전기자 초퍼 제어
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1. 개요
전기자 초퍼 제어는 직류 전동기의 속도 제어 방식으로, 반도체 소자를 사용하여 전압을 껐다 켜는 방식으로 전압을 조절한다. 회생 제동, 무단계 제어, 유지 보수 감소, 에너지 손실 감소 등의 장점이 있지만, 장치 가격이 비싸고 직류 전동기 사용으로 브러시와 정류자 교체가 필요하다는 단점도 있다. 1960년대에 개발되어 1980년대까지 철도 차량에 널리 사용되었으나, 1990년대 이후 VVVF 인버터 제어의 등장으로 점차 쇠퇴했다. 대한민국에서는 1983년 서울 지하철 2호선, 1984년 부산 지하철 1호선에 도입되었으며, 현재는 일부 차량에서만 운행되고 있다. 고주파 분권 초퍼 제어는 전기자 초퍼 제어와 계자 초퍼 제어를 조합한 방식으로, 4상한 초퍼 제어라고도 불리며, GTO 사이리스터를 사용하여 소형화 및 성능을 향상시켰다.
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| 전기자 초퍼 제어 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 전기자 초퍼 제어 |
| 로마자 표기 | Jeon'gija Chopeo Je-eo |
| 영문 명칭 | Armature chopper control |
| 원리 | |
| 기본 원리 | 전기자 회로에 초퍼를 삽입하여 전기자 전압을 가변시켜 직류 전동기의 속도를 제어하는 방식 |
| 제어 방식 | 초퍼의 듀티비를 조절하여 전압을 가변적으로 제어 |
| 속도 제어 방식 | 직류 전동기의 속도는 전기자 전압에 비례한다는 원리 이용 |
| 특징 | |
| 장점 | 기존의 저항 제어 방식에 비해 효율이 높음 부드러운 속도 제어가 가능 에너지 절감 효과 |
| 단점 | 제어 회로가 복잡함 고주파 스위칭으로 인한 노이즈 발생 가능성 |
| 응용 분야 | 전동차, 전기자동차 등의 구동 제어 산업용 직류 전동기 제어 전기 철도 차량의 구동 제어 |
| 기술적 상세 | |
| 초퍼 회로 | 반도체 스위칭 소자 (트랜지스터, 사이리스터 등)를 사용 스위칭 주파수와 듀티비를 조절하여 전압 제어 |
| 제어 시스템 | 피드백 제어 방식을 사용하여 안정적인 속도 제어 구현 다양한 제어 알고리즘 적용 가능 |
| 효율성 | 기존의 저항 제어 방식에 비해 전력 손실이 적어 효율이 높음 |
| 역사 및 발전 | |
| 초기 기술 | 사이리스터를 이용한 초퍼 제어 방식이 개발됨 |
| 발전 과정 | 트랜지스터를 이용한 초퍼 제어 방식 개발 제어 기술의 발전으로 더 정밀하고 효율적인 제어 가능 |
| 현재 기술 | IGBT, MOSFET 등 고성능 반도체 소자를 사용 디지털 제어 기술을 적용하여 성능 향상 |
2. 특징
전기자 초퍼 제어는 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 회생 제동: 중저속 영역에서 안정적으로 회생 제동을 할 수 있어 에너지 소비를 줄인다. 발전 제동용 저항기가 필요 없어 차량을 가볍게 만들 수 있다. 다만, 고속에서는 승압 초퍼 회로 특성상 사용이 제한된다.[66][1]
- 점착 성능: 저항 제어와 달리 무단계 제어가 가능하여 점착 성능이 좋아진다. 이는 같은 가속 성능에서 동력차 비율(MT비)을 낮출 수 있게 한다.[66][1]
- 유지 보수: 반도체 소자를 사용하여 기계적 접점이 없어 보수 작업이 간편하다. 무정류자 전동기와 함께 쓰면 주전동기 유지보수도 필요 없다.[2]
