계자첨가 여자제어
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목차
1. 개요
계자첨가 여자제어는 1980년대 일본국유철도(현 JR)가 개발한 전동차 속도 제어 방식으로, 저항 제어와 직병렬 조합 제어를 기본으로 하면서 계자 제어에 새로운 기술을 도입하여 저렴한 비용으로 전력 회생 제동을 구현한 것이 특징이다. 이 방식은 직권 전동기를 사용하면서 회생 제동을 가능하게 하여 비용, 보수, 안정성 문제를 해결했으며, 일본국철 205계 전동차에 처음 탑재된 이후 널리 사용되었다. 전기자 초퍼 제어에 비해 장치가 소형이고, 직권 전동기를 사용하여 보수가 용이하며, 저항제어 차량의 부품을 활용하여 저렴하게 개조할 수 있다는 장점이 있다. 단점으로는 기동 시 충격이 있고, 회생 제동의 효용 범위가 좁으며, 직류 전동기 사용으로 브러시 보수가 필요하다는 점이 있다.
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| 계자첨가 여자제어 |
|---|
2. 역사적 배경
1970년대 유류 파동으로 인해 에너지 절약형 전동차 개발의 필요성이 커졌다. 기존의 저항제어 전동차는 가속 시 저항기에서 열 손실이 발생하고, 제동 시 운동 에너지를 열로 버리는 비효율적인 방식이었다.
일본국유철도(현 JR 그룹)는 1979년 전기자 초퍼 제어 방식의 201계 전동차를 개발하여 회생제동을 실용화했지만, 당시 전력 전자공학 기술 부족으로 제어 회로가 비싸 널리 보급되지 못했다. 한편, 사철(민간 철도)에서는 전기자 초퍼 제어 대신 계자 위상제어와 계자 초퍼 제어가 개발되었으나, 복권전동기를 사용해야 했기에 유지보수에 어려움이 있었다.[1]
2. 1. 개발 배경
1970년대 유류 파동으로 에너지 절약형 전동차 개발 필요성이 커졌다. 기존 저항제어 전동차는 가속 시 저항기에서 열 손실이 발생하고, 제동 시 운동 에너지를 열로 버리는 비효율적인 방식이었다.일본국유철도(현 JR 그룹)는 1979년 전기자 초퍼 제어 방식의 201계 전동차를 개발하여 회생제동을 실용화했지만, 당시 전력 전자공학 기술 부족으로 제어 회로가 비싸 널리 보급되지 못했다.
사철(민간 철도)에서는 전기자 초퍼 제어 대신 계자 위상제어와 계자 초퍼 제어가 개발되었으나, 복권전동기를 사용해야 했기에 유지보수에 어려움이 있었다.[1]
2. 2. 계자첨가 여자제어의 등장
1980년대에 일본국유철도(현 JR)는 저항제어, 직병렬 조합 제어를 기본으로 하면서도, 계자 제어에 새로운 기술을 도입하여 저렴한 비용으로 회생제동을 구현하는 '''계자첨가 여자제어'''를 개발했다.[2] 이 방식은 구조가 단순하고 신뢰성이 높은 직권전동기를 사용할 수 있다는 장점을 가졌다.계자첨가 여자제어는 계자 초퍼 제어와 비슷한 성능을 목표로 하면서도, 구조가 단순하고 견고한 직권 전동기를 사용할 수 있다는 장점이 있었다. 당초 211계 전동차용으로 개발되었으나, 205계 전동차에 처음으로 탑재되었다.[2] 이후 일본국철 말기부터 JR 초기에 걸쳐 새로 제조되는 전동차에 널리 이용되었으며, 사철에서도 일부 채택되었다.
계자첨가 여자제어 방식의 성능을 확인하기 위해 국철 스이타 공장에서 폐차 예정이었던 101계 전동차에 이 제어 장치와 DM106형 브러시리스 전동 발전기를 설치하고, 113계와 동일한 주전동기와 구동 장치(기어비 82:17 = 4.82)로 교체하는 시험이 이루어졌다.[3][4][5] 1984년 3월에는 도카이도 본선 오사카-야스 구간에서 3일간 주행 시험이 실시되었으며,[3][4][5] 3월 24일에는 산요 본선을 포함한 당시 쾌속 운행 시간표에 맞출 수 있는지 확인하는 운전 시험도 실시되었다.[5]
시험 결과, 계자첨가 여자제어 방식의 성능과 실용화 가능성이 확인되었다.[3][4]
3. 제어 방식의 특징
1980년대에 일본국유철도(현 JR)가 개발한 계자첨가 여자제어는 다음과 같은 특징을 갖는다.[2]
- 전압 제어: 기존의 저항제어, 직병렬 조합 제어를 기본으로 한다.
- 계자 제어: 새로운 기술을 도입하여 저비용으로 전력 회생 제동을 구현한다.
- 주 전동기: 구조가 단순하고 견고한 직권전동기를 사용한다.
