철도 팬사이트들을 돌아다니며 들은 정보를 바탕으로 씁니다^^ 상당히 머리가 아플수도 있으나 양해해주시길...
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전기철도의 제어방식으로는 크게 세가지가 있습니다. 바로 저항제어, 쵸퍼제어, VVVF인버터제어이지요.
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우선 저항제어에 대해 설명해 드리겠습니다.
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저항제어는, 중학교 2학년때 배우는 '옴의 법칙'만 알면 쉽게 생각할 수 있습니다.
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V(전압)=I(전류)R(저항), I=V/R, R=V/I 이지요.
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즉, 가변 저항기를 사용하여 저항값을 실시간으로 변화시켜 직류전동기를 돌리는 것이지요.
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저항값을 줄이면 전압과 전류가 커지고 저항값을 늘리면 전압과 전류가 작아지는 윈리를 이용한 것이랍니다^^
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실제 저항제어는 저항값 제어 외에도 직병렬 제어와 계자 제어라는 것을 병행하는데요, 직병렬 제어란 모터 2개를 병렬로 연결하면 전체 저항값이 직렬로 연결했을 때의 반으로 줄어든다는 원리를 이용한 것입니다. 이헣게 하면 제어의 폭을 저항기의 2배 이상으로 높을 수 있습니다.
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계자 제어는... 고속력에서 전기적인 저항력을 줄여 속력을 더 높이는 거라고 한다는군요. 그 이상은 모르겠습니다...
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우리나라는 철도공사 1000편성, 그리고 서지공 2호선 일부 차량이 저항제어입니다.
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저항제어의 가장 큰 단점은 에너지 효율성이 엄청나게 떨어진다는 겁니다. 즉, 저항제어는 열이 많이 발생하므로 그게 그냥 버려지는 것이지요. 거기다 지하구간에서는 그 열이 지하에 축적되어 화재의 발생우려도 있습니다. 그리고 에어컨도 없던 시절엔, M카가 T카보다 더 덥다고 알려져 왔습니다.
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이러한 저항제어의 단점을 근본적으로 해결한 게 바로 쵸퍼제어이지요
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쵸퍼제어는 전류를 조정하기 위해 싸이리스터라는 반도체 소자를 사용하여 쵸퍼 스위치를 열었다 닫았다 하는 효과를 냄으로서 전동기 의 회전수를 조정해 주는 제어방식입니다.
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쵸퍼제어는 크게 '싸이리스터 연속위상제어' 와 '여계자첨가제어'로 나뉩니다. 위상제어는 뭐 별로 설명할 것은 없지만, 여계자첨가제어라는 것은 위상제어에 여계자 회로를 첨가하여 제동효율을 상승신 것이라고 보면 됩니다.
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우리나라의 쵸퍼제어 차량(서울 2, 3호선, 부산 1호선)은 싸이리스터 연속위상제어를 사용합니다. 여계자첨가제어를 쓰는 차량은 '바다건너 어느나라'의 205계와 253계이지요.
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쵸퍼제어의 장점은 버려지는 열이 없어져 에너지효율을 극대화시켰고, 회생제동이 가능해짐으로서 저항제어 차량보다 훨씬 부드럽게 정지할 수 있다는 것입니다.
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하지만 이러한 쵸퍼제어에도 근본적 한계는 있으니, 바로 직류전동기 구동이라는 것입니다. 직류전동기는 초기 기동성이 뛰어나고 제어하기 쉽다는 장점으로 인해 오랫동안 전기철도차량에 사용되어 왔으나, 결정적인 단점은 고속주행시 안정성이 떨어지고 정류자와 브러시가 끎임없이 마찰하여 닮기 때문에 보수비용이 엄청많이 깨진다는 겁니다...
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반면 교류전동기는 같은 크기의 직류전동기에 비해 파워가 세고, 정류자가 없어 보수가 간편합니다. 하지만 호랑이 담배피던 시절(?)에는 전자 기술이 딸려서 사용을 못했었죠...-_-;;
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1980년대 말, 반도체 기술이 휙기적으로 발전함에 따라 탄생한 것이 바로 VVVF인버터제어입니다. VVVF는 Variable Voltage Variable Frequency의 약자로 '가변전압가변주파수'라는 뜻입니다. 즉, 전압과 주파수를 실시간으로 변화시켜 3상유도전동기를 구동하는 것이지요.