- 에너지 손실: 저항 제어에 비해 기동 시 전력 손실이 적다. 그러나 기동 빈도가 적은 우등 열차에서는 이 장점이 크지 않다.[2]
- 장치 가격: 초기에는 반도체 기술이 발달하지 않아 장치가 매우 비쌌다. 1982년 국철 201계 전차 초퍼 제어 차량은 국철 103계 전차보다 약 1.5배 비쌌다.[3]
- 주행음: 가감속 시 특유의 "푸" 소리가 나는데, 이는 전원을 고속으로 켜고 끌 때 생기는 자왜 진동음이다. A4 음은 약 440Hz로 제어하는 것이다.[66]
- 브러시 및 정류자: 직류 전동기를 사용하므로 브러시와 정류자 교체가 필요하다.[66]
2. 1. 회생 제동의 실현
중속 영역에서부터 저속 영역까지 안정된 회생 제동이 가능하며, 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다. 또한, 발전 제동용 저항기를 탑재하지 않아도 되므로 차량의 경량화가 가능하다. 회로는 승압 초퍼를 구성하고 있기 때문에 고속에서는 사용이 제한되며, 전류를 조절하여 회생 전압을 낮추거나, 직렬로 저항기를 삽입하여 전압 강하를 이용하는 방식이 사용된다.[66][1]2. 2. 점착 성능의 향상
저항 제어 방식과 달리 무단계 제어가 가능하므로 점착 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 동일한 가속 성능이라면 동력차 비율(MT비)을 낮출 수 있어 경제적이다.[66][1]2. 3. 유지 보수 감소
반도체 소자를 사용한 제어 방식이므로, 저항 제어에 사용되는 제어기와 같은 기계적인 슬라이딩 부분이나 접점이 없어 보수 작업이 용이하다. 무정류자 전동기와 조합하면, 주전동기의 유지보수 프리화(free化)도 동시에 달성할 수 있다.[2]2. 4. 에너지 손실 저감
저항 제어의 경우 특히 기동 시 전력 손실이 발생하지만, 전기자 초퍼 제어 방식에서는 전력 손실을 저감할 수 있다. 따라서, 기동 빈도가 적은 우등 열차 운용에서는 상대적으로 그 이점이 작아진다.[2]2. 5. 장치 가격
이 방식은 초기에는 매우 비쌌다. 이 방식이 주로 사용된 1970년대 초부터 1980년대 후반까지는 철도 차량처럼 큰 전력을 제어할 수 있는 반도체 소자가 충분히 발달하지 않았고, 가격도 매우 높았다.[3] 예를 들어 1982년 당시 국철 201계 전차의 초퍼 제어 장치 부착 차량 가격은 국철 103계 전차 모하 103형의 98590000JPY에 비해 약 1.5배인 140850000JPY이었다.[3]2. 6. 주행음
가속·감속 시에는 일정한 주파수로 "푸"하는 특징적인 소리가 난다. 이것은 고속으로 전원을 넣었다 껐다 할 때 발생하는 자왜 현상에 의한 진동음이다. 예를 들어, A4, "라"의 소리가 나는 차량에서는, 약 440 Hz로 전원 직류 전압을 세밀하게 넣었다 껐다 하고 있다.[66]2. 7. 브러시 및 정류자 교체 필요
저항 제어와 마찬가지로 직류 전동기를 사용하므로 브러시와 정류자 교체가 필요하다.[66]3. 역사
초창기 전기자 초퍼 제어 기술은 일본에서 지하철 터널 내부 온도 상승 문제를 해결하기 위해 적극적으로 도입되었다. 1968년 도쿄 지하철 6000계 전동차가 세계 최초로 회생제동 기능을 갖춘 초퍼 제어 방식을 도입하면서, 터널 내 온도 상승 억제와 에너지 절약을 동시에 달성할 수 있게 되었다.[67]
