계자 초퍼 제어

2. 방식의 개요

저항 제어로 기동 및 가속을 시작한다. 전계자(全界磁) 정격 속도에 도달하면, 분권 계자 전류를 초퍼 제어하여 계자의 강도를 조절하고 (약계자 제어), 역기전력의 크기로 속도를 제어한다. 감속 시에는 계자를 강하게 하여 전기자의 역기전력을 높여 회생 제동을 사용한다.

1969년 도요 전기 제조에서 제작한 세계 최초의 사이리스터를 이용한 계자 초퍼 제어 장치가 한큐 2800계 전동차 2847호에서 장기 실용 시험을 거쳤다. 같은 해 히타치 제작소에서 제작한 동일 제어 장치가 도큐 8000계 전동차에 양산 형식으로 세계 최초로 채용되었다. 이후 일본 대형 사철을 중심으로 이 방식이 널리 도입되었다.

국철에서도 채용을 검토하여 진자식 시험 차량인 591계 시험 전동차를 통해 계자 초퍼 제어 시험을 진행했으나, 복권 전동기는 구조가 복잡하고 브러시 및 정류자 점검 주기가 짧아 보수 현장의 반대로 본격 채택되지 않았다. 1970년대 후반, 국철에서 에너지 절약 요구가 높아지면서 직권 전동기를 사용할 수 있는 전기자 초퍼가 201계 및 203계에서 채용되었고, 이후 205계에서는 기동에서 고속 영역까지 특성이 더 우수한, 기존 직권 전동기를 사용한 계자 첨가 여자 제어가 개발 및 실용화되어 JR 초기의 신형 차량에까지 널리 사용되었다.

1990년대부터 VVVF 인버터 제어가 주류가 되면서, 계자 초퍼 제어 채용 차량은 현재 신조 차량에는 채용되지 않고 있다.

초기 계자 초퍼 장치는 역 저지 사이리스터를 사용했지만, 1980년대 후반부터는 GTO 사이리스터를 사용하여 기기를 소형화하였다.^[1]

2. 1. 장점

• 전기자 초퍼 제어는 전류값이 큰 전기자 회로를 직접 제어하는 반면, 이 방식은 용량이 작은 분권계자전류만을 제어하므로 반도체 용량이 작아 가격이 저렴하고, 유도장애나 소음도 적다.^[1]
• 회생제동을 사용할 수 있어 전력 소비량을 절감할 수 있다. 주행 에너지를 효율 좋게 회생시키면 직병렬 제어의 기동저항 손실은 최고 속도 에너지의 약 1/18(∵에너지는 속도의 제곱에 비례: (40km / 120km)^2 = 1/9, 저항 손실은 병렬 풀 스텝 운동 에너지의 1/2, ∴1/18)로 매우 작으므로, 고가의 대전력 반도체가 필요 없는 고효율 회생 제동 방법으로 사철에 널리 보급되었다.^[1]
• 전류 0A(제로 암페어) 제어를 통해 초퍼 제어가 이루어지는 속도역에서는 역행·제동 조작에 따른 응답이 매우 양호하여 정속 제어가 가능하다(예: 게이세이 AE형 등). 또한 역행, 타행, 제동 전환 시 충격이 적다. 정속 제어는 계자 초퍼 방식만의 특징은 아니며, 분권전동기와 자기 증폭기 조합으로 1960년에 등장한 한큐 2000계 등의 예가 있다.^[1]
• 분권계자전류를 늘려 역기전력을 높여 회생제동의 실효 속도를 낮출 수 있다. 사용하는 전동기가 복권전동기여서 회생 제동에 의한 역방향 전류가 직권계자권선을 타고 분권 계자에 의한 자속(磁束)을 줄이며, 발전 전압(역기전력)을 억제해 자기평형성을 갖는다.^[1]
• 약계자기동으로 기동 시 충격을 줄일 수 있다.^[1]

2. 2. 단점

4. 일본에서의 적용 사례

1969년 도요 전기 제조에서 제작한 세계 최초의 사이리스터 이용 계자 초퍼 제어 장치가 한큐 2800계 전동차 2847호에서 장기 실용 시험을 시작했고, 같은 해 히타치 제작소에서 제작한 동 제어 장치가 도큐 8000계 전동차에 양산 형식으로 세계 최초로 채용되었다. 이후 일본에서는 복권 전동기를 사용하던 회사를 중심으로 대형 사철 각 사로 도입이 진행되었다.

1990년대부터 VVVF 인버터 제어가 주류가 되면서, 현재는 신조 차량에 채용하지 않고 있다.

4. 1. 국철

국철에서도 채용이 검토되어 진자식 시험 차량인 591계 시험 전동차를 이용한 계자 초퍼 제어 시험이 행해졌으나, 구조가 복잡하고 브러시·정류자의 점검 주기가 짧은 복권 전동기에 대한 보수 현장의 반대도 있어, 결국 계자 초퍼 제어는 본격 채용되지 않았다.^[1] 국철에서 에너지 절약이 강력하게 요구된 1970년대 후반에는 (제어기의 제작·보수 비용은 상승하지만) 직권 전동기를 사용할 수 있는 전기자 초퍼가 201계·203계에서 채용되었고, 이에 이어진 205계에서는 기동에서 고속 영역까지의 특성이 더 우수한, 종래의 직권 전동기를 사용한 계자 첨가 여자 제어가 개발·실용화되었다.^[1] 후자의 방식은 JR 초기의 신형 차량에까지 폭넓게 사용되게 되었다.^[1]

