철도차량 전기제동

철도차량에서 전기제동장치는 초기에는 기계제동장치의 보조제동 수단으로 하구배의 억속 운전 시에 사용되어 왔으나 기술의 발전으로 전속도 대역에서 주요 제동력을 유지하게 되었으며, 수용제동 또는 공기제동은 차륜 및 브레이크 슈의 마멸이 크므로, 전기차량에 있어 견인전동기를 발전기로 전환하여 열차의 운동에너지를 전기적으로 에너지로 바꾸어 이것을 저항기에서 열로 소비시키거나 전기를 전차선으로 회귀시켜 제동을 이루는 방법으로 이런 제동을 전기제동이라 하며, 저항제동과 회생제동이 있다. 저항제동은 국내 일부의 전동차 및 동력차에 사용하고 있으며, 회생제동은 과천선 전동차가 VVVF 인버터 제어차량 도입 후에 지속적으로 채용되었고, KTX 고속열차는 저항제동과 회생제동이 동시에 채용되어 운행되고 있으며, 최근 도입되는 차량은 회생제동만을 채택하고 있다.

 

전동차는 공기제동을 주체로 전자직통 제동을 병용하고, 부수차, 제어차는 전자직통제동, 차량의 하중에 따라 자동적으로 제동력을 가감하여, 감속도를 항상 동일하도록 하는 제동력 조정 장치와 전기제동의 효과가 없어지면 직통제동으로 전환한다.

전기제동은 고속에서는 공기제동보다 제동력이 크고, 또한 공주시분도 단축되며, 차륜고장 방지에 도움이 되지만, 주전동기나 주저항기의 용량 증가, 전기회로나 구조가 복잡하고, 저속도는 제동력이 극히 낮아지는 단점이 있지만 최근에는 5km/h 이하까지 감속제어가 가능한 차세대 전동차(누리로, 간선형전동차등)가 개발되어 운행 중이다.

 

 

□ 전기제동의 원리

자동차를 타고 급한 내리막길을 내려갈 때 흔히 엔진브레이크를 사용한다. 평소에는 엔진의 회전력이 바퀴를 회전시켜 자동차가 전진하게 되지만 내리막길에서 엔진의 회전 속도를 바퀴의 회전속도보다 낮게 줄여주면 오히려 엔진이 바퀴의 회전을 방해하여 브레이크를 잡아주는 것이다.

전기철도 차량에서는 자동차의 엔진대신 전동기가 이 역학을 하지만 원리는 마찬가지다. 평소에 바퀴를 회전시켜 주던 주전동기는 회로를 약간만 변경시키면 발전기로 변한다. 이때 지금까지 회전하던 방향과 반대방향으로 회전하려는 힘, 즉 제동력이 생기는데 이 원리를 이용하면 기계적 제동장치의 최대 약점인 부품의 마모나 마찰면의 발열 등이 나타나지 않는 전기제동이 가능하다.

 

발전제동의 원리

 

전기제동의 원리를 설명이 쉽도록 위의 그림처럼 직류전동기의 예를 들어 설명하면 차량이 달리고 있을 때는 차단기가 ON되어 있어 전동기의 고정자와 회전자에 전류가 흐르고 플레밍의 왼손법칙에 의하여 시계방향으로 회전하여 차륜을 돌려 열차가 진행한다. 브레이크를 잡으면 차단기가 OFF되고 회전자가 반대로 접속되어 폐회로가 구성되므로 전동기는 발전기의 역할을 하게 되는데 이때 자속과 힘의 방향을 알기 때문에 플레밍의 오른손법칙에 의해 발전되는 전류의 방향을 구해보면 전동기 때 흐르는 전류의 방향과는 반대임을 알 수 있다. 여기서 다시 전류, 자속의 방향을 이용하여 플레밍의 왼손법칙으로 힘의 작용방향을 구해보면 시계반대방향으로 작용한다. 즉 전동기 역할을 할 때의 회전자 회전방향과 반대방향으로 힘이 작용하여 브레이크 역할을 하는 것이다.

그런데 전기제동에는 제동을 잡을 때 발전된 전기를 저항기를 통해 열에너지로 외부로 방출해 버리는 발전제동과 만들어진 전기를 전차선으로 보내 인근에 운행 중인 차량에 보내 사용하게 하는 소위 회생제동으로 나눈다. 더운 여름 1호선 전동차를 타고 내릴 때 차 밑에서 후끈 뜨거운 공기가 올라와 짜증이 나는 것을 경험한 적이 있을 텐데 이것이 바로 발전제동시 저항기에서 나온 열 때문이다.