1973년 석유 파동 이후 에너지 절약의 중요성이 부각되면서, 일본국유철도(현 JR) 등 다른 철도 사업자들도 초퍼 제어 방식을 채택하기 시작했다. 한국에서는 1983년에 2000호대 MELCO 전동차가 처음으로 도입되었고, 이후 2000호대 GEC 전동차, 3000호대 초퍼제어 전동차, 부산교통공사 1000호대 전동차 등에도 적용되었다.[67]
1990년대 이후 VVVF 인버터 제어 방식이 안정화되면서, 전기자 초퍼 제어 방식은 점차 쇠퇴하게 되었다. VVVF 인버터 제어는 유지보수 비용이 적게 들고 운용 효율이 높아 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.[67]
3. 1. 개발 초기 (1960년대)
1963년에 독일의 지멘스에 의해 세계 최초로 초퍼 제어를 탑재한 축전지 기관차가, 1965년에는 가선식 초퍼 제어 기관차가 각각 완성되었다.[67]이 제어 장치는 취급하는 출력의 크기에 비해 발열이 적다는 점에서, 지하 터널 내에서 차량 저항기에서 발생하는 배열에 의한 온도 상승으로 골머리를 앓던 일본에서는, 제도고속도교통영단(현재의 도쿄 메트로)이 1960년대부터 적극적으로 시험을 실시하고 있었다.
1965년 9월 6일부터 14일까지, 오기쿠보선 분기선(현재 마루노우치선 호난초 지선)에서 미쓰비시전기 제작 초퍼 제어 장치를 2000형[5](2량 편성·2121호)에 차상 설치[6]하여 직류 600V에서 시험이 실시되었고[7][8], 이것이 일본 국내 최초의 실차 시험으로 여겨진다.[9] 초퍼 제어 장치는 간이한 바락 세트를 조합한 것으로, 55kW 주전동기 2대를 초퍼 제어하는 것(발전 브레이크 사용)으로서, 기본적인 초퍼 제어의 동작 확인이 실시되었다.[8][9] 주행·발전 브레이크 동작 모두 양호한 동작이 확인되었지만, 동시에 유도 장애가 발생하는 것이 판명되어, 대책의 필요성이 확인되었다.[8]
직류 600V하에서의 시험에 성공한 것으로부터, 직류 1,500V하에서의 시험과 유도 장애 확인을 위해, 히비야선에서 3000계(6량 편성·3035호)에 75kW 주전동기 4대를 제어하는 초퍼 제어 장치(바락 세트)를 차상 설치로 탑재하였다.[8][10] 시험은 1966년 4월부터 5월에 걸쳐 실시되어, 미쓰비시 전기 외에 히타치 제작 기기를 사용한 것으로, 직류 1,500V하에서도 안정적으로 초퍼 제어가 동작하는 것이 확인되었다.[8][11] 오기쿠보선에서의 시험의 교훈에서 리액터와 콘덴서에 의한 필터 회로(LC 필터)가 설치되었다.[10][9]
시험에 새롭게 참가한 히타치에서, 초퍼 제어에 의한 회생 제동의 가능성에 대해 제안되었다.[9] 최초의 초퍼 제어의 주목적은, 주제어기의 대폭적인 절약과 지하철 특유의 터널 내 온도 상승 대책이 목적이며, 당시 회생 제동은 발전 브레이크에 비해 불안정하다고 생각되었던 것으로부터 시험 목적에는 들어가 있지 않았다.[12] 이후, 영단 지하철은 건설 중인 제9호선(치요다선)용 신차에 초퍼 제어를 채용하는 것을 결정하고, 6000계의 개발로 이어진다.[8]
한신 전기 철도에서도 초퍼 제어의 시험이 실시되어, 1966년 6월에 니시오사카선(현·한신 난바선)에서 7801·7901형을 사용하여 주행 시험이 실시되고 있다[37]. 장치는 전술의 영단 지하철 히비야선 3000계에서 사용한 발전 브레이크 부착의 것을 사용했다[13]. 계속해서 도쿄 시바우라 전기(현·도시바)가 1968년 6월 28일 - 7월 5일의 심야 종전 후에 5261형(4량 편성)에 초퍼 제어 장치를 차상 설치하여, 본선아마가사키 - 모토마치 간과 니시오사카선 아마가사키 - 니시쿠조 간에서 주행 시험이 실시되었다[14].
