는 "기차 라인"이다. 추가 호스는 기관차의 공기 압축기를 연결하고 기차의 나머지 부분과 별도로 기관차의 브레이크를 제어한다. 때로는 레일에 모래를 뿌리는 것을 제어하는 추가 호스가 있다.
3. 3. 내연차 계통의 발전
디젤 기관차나 기동차는 분사 펌프로 연료 공급량(엔진 회전수)을 조절하고, 클러치 연결과 변속기 변속을 기계적으로 해야 했다. 이 때문에 각 장치의 연료 분사량, 저항(조작력) 차이로 타이밍을 정확히 맞추기 어려워 총괄제어가 힘들었다.[11]그래서 클러치와 변속기가 필요 없는 가스・전기 방식, 디젤 전기 방식 같은 전기식 동력 전달 방식이 대출력용으로 보급되었다. 이 방식은 여러 엔진 회전수와 발전기 출력 극성만 제어하면 되고, 어느 정도 회전수(전압) 차이는 레귤레이터나 전동기로 흡수 가능하여 전기차 기술을 응용할 수 있었다. 그러나 발전기와 전동기는 전자기강과 권선으로 구성되어 무거웠기 때문에, 출력이 작은 차량이나 소형·경량화에는 부적합했고, 궤도와 교량의 중량 부담도 고려해야 했다.[11]
한편, 변속기를 갖춘 차량의 총괄 제어 개발도 함께 진행되었다. 유체 이음매와 토크 컨버터가 실용화되면서 자체 변속 효과로 기어 선택식 변속기가 불필요해졌고, 출력 및 타이밍 편차도 흡수할 수 있게 되었다. 총괄 제어 명령은 전기차, 전기식 기동차·디젤 기관차처럼 전기 신호로 전달되지만, 최종 기계 조작부에는 전자석, 전자기 밸브, 압축 공기·유압 조합이 사용된다. 이 방식은 토크 컨버터에 변속기 오일을 필요로 하여 액체식, 유체식 등으로 불리며 소형·경량 차량용으로 보급되었다. 일본 국철은 이 방식으로 기동차와 대부분 디젤 기관차 동력 전달 장치를 표준화했고, 이는 현재 JR 각 사와 제3 섹터 철도 기동차에도 적용되고 있다.[11] 이후 고속화, 대출력화에 따라 더 넓은 변속비가 필요해져 유성 기어식 변속기를 추가하여 변속단·직결단 모두 복수 단을 갖게 되었다.[12]
자동차 수동 변속기와 같았던 기계식 후계인 자동화 수동 변속기 총괄 제어 연구도 진행 중이다. 최근 액체식처럼 각 입출력축 회전수를 센싱하고 중앙 컴퓨터로 엔진 회전(출력), 클러치 조작, 변속을 제어하여 전달 손실이 적은 이 방식이 주목받는다. 일본에서는 JR 홋카이도 키하 160형 기동차가 하이브리드 기동차 개조 시 보조 모터와 조합하여 듀얼 클러치 변속기를 채용했다.
4. 트롤리버스에서의 활용
소련에서는 대중교통 수송 능력을 늘리기 위해 여러 대의 트롤리버스를 연결하여 운행하는 방법을 연구했다. 1966년 6월 12일, 키예프에서 우크라이나 엔지니어 블라디미르 베클리치가 설계한 시스템이 처음으로 성공적인 운행을 시작했다. 이 시스템은 두 대의 MTB-82D 트롤리버스를 연결한 것이었다.[6]
베클리치의 발명은 도네츠크, 헤르손, 미콜라이프, 민스크, 탈린, 리가, 레닌그라드(현재 상트페테르부르크), 노보시비르스크 등 여러 도시의 트롤리버스 회사에서 채택되었다.
회전식 연결부는 막대와 경첩을 사용한 트램과 유사하게 설계되었다. 두 트롤리버스 모두 앞쪽 차량의 운전자가 모터와 브레이크를 제어했다.[5] 3~5분 안에 연결 및 분리가 가능했지만, 트롤리버스와 전기가 충분했기 때문에 분리할 필요는 거의 없었다.[5]
MTB-82 트롤리버스가 퇴역하면서 이 시스템은 스코다 9Tr와 ZiU-5에도 적용되었다. 1973년부터 리가의 트롤리버스도 스코다 9Tr 트롤리버스의 연결을 사용했는데, 이들은 2001년까지 사용된 가장 오래 운행된 연결 스코다 9Tr였다. 1976년, 키예프에서 3대의 트롤리버스 연결이 시험되었지만, 충분한 교통량으로 인해 더 이상 개발되지 않았다. 차세대 트롤리버스인 ZiU-682로 전환하면서 굴절형 모델이 지속적으로 지연되면서 더 높은 수송 능력을 위해 이러한 연결이 다시 필요하게 되었다.
