전동차 견인전동기 컨트롤(제어)방식 및 원리 총 정리

[곽동수]

저항제어:말 그대로 가변저항기와 모터를 전원에 직렬로 연결하여 제어하는 충격 없이 차량을 구동시키는 방식입니다. 옴의 법칙 중 V=IR의 법칙의 원리를 이용한 간단한 제어방식이지요.이것 말고도 직,병렬 제어와 계자 제어가 있습니다.구동음일 경우는 모터소리만 들리며 모터의 제작사 별로 미세한 차이는 있으나 거의 못느낍니다만 제동시 발생되는 전류는 오히려 다시 저항기를 통해 열기로 변화시켜 그대로 방출하기 때문에 전력손실이 엄청날 뿐만 아니라 특히 여름철에는 승객들에게 불쾌지수를 더 증가시키는 요인으로도 작용하게 되죠.

CHOPPER:전압제어방식으로 더 많이 발전되고 여로모로 개선된 점이 많아진 제어방식입니다.

ON/OFF 를 매초 수백회~수천회 정도 고속으로 반복함으로 전압이 변화되는 직류 가변전압 제어인데요.

이 제어방식은 두갈레로 나뉘어집니다.

Direct Thyristor Chopper제어:Thyristor 소자로 직접 ON/OFF 를 매초 수백~수천회 정도 고속으로 반복함과 동시에

점호각을 가변제어하는 이른바 정지형 레오나드제어방식입니다.

계자 Chopper제어:우리나라에서는 흔하지는 않지만 가속시에는 저항에 의한 제어를 하다가 회생제동시에는 Chopper로 변환해서 회생제동만 이뤄지도록 하는 특이한 형식인데요. 이런 경우가 아니어도 여자첨가 계자 제어와

4상한 제어도 있습니다만 이건 저도 잘 모르겠네요.

VVVF INVERTER:(Variable Voltage Variable Frequency -가변전압 가변 주파수 인버터)

일명 3VF라고 불리는 제어방식인데요,

VVVF INVERTER가 처음 도입되기 전까지는 직류 직권 전동기를 사용해 왔습니다.왜냐하면 직류전동기는 제어하기도 쉽고 저속에서도 큰 기동 토오크를 내야하는 철도 차량의 조건에 딱 맞기 때문에 널리 쓰였으나 정류자와 브러시의 접촉을 통해서 회전자에 전류를 공급하여 돌리는 방식인데 이렇게 브러시와의 물리적인 접촉이 끊임없이 계속 될 겅우 다 닳은 브러시와 정류자를 정기적으로 교체해줘야 하는 등 유지보수비용이 많이 들고 구조가 조잡하며 잔고장이 많이 일어나는 편입니다.

하지만 파워 일렉트로닉스 기술의 발달로 VVVF INVERTER 제어가 생겼으므로 철도차량에서도 3상농형유도전동기나 동기전동기를사용할수있게 되었습니다.특히 3상농형 유도전동기와 영구자석식 PMSM 동기전동기는 고정자와 회전자로 구조가 간단한데 고정자 권선에 흐르는 전류에 의한 회전자기장을 회전자가 따라 돌아가기 때문에 물리적인 접촉 및 마찰 부분이 완전히 사라져 유지보수비용과 고장율이 대폭 감소되게 됩니다.

VVVF INVERTER방식에 의한 회전속도제어는 기존 전동기의 전원공급계통과 전동기 사이에 인버터를 포함한 제어장치를 직접 연결하여 사용할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 대상에 따라 많은 양의 전기에너지를 손쉽게 절약할 수 있을 뿐만 아니라 전력소비효율 향상을 도모할 수 있습니다.

유도전동기를 가변속구동하는 경우 전동기의 특성에 따라 변하는 전압 및 전류, 주파수 등을 적절하게 제어하는 것이 필요한데요.

가변속장치의 응용은 어떤 부하에도 가능하나 동력절감과 관련하여 변동폭이 심한 부하,공정설비의 증설에 대처하기 위하여 여유율을 크게 갖고 있는 경우나 과대 설계된 경우 또는 계절적.환경적 변화에 따른 운전조건의 변경이 요구되는 공정에 적합하며 부하변동량을 갖는 저감토크부하에서는 월등히 절감폭이 커지며 고효율 운전이 가능하다는 것이죠.

인버터장치는 전기를 직류에서 3상교류로 변환 시키는 장치를 말합니다.

인버터의 종류 중 VVVF형식을 사용하여 가변으로 전압은 물론 전류와 주파수도 제어하는 방식인데요.(직류 전원 의 경우는 주파수라는 개념 자체가 없죠.)