계자 초퍼 제어와 유사한 가성비를 추구하면서, 구조가 단순하고 견고한 직권 전동기의 사용을 가능하게 했다는 점이 이 방식의 장점이다. 당시 차세대 근교형 차량(211계 전동차)용으로 개발되어, 205계 전동차에 처음 탑재된 이후 일본국철 말기부터 JR 초기에 걸쳐 새로 제조하는 전동차에 이용되었으며 사철에서도 일부 채택되었다.
계자 위상 제어는 유도 코일을 사용하지 않고 직접 역극성의 직류 전압을 3상 교류의 위상 제어 정류로 발생시켜 탭에서 인가하는 것이다.
- 가속 시에는 약계자 제어를 수행한다.
- 감속 시에는 외부 전원에 의해 계자 권선 전류를 제어하여 계자를 강화하고, 실질적인 분권 특성으로 전기자의 역기전력을 크게 하여 회생 제동을 수행한다.
3상 교류의 보조 전원이 필요하지만, 위상 제어용 반도체 소자는 소용량으로도 충분하며, 직권 전동기를 사용할 수 있어 과도 특성이 좋다.
계자 제어의 비교 등은 전기차 속도 제어#계자 제어 적용을 참조하십시오.
3. 1. 기본 원리
1980년대에 일본국철(현 JR)이 개발한 계자첨가 여자제어는 다음과 같은 기본 원리를 갖는다.[2]- 전압 제어: 기존의 저항제어, 직병렬 조합 제어를 기본으로 한다.
- 계자 제어: 새로운 기술을 도입하여 저비용으로 전력 회생 제동을 구현한다.
- 주 전동기: 구조가 단순하고 견고한 직권전동기를 사용한다.
계자 초퍼 제어와 유사한 가성비를 추구하면서, 구조가 단순하고 견고한 직권 전동기의 사용을 가능하게 했다는 점이 이 방식의 장점이다.
| 제어 방식 | 전기자 초퍼 제어 | 계자 초퍼 제어 | 계자 위상 제어 | 계자 첨가 여자 제어 |
|---|---|---|---|---|
| 전동기 | 직권 전동기 | 복권 전동기 | 직권 전동기 | |
| 전압 제어 | 초퍼 제어 | 저항 제어・직병렬 조합 제어 | ||
| 계자 제어 회생 제동 | 약계자 제어 전기자 초퍼 | 분권 계자의 초퍼 제어 | 분권 계자의 위상 제어 | 계자의 위상 제어 |
- 역행 시에는 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 꺼진 상태이며, 전동기에 흐르는 주 회로 전류는 바이패스 다이오드를 거쳐 저항기에 흐르면서 저항 제어 및 직병렬 제어로 가속한다.
- 그 후, 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 켜진 상태가 되어 유도 코일을 연결하고, 외부 3상 교류(전동 발전기나 정지형 전원 장치)를 전원으로 한 첨가 여자 제어에 의한 위상 제어로 정류·제어된 직류 전압에 의한 전류로 유도 분로에 흐르는 주 회로 전류와 반대 방향의 전류를 흘려 전동기의 계자를 약하게 하여, 그로 인해 전동기의 전기자에서 역기전력의 크기를 변화시켜 속도 제어를 수행한다.
- 감속 시에는 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 켜진 상태가 되어 첨가 여자 제어로 정류·제어된 직류 전압에 의한 반대 방향의 전류가 유도 분로와 전동기의 계자를 거쳐 흐르며, 그로 인해 전동기의 전기자에서 역기전력의 크기를 변화시켜 회생 제동을 수행한다. 유도 코일은 주 전동기의 정류자에 의해 발생하는 과도 전류로부터 기기를 보호하기 위한 코일로, 분로 전류를 평활화하는 역할을 한다(유도 코일과 제어기에 표기되는 경우가 있다).
3. 2. 작동 방식
- 역행 시에는 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 꺼진 상태이며, 전동기에 흐르는 주 회로 전류는 바이패스 다이오드를 거쳐 저항기에 흐르면서 저항 제어 및 직병렬 제어로 가속한다.
- 그 후, 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 켜진 상태가 되어 유도 코일을 연결하고, 외부 3상 교류(전동 발전기나 정지형 전원 장치)를 전원으로 한 첨가 여자 제어에 의한 위상 제어로 정류·제어된 직류 전압에 의한 전류로 유도 분로에 흐르는 주 회로 전류와 반대 방향의 전류를 흘려 전동기의 계자를 약하게 하여, 전동기의 전기자에서 역기전력의 크기를 변화시켜 속도 제어를 수행한다.
- 감속 시에는 유도 분로에 있는 계자 접촉기가 켜진 상태가 되어 첨가 여자 제어로 정류·제어된 직류 전압에 의한 반대 방향의 전류가 유도 분로와 전동기의 계자를 거쳐 흐르며, 전동기의 전기자에서 역기전력의 크기를 변화시켜 회생 제동을 수행한다. 유도 코일은 주 전동기의 정류자에 의해 발생하는 과도 전류로부터 기기를 보호하기 위한 코일로, 분로 전류를 평활화하는 역할을 한다(유도 코일과 제어기에 표기되는 경우가 있다).
3. 3. 다른 제어 방식과의 비교
회생제동전기자 초퍼
초퍼 제어
위상 제어