전기철도차량에서는 회생제동방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 있는데 회생제동을 하려면 전동기에서 발전된 전기를 전차선의 전기와 성질이 같게 만들어야 하기 때문에 장치가 복잡해진다.
따라서 회생제동을 채택했을 경우의 에너지 절약량과 차량 및 지상측 시설비와 보수비를 합한 비용의 경제성 비교를 하여 발전제동으로 할 것이냐 회생제동으로 할 것이냐를 정하여야 한다.
고속철도에서는 열차가 전기가 끊긴 절연구간에 있거나 전차선 전압이 제동시 발전기 역할을 하는 전동기에서 만들어진 전기의 전압보다 높다든지 또는 인근에 운행 중인 차량이 없는 경우와 같이 회생된 전기를 보낼 수 없을 때는 자동적으로 발전제동으로 체인지하는 구조로 되어 있다.

회생제동을 채택하는 곳은 전동차 운행구간처럼 열차가 금방 금방 뒤따라 오는 경우에 가장 효과적이라 할 수 있고 고속철도처럼 열차간의 간격이 긴 경우는 회생제동의 효과가 많이 떨어진다.

 

발전제동과 회생제동의 원리

 

 

□ 전기 제동의 적용

발전제동은 억속 제동이라고도 하며, 연속되는 하향 구배에 있어서 제동을 사용하여, 일정 속도를 갖는 운전방법으로 다음과 같은 장점이 있다.

1) 운전시분의 단축에 의한 경제운전

2) 제륜자의 마모 경감

3) 차륜 답면의 과열방지와 수명의 연장

4) 운전 조정이 간단

 

억속 제동은 연속 하향 구배의 경우에 주간 제어기로 조작하여 전동차만으로 작용시키는 발전제동으로서, 부하저항은 순차, 단락하지 않고서 구배와 속도에 대응하는 Notch(저항 값)를 선택하여, 균형속도로 주행한다.

 

 

□ 전기제동의 고려사항

 1) 전기 제동은, 신속한 제동의 경우 속도의 변화에 따른 전기 응력의 조절이 자동적으로 행해질 수 있도록 구성되어 있어야 한다. 또한 전기 제동은 일정한 효율을 브레이크에 부여해야 한다.

2) 전기 제동과 공기 제동을 동시에 작동시킬 때, 전체적인 제동력은 고장의 위험을 피할 수 있도록 결정되어야 한다.

3) 전기 제동의 효율성은 실제로 접촉선 안에서 허용되어 있는 장력이나 진동수의 변동과는 무관해야 한다.

4) 전기 제동은 가능한 한 폭넓은 속도의 단계 안에서 작동해야 하며, 특히 속도의 최상위 단계를 망라할 수 있어야 한다.

5) 전기제동은 항상 작동될 준비가 되어 있어야 한다. 압축공기 제동의 밸브 조작은 전기 제동의 작동을 자동적으로 작동할 수 있어야 한다.

6) 제동 시에 전기 제동이 고장이 난 경우에는, 공기 제동이 즉각적으로, 그리고 자동적으로 작동할 수 있어야 한다.

7) 전기 제동의 고장에서 유래될 수 있는 축소에 대해 ‘브레이크-하중 톤’으로 숫자 표시해야 하며, 또 그와 동시에 공기 제동이 작동할 수 있는 조건을 고려해야 한다. 허용 가능한 축소율은 20~30%이다.

8) 운전실에는 적어도 전동기를 위해 제동 전류나 제동력의 강도를 표시하는 측정 기구가 갖추어져 있어야 한다.

9) 전기 제동과 공기 제동의 결합이 있을 때, 그 구성에 해당하는 제동하중 값은 객차의 외부에 붉은 숫자로 기입되어 있다. 그리고 공기 제동하중 값은 통상적인 색깔의 숫자로 기입되어 있다.

10) 전기 제동은, 긴급 제동(경적 신호)의 경우나 자동 시스템에 의한 제동(구형 자동기계 장치 등)의 경우, 자동적으로 작동에 들어갈 수 있어야 한다.