트롤리버스 열차는 상트페테르부르크, 오데사, 도네츠크,[7] 사마라,[8] 노보시비르스크,[9] 옴스크,[10] 드니프로페트로우스크, 하르키우, 모스크바, 케메로보, 수미, 첼랴빈스크, 미콜라이프 및 크라스노다르에서 사용되었다.[5]
5. 현대의 응용
현대 전동차 및 디젤 동차는 차량 간 기계적, 전기적, 공압적 연결을 제공하는 특수 연결기를 사용하여 지상에서 사람의 개입 없이 열차를 자동으로 연결하고 분리할 수 있다.[4]
전 세계적으로 사용되는 완전 자동 연결기에는 샤르펜베르크 연결기, 너클 하이브리드(영국에서 사용되는 타이트록 등), 웨지록 연결기, 델너 연결기(샤르펜베르크 연결기와 유사), BSI 연결기 등이 있다.
분산 동력을 사용하면, 광산 노선의 광석 열차와 같이 긴 열차는 최대 견인력을 줄이기 위해 열차의 각 끝과 중간에 기관차를 배치할 수 있다. 기관차는 Locotrol 시스템을 통해 선두 기관차에서 무선으로 제어된다. 험프 야드의 "스위처"와 같은 원격 제어 기관차는 고정 작업자가 제어할 수 있으며, 이러한 유형의 원격 제어 시스템은 미국 철도 협회(AAR) MU 표준을 사용하여 원격 제어가 가능하다.
다중 제어 기술은 한쪽 끝에 표준 기관차가 있는 푸시 풀 열차에도 사용된다. 제어 신호는 운전실에서 수신되거나, 중간 차량을 통해 기관차에 케이블로 연결된 반대쪽 끝의 운전 객차에서 수신된다.
미국 암트랙(Amtrak)은 북동 회랑 외부 노선에서 1~3대의 디젤 기관차를 단 한 명의 운전자로 운행한다.
참조
[1]
웹사이트
Glossary ! The Railway Technical Website
http://railway-techn[...]
[2]
웹사이트
Liverpool Overhead Railway motor coach number 3, 1892
http://www.liverpool[...]
National Museums Liverpool
2011-01-21
[3]
뉴스
Mr Sprague answers Mr Westinghouse
https://www.nytimes.[...]
New York Times
1902-01-18
[4]
웹사이트
US Locomotive MU Control ! The Railway Technical Website
http://railway-techn[...]
[5]
웹사이트
Троллейбусные поезда: советская транспортная экзотика
http://www.gruzovikp[...]
2021-07-09
[6]
웹사이트
Именно по Киеву курсировали первые в мире троллейбусные поезда
https://fakty.ua/208[...]
2021-07-09
[7]
웹사이트
"Одесса на колёсах". ЗиУ-9/682
http://odessatrolley[...]
2021-07-09
[8]
웹사이트
Самаратранс.info: Самара троллейбус поезда — Общественный транспорт Самарской области
http://samaratrans.i[...]
2021-07-09
[9]
웹사이트
История развития новосибирского наземного электротранспорта :: О предприятии :: МКП "ГорЭлектроТранспорт"
http://get-nsk.ru/ab[...]
2021-07-09
[10]
웹사이트
1988 год. Первый троллейбусный поезд
http://transport-ks.[...]
[11]
문서
近年ではディーゼル機関車、気動車ともに電気式の採用が進んでいる。代表例としては[[JR貨物DF200形ディーゼル機関車]]や各社の[[鉄道車両におけるハイブリッド|ハイブリッド気動車]]（シリーズ方式のもの）、[[JR東日本GV-E400系気動車]]が挙げられる。
[12]
문서
[[自動車]]の[[オートマチックトランスミッション]]と同じ原理と構造を持つ。
[13]
문서
この他、軸重の移動抑止などの手段も採られている。
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