1968년, 세계 최초로 이 방식에 회생제동 기능을 부가한 도쿄 지하철 6000계 전동차가 데뷔한다. 도입의 주 목적은 잇따른 증발이나 지하수량의 저하 등으로 상승하고 있던 터널 내 온도를 감안하여, 저항기의 발열을 억제하기 위한 것이었다.
1965년에 시작된 쵸퍼 제어 개발 시험부터 각 회사에서 실시한 쵸퍼 제어 실용화 시험은 다음과 같다.[32][33]
| 시험 개시 년월 | 철도 사업자 | 시험 노선 | 차량 형식 | 제작소 | 합성 주파수 | 상수 | 사이리스터 정격 용량 | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1965년 9월 | 영단 2000형 | 오기쿠보 선 | 2000형 | 미쓰비시 전기 | 0 - 200Hz | 1상 | 500V - 70A | 일본 국내 최초의 쵸퍼 제어 현차 시험. 발전 브레이크 사용 |
| 1966년 4월 | 영단 3000계 | 히비야선 | 3000계 | 미쓰비시 전기 히타치 제작소 | 0 - 80Hz 30 - 120Hz | 1상 | 1,000V - 250A | 발전 브레이크 사용 |
| 1966년 6월 | 한신 7801·7901형 | 니시오사카선 | 7801·7901형 | 미쓰비시 전기 | 0 - 38Hz | 1상 | 1,000V - 250A | 상기 영단 3000계용을 재이용. 발전 브레이크 사용 |
| 1967년 3월 | 국철 101계 | 요코스카선 | 101계 | 도쿄 시바우라 전기 | 100Hz | 1상 | 1,250V - 250A | |
| 1967년 4월 | 도쿄도 교통국 5000형 | 1호선 | 5000형 | 도요 전기 제조 | 30 - 1100Hz | 2상 | 1,100V - 150A | 일본 국내 최초의 쵸퍼 제어에 의한 회생 브레이크 시험에 성공 |
| 1968년 4월 | 영단 6000계 1차 시제차 | 도자이선 | 6000계 1차 시제차 | 미쓰비시 전기 히타치 제작소 | 800Hz 170Hz/240Hz | 2상 이중 2군 2상 이중 | 1,200V - 250A 1,200V - 400A | |
| 1968년 6월 | 한신 5261형 | 본선·니시오사카선 | 5261형 | 도쿄 시바우라 전기 | 110Hz | 2상 이중 | 1,200V - 250A | 주행만 |
| 1969년 6월 | 영단 6000계 2차 시제차 | 도자이선 | 6000계 2차 시제차 | 미쓰비시 전기 히타치 제작소 | 660Hz | 3상 삼중 | 1,300V - 400A 1,200V - 400A | |
| 1969년 8월 | 삿포로시 교통국 제4차 시험차 「스즈카케」 | 삿포로 시험선 | 제4차 시험차 「스즈카케」 | 후지전기제조 | 400Hz | 2상 이중 | 1,300V - 400A | |
3. 2. 일본 내 시험 (1960년대 후반 ~ 1970년대)
정격 용량1차 시제차
히타치제작소
170Hz/240Hz
2상 이중
1,200V - 400A
2차 시제차
히타치제작소
1,200V - 400A
「스즈카케」
히타치제작소
2상 이중
R1,200V - 400A
(협력: 히타치제작소)
히타치제작소
