16. 저항제어, 초퍼제어, 인버터제어 (출처: 철도동호회 Best FAQ)

전준표님께서 올린 답변을 올려 봤습니다. 쉽게 말해서 초퍼, 저항, VVVF는 견인전동기의 속도와 토크를 제어하는 방법을 두고 말하는 것입니다. 또한 이넘들의 정확한 작용 및 원리를 이해하기 위해서는 전기와 전자에 대한 기본적인 지식을 습득하신 후에야 가능할 것으로 보입니다. 또한 인또넷또 상에 많은 사진과 그림, 기초 전기, 전자 분야에 대한 정보들이 수두룩하니 이런 넘들을 이용하시면 좀더 이해가 쉬울 것으로 생각됩니다. 최초의 전동차에는 초기 기동력이 크고 견인력이 우수할 뿐만 아니라 비교적 적은 소자로도 속도제어가 용이한 직류직권전동기가 사용되었는데, 직류직권전동기의 회전수는 전동기에 공급되는 전압과, 자기장을 만들어 내는 계자(코일)에 공급되는 전류, 그리고 계자(코일) 권선에 흐르는 역기전력을 조절하는 방법으로 제어할 수 있습니다. 저항차의 경우 직류 구간에서는 DC가 그대로 사용되며 AC구간에서는 변압기에서 일단 AC 1850V로 강압후 정류기를 통해 직류 1500V로 변환시켜 전동기에 전력을 공급하도록 되어 있습니다. 초기 기동상태에서는 M카와 M'카에 있는 8개의 전동기를 직렬로 연결시킨 다음에 순차적으로 주저항을 단락시켜 회로에 흐르는 전류을 점차 증가시킵니다. 결국 전 주저항이 모두 단락되면 더이상 속도가 상승하지 못하게 되는데, 이럴때 전동기의 결선을 4대씩 병렬로 접속시켜 전동기에 공급되는 전압 2배 상승시켜 줍니다. 그러면서 앞에서 말씀드린 것과 마찬가지로 다시 전 저항을 투입했다가 하나씩 단락시켜 전류를 증가시킵니다. 그런데 열차의 속도가 증가함에 따라 견인전동기 전기자(전동자)에는 역기전력이 발생하는데, 이 역기전력이라 함은 발전제동과 마찬가지로 전동기가 발전기화되어 발생하는 기존 전류의 방향과는 반대 방향으로 흐르는 일종의 저항성 전류입니다. 따라서 주저항기의 순차적인 단락, 주전동기의 직병렬 접속을 끝낸 후에 그 이상의 속도를 상승시키기 위해서는 이 역기전력을 줄여 주어야만 합니다. 이 역기전력을 줄이는 방법이 약계자 제어인데, 전동기 계자 코일에 동기 계자 코일에 (정확히 말해 약계자 리엑터) 약계자 회로(일명 분로계자법)를 병렬 접속시켜 전기자(전동자) 전류를 증가시켜 최종적으로 속도를 상승시키게 됩니다. 이렇게 전동기의 결선을 직렬 또는 병렬로 접속하여 전동기에 걸리는 전압을 변화시키는 것을 직병렬제어라 하며, 주저항기를 순차적으로 단락시켜 전류를 제어하는 것을 저항제어, 그리고 마지막으로 역기전력을 줄이고자 약계자 회로를 구성하여 속도를 상승시키는 것을 약계자제어라고 합니다. 그리고 이 세가지의 방법을 통털어 흔히 저항제어라고 합니다. 따라서 우리가 말하는 저항제어란 말은 이 세가지 개념을 내포했다고 할 수 있습니다. 그리구 초퍼 제어 또한 저항제어와 마찬가지로 직류전동기를 제어하는 방법으로서 사이리스터라는 반도체 전력소자를 사용하여 빠른 속도로 전류와 전압을 빠른 속도로 ON/OFF(스위칭)하여 0에서부터 전차선 공급 전압범위 내의 전압을 연속적으로 제어하는 것입니다. 쉽게 설명하자면 직류 1500V를 1Sec 동안 0.1sec간격으로 스위칭하는 것과 1sec동안 0.5sec간격으로 스위칭 하는 것을 비교하면 0.1sec간격으로 스위칭한 전압의 평균전압 더 큼을 알 수 있습니다. 그만큼 자주 스위칭을 함으로써 필요한 전압의 범위를 가변시켜 스위칭된 평균전압을 이용하는 것입니다. 또한 주저항기를 사용하지 않음에 따라 전력 손실이 감소하고 직류 전동기를 사용하면서도 회생제동이 가능하다는 잇점 때문에 저항제어차 이후에 많이 실용화 되어 저항제어와 VVVF인버터 제어의 과도기적인 역할을 담당했습니다. 마지막으로 VVVF인버터는 최신예 기술로서 교류 전동기인 유도 전동기를 구동시키는데 필요한 가변장치인데, 잘 아시겠지만 유도 전동기는 전동기에 공급되는 주파수와 전압에 따라 속도를 제어할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 그런데 유도 전동기란 넘은 직류전동기와는 달리 전동기를 구성하는 부러시와 정류자가 없어, 보수와 검수가 용이할 뿐만 아니라 직류 전동기보다는 대부분이 고출력의 전동기들이라 최근에 많이 사용되고 있습니다. 암튼 VVVF인버터는 GTO, IGBT 같은 전력소자들을 사용하여. 전차선에서 직류 DC 1500V, 혹은 AC 25,000V를 수전받아 변압기를 거쳐 전압 강하 후 전동차의 PWM Inverter에서 GTO나, IGBT같은 전력소자들의 고속도 스위칭(ON/OFF동작)작용을 통해 전류의 성질과 전압, 그리고 주파수를 가변시킵니다. VVVF인버터에는 다시 Converter부와 Inverter부의 두 부분으로 나뉘어 집니다. Converter부에서는 Diode와 Condenser로 정류작용 및 맥류를 평활하게 하여 일정한 직류전압을 얻는 작용을 하며 Inverter부에서는 GTO나 IGBT같은 전력(반도체)소자들이 내장되어 이들이 앞서 정류된 직류를 Switching Pulse 폭을 제어하면서 출력측에서 나오는 AC의 주파수와 전압(0~DC가선 전압범위)을 가변시켜 전동기에 공급하여 전동기를 구동시킵니다. 결국 교직 양용차의 경우 AC25KV의 전압을 수전받을 경우엔 일단 변압기를 거쳐 전압 강하 후 Converter부에서 일단 직류로 변환시키고 Inverter부에서 다시 교류로 변화 시켜 교류 유도 전동기에 알맞은 전압과 주파수를 공급하게 됩니다. 하지만 직류 구간에서는 전차선의 DC1.5KV 그대로를 Inverter부에서 교류로 변환시키겠죠. 최근엔 GTO같은 비교적 고용량, 저효율의 전력소자들에서 최근 고용량, 고캐리어 주파수의 IGBT같은 저소음, 고효율 전력소자들이 개발되어 GTO를 대체하고 있습니다.