다시 이 VVVF제어는 인가되는 3상교류의 위상과 주파수를 제어해서 이뤄지는데 이때 쓰이는 가장 중요한 것이 바로 전력 반도체 소자입니다. 이 반도체 소자는 여라가지로 나뉘어지게되죠.

역 도통 Thyristor: 역 도통 Thyristor는 다른 Thyristor과는 다르게 동기전동기를3VF방식으로 제어가 가능하나 스윗칭 주파수가 엄청 낮은 편에 속합니다

우리나라에는 KTX가 유일하게 이 제어방식이 채택되었죠

PTR:(Power Transistor-choppeR(맞나??))우리나라엔 없는 방식입니다만 일본의 JR의 예전전동차에 쓰이는 소자인데요. 파워 트렌지스터를 이용하여 제어하는 방식으로 이 경우 특이하게도 Chopper제어와 병용하는 경우가 거의 대부분입니다만 그것도 이유가 있습니다.왜냐하면 파워 트렌지스터는 대부분이 고속 스윗칭이 불가능 하기 때문이니까요. 그래서 Chopper와 병용하는 것입니다 파워 트렌지스터와 Chopper 제어와 함께 섞여서 역 도통 Thyristor보다 주파수가 더 높고 GTO Thyristor보다 낮은 주파수가 발생합니다. 구동음 또한 보통인 편입니다만 Chopper 방식보다는 음량이 좀 높은 편입니다.

GTO Thyristor:(Gate Turn_Off Thyristor-게이트 턴 오프 사이리스터)

PTR보다는 훨씬 높은 스윗칭 주파수를 지니고 있습니다.

그러나 스윗칭 주파수가 가청주파수대역이 대부분이다 보니 스윗칭 소음이 상당 큰 편입니다.

IGBT:(Insulated Gate Bipolar Transistor-절연 게이트 양극화성 트랜지스터)

GTO Thyristor에비하자면 스윗칭 주파수가 아주 높으며 구동음의 음량도 다소 낮습니다. 더군다나 현제는 파워일렉트로닉스의 발달로 인해 IGBT소자도 다수 배열에 의한 멀티레벨제어방식,소자 자체 제어용량의 대용량화 등을 통해 GTO사이리스터처럼 대용량화가 진행중인데요.

IGBT는각 상(U,V,W)당 배열방식을 어떻게 하느냐(ex;단순배열,2직렬,NPC,다이오드 클램프,플라잉 캐패시터,캐스케이드,H브릿지.등)에 따라 제어 레벨수가 달라집니다.(3Lv부터 멀티레벨이며 H브릿지 방식으로 배열할 경우 최대 25레벨까지 제어가 가능합니다

물론 소자 자체가 스윗칭 성능이 좋아 고유 스윗칭주파수가 아주 높을 경우

2레벨 배열이나 3레벨 배열로도 제어효율의 증가는 몰라도 스윗칭 소음은 상당히 저감

멀티레벨은 Lv 수가 오를수록(물론 3Lv도 멀티레벨에 해당) 소자의 개수도 늘어나고 소자의 개수가 늘어나는 만큼 소자의 배열구조도 복잡하고 제작비가 비싼지는 반면 소음이 아주 적고 제어효율도 아주 높으며 제어용량도 늘어납니다. 그러나 우리나라에는 아직 ,멀티레벨 배열방식의 열차가 아직 없다는것이죠..(3Lv 포함)

단점은 승객들이 듣는 가청주파수대역의 소음은 많이 줄어서 조용해졌고 효율성도 높아졌지만 대신 고속주행시 고주파 대역의 소음 때문에 전동차의 주변기기 등의 운용에 약간의 장애를 받을 수 있다는 것이죠.

MCT:(Mos gate Controlled Thyrisor-모스식 게이트 제어성 사이리스터)

최근에 개발된 소자로써 GTO와 IGBT소자에 비해 매우 높은 주파수와 턴 오프 전류이득을 얻을수 있습니다 높은 턴 오프 전류이득을 얻는다는것은 그만큼 효율성이 매우 높다는 뜻이죠.즉 모터를 기동 시키는데 적은 입력 전류으로도 꽤 큰 출력을 낼수있다는 이상적인건데요.

아직MCT소자가 장착된 열차는 아직 전 세계에도 없다는거죠 하지만 이 MCT소자가 철도차량 인버터장치용 으로도 개발이 완료된다면 앞으로 철도챠량계에서도 차세대 인버터장치의 반도체소자로 각광받게 될것입니다.

IGCT:(Integrated Gate Commutated Thyristor-집적 게이트 정류성 사이리스터)

MCT보다도 가장 최근에 개발된것입니다.이 반도체소자의 특성은 대용량화에 매우 용이한 특성이 있으며 GTO에 비해 스윗칭주파수가 높고 적고 효율성도 매우 높으며 HSR350X 가 이에 속하게 되죠.

[배송학]

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