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VVVF 초창기에 사용되었던 전력소자가 싸이리스터 계열의 GTO였지만, 90년대 중반부터 트랜지스터 계열의 IGBT소자가 사용되기 시작하였습니다. 즉, GTO보다 효휼을 더욱 높일 것이라는 말 밖에는... IGBT에는 2레벨과 3레벨이 있는데, 3레벨이 2레벨보다 구조가 복잡하지만, 에너지 효율이 좋고 결정적으로 소음을 크게 줄였다는 장점이 있답니다. GTO인버터의 소음이 그렇게 심한 이유가 바로 2레벨밖에 사용을 못하기 때문이라는...
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우리나라 최초의 VVVF차량은 바로 4호선에 투입되었습니다. 몰론 그때는 GTO소자를 사용했죠. 이후 1999년 인천 1호선부터 IGBT제어를 사용하기 시작, 현재 철도공사 5x61~66편성, 도철 6호선 전차량, 7 · 8호선 2차도입분 차량, 부산 3호선, 광주, 대전 1호선이 IGBT제어를 사용하고 있습니다.
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도움이 되셨는지요? 출처는 이곳 철동을 비롯한 수많은 철도 팬사이트들...-_-;;;
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PWM(Pulse-Width Modulation)은 펄스변조제어 방식이라 하여 인버터의 최대출력 전압을 늘리고 대신 스위칭을 1/3으로 줄인 인버터 제어방식중 하나입니다. 즉 인버터로 1-2-3 의 스위칭(전기를 흘려주는)을 3번할것을 2번하게 해주게끔 하는 제어방식이라고 보면 되겠습니다.
첫댓글 답변 너무 감사드립니다. 쉽게 너무 이해가 쏙쏙~ 됩니다. ^^ 질문하나만 더 해도 될런지요?? VVVF제어중에서 PVM이라는 것이 있던데... 이건 어떤것인지요..? ^^
한창 관심을 가지고 이것저것 배우고 있는 중이라 모르는것이 너무 많습니다. ^^ 전공이 이쪽도 아니었구요.. ^^
부산 2호선도 IGBT사용합니다.
PWM(Pulse-Width Modulation)은 펄스변조제어 방식이라 하여 인버터의 최대출력 전압을 늘리고 대신 스위칭을 1/3으로 줄인 인버터 제어방식중 하나입니다. 즉 인버터로 1-2-3 의 스위칭(전기를 흘려주는)을 3번할것을 2번하게 해주게끔 하는 제어방식이라고 보면 되겠습니다.
^^ MEITETSU님 답변 감사드립니다. ^^
올해 안에 수도권전철 2호선에서도 VVVF전동차를 볼 수 있지요.
헌데 대구2호선차량은 IGBT가 아니라 GTO라는게 좀..
설마.. 대구2호선.... GTO입니까? (이거... 좀 시대착오적이 아닌가 싶은데...)
부산2호선 GTO라고 압니다. 대구 1호선과 거의 비슷한 시기에, 같은 한진중공업에서 제작되었는데, 아마도 GTO 쓰지 않았을까요?...
부산 2호선은 확실한 GTO(!)입니다. 동영상을 봤는데, 구동음이 7호선 1차도입분과 똑같더군요. 둘 다 GEC제 인버터를 사용했습니다. 대구 2호선은 잘 모르겠습니다^^(만약 IGBT가 아니라 GTO라면 대략 OTL)
대구2호선은 IGBT입니다...(뉴스에서 나오는 구동음 들어봤죠..) 부산2호선은 GTO 맞고요..
TBC 3월 18일 프라임 뉴스에서 구동장면이 나왔죠..구동음도 들을수 있고요 . (VOD볼수가 있죠.. 홈피에 들어가면)
뉴스에 알스톰이 나온거보니까, 아무래도 알스톰제 쓴것이 아닐까 싶네요....
덧 붙여서 말씀 드리면 현대 8200대형은 GTO소자를 사용하고 있습니다. 2x4상한초퍼와 2개이 PWM인버터 그리고 한개의 HEP PWM인버털를 사용하며 정격출력은 5.2MW입니다.
아아... 부산 2호선... GEC계열(따지면 서울 7호선 두짝창문형)의 GTO입니다...
제어방식중에는 일본에서 저항방식과 쵸파제어방식의 호환성을 가지기위해 계자첨가제어방식차량 도 있습니다. 예전 대우중공업에서 도입 개발하려고 한적있습니다.
제어 방식의 차이점은 반도체 소자 개발에 따라 달라지고 있습니다. 거기에 따라 소자의 용량에 따라 달라지기도 하구요. 현재는 IGBT방식이 최신이구 용량에 따라 구동전동기 제어방식에 조금씩 차이가 있구요.
우리나라 최초의 vvvf는 3호선 양재-수서 연장 당시 도입되었습니다. 지금은 4호선에 있지만요..