4. 2. 사철

회사	차량
나가노 전철	8500계 (전 도큐 8500계)
알피코 교통	3000형 (전 게이오 3000계)
지치부 철도	7000계 (전 도큐 8500계)
	7500계 (전 도큐 8090계)
게이세이 전철	AE차 (특급차로 퇴역 후 3400형으로 갱신)
	3400형 (AE차의 제어 장치를 비롯한 주행 기기를 유용하고 차체는 신제, 3400형의 주 제어기는 AE차의 것에서 정속 제어 기능을 제거한 것으로, 원래가 특급 전용차용이기 때문에 제동 시 직병렬 제어가 없고 저속에서는 회생 브레이크를 사용할 수 없다 (회생 실효 속도 45km).)
	3600형 (당초에는 6량×9편성이었지만, 8량×6편성과 여분의 선두차를 VVVF로 개조한 6량×1편성 (2017년에 4량화)이 존재한다.)
시바야마 철도	3600형 (게이세이 3600형을 리스 현재는 소멸)
신케이세이 전철	8000형 (3차차 (8506F) 이후, 2차차까지는 저항 제어, 또한 현재 전 차량이 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어로 개조되었다)
호쿠소 철도	7000형 (전차 폐차)
	9000형 (전차 폐차)
게이힌 급행 전철	800형 (전차 폐차)
	2000형 (전차 폐차)
	1500형 (초기 일부 편성, 1500번대·1600번대에서 채용. 1700번대에서는 GTO 사이리스터 사용의 VVVF 인버터 제어가 채용되고 있다. 또한 현재 1600번대 일부가 순차적으로 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어로 개조되고 있다.)
	데토 17·18형 (사업용 차량, 개조로 설치됨)[2]
	데토 11·12형 (사업용 차량, 개조로 설치됨)[3]
도쿄 급행 전철	8090계·8590계 (전차 폐차되어 일부는 타사 양도)
	8500계 (전차 폐차되어 일부는 타사·국외 양도)
	8000계 (양산차로서는 세계 최초, 전차 폐차되어 일부는 타사·국외 양도)
게이오 전철	7000계 (현재는 전차 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어로 개조)
	6000계 (1차차는 저항 제어, 전차 폐차)
	3000계 (제9편성까지의 데하 3000형·데하 3050형은 저항 제어, 전차 폐차되어 일부는 타사 양도, 제16편성 이후와 데하 3100형은 신제시부터 계자 초퍼 제어. 제10 - 15편성은 계자 저항 제어에서 개조.)
오다큐 전철	8000형 (IGBT 소자(IPM, 일부 SiC)의 VVVF 인버터 제어로 개조, 8251·8255F는 계자 초퍼 제어에서 개조되지 않고 폐차.)
	9000형 (전차 폐차)
세이부 철도	2000계 (모하 2197·2198은 VVVF 인버터 제어이지만 폐차됨)
	3000계 (전차 폐차)
도부 철도	10000형·10030형 (10080형·일부 리뉴얼 편성 중에는 VVVF 인버터 제어차도 존재, 초다단식 버니어 저항 제어를 병용하여 가속의 충격을 줄였다.)
이즈 급행	8000계 (전 도큐 8000계, JR이토선에 운행하기 위해, JR선 내를 주행하는 사상 최초[4]의 계자 초퍼 제어차이다.)
가쿠난 철도	7000형 (전 게이오 3000계)
	8000형 (전 게이오 3000계)
나고야 철도	1000계
	1030계 (1230계는 계자 위상 제어)
	1200계
	5700계 (모 5750형과 모 5850형의 페어만, 모 5650형은 계자 첨가 여자 제어, 전차 폐차)
	6500계
	신 5000계 (상기 1000계의 기기 유용차)
긴키 닛폰 철도	1200계 (일부 차량은 저항 제어의 2410(2430)계 차량과 편성을 이루고 있다. 또한, 아래의 각 계열을 포함하여, 다른 저항 제어차나 VVVF 인버터 제어차와 병결하여 운용된다.)
	1400계
	2050계
	6600계
	8810계
	9000계
9200계
한큐 전철	2800계 (1969년 3월 31일 준공의 2847에 분권 계자 제어기를 교체하는 형태로 도요 전기 제어의 시작품이 탑재되어 장기 실용 시험에 제공되었다. 세계 최초의 실용 계자 초퍼 제어차이다. 1988년 폐차)
	2300계 (1978~1981년의 갱신 시 순차적으로 기존의 분권 계자 제어기와 교환하여 탑재되었다. 또한 2311·2331은 1978·1979년에 AFE전기자 초퍼 제어 시험차가 되었다. 전차 폐차)
	6300계 6330F (2009년 11월 폐차)
	7000계 (2016년도 리뉴얼차는 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어(PMSM 구동)로 개조)
7300계 (현재 순차적으로 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어로 개조 중. 전 7310만 GTO 사이리스터 소자에 의한 VVVF 제어차 (현재는 리뉴얼에 따라 전장 해제 후 중간차가 됨))
한신 전기 철도	3000계 (개조로 설치됨. 전차 폐차)
	8000계
난카이 전기 철도	8200계 (현재는 전차 IGBT 소자의 VVVF 인버터 제어 (6200계 50번대)로 개조되어 형식 소멸)
	9000계 (버니어 제어 병용. 현재 전차 하이브리드 SiC 모듈 소자의 VVVF 인버터 제어로 개조)
도야마 지방 철도	17480형 (전 도큐 8590계)
오미 철도	300형 (전 세이부 3000계)