전동차의 일반적인 개요
1. 전동차의 정의
전동차는 전기를 동력으로 사용하는 철도차량으로서 편성(編成)으로 구성되어 운행되며, 구성된 차량 중 전동기가 설치된 동력발생 차량이 분산되어 있는 전기동차를 말한다.
2. 전동차의 특징
전동차는 대도시 내 또는 도시와 도시간 근거리 통근용으로 활용되는 교통수단으로서 높은 운행밀도 속에 대량의 승객을 신속하게 수송하기 위하여 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
가. 동력이 분산되어 있다.
철도 구간을 운행중인 열차는 대부분 객․화차 앞에 동력을 가진 기관차를 연결하여 전부에서 견인하는 방법으로 운행되지만, 전동차는 여러 대의 차량을 1개 편성으로 구성하여 운행하고 있다.
편성된 차량 중에서 동력을 발생시키는 차량(Motor Car : M차)을 분산 연결시켜 동시에 여러 곳에서 동력을 발생시켜 밀고 당기는 방식으로 위치를 이동하고 있다. 이렇게 동력 발생 차량을 시킨 것은 고가속이 가능하고 운행중 편성 차량중 일부 차량에서 고장이 발생하여도 구성된 차량중 일부 차량이 정상적 기능을 발휘하면 정상차량의 동력만으로 응급운전을 할 수 있는 장점이 있다.
나. 총괄제어(總括制御)
차량을 8량, 6량 또는 10량으로 조합하여 1개 편성으로 운용되고 있으므로 각 차량별로 분산되어 있는 각종 기기를 운전실에서 일괄적으로 동시에 제어할 수 있는 기능을 구비하고 있다.
다. UNIT
여러 대의 차량을 1개 편성으로 구성하여 열차로 운행이 가능한 기능을 갖춘 최소 구성 단위를 UNIT라고 한다.
○ UNIT 구성의 기본조건
－ 최초 기동에 필요한 에너지원축전지
－ 최초 기동에 필요한 압력공기보조 공기압축기
－ 객실등, 냉난방 등 승객 서비스 전원보조 전원장치
－ 열차 운행에 필요한 외부전원 수전장치집전장치
－ 동력을 발생시키기 위한 제반 장치인버터, 전동기
3. 전동차의 추진원리
전동차는 변전소로부터 전차선으로 공급되는 DC 1,500V 전원을 집전장치로 받아들여서 이를 전력변환장치에서 열차를 움직이기에 적당한 전력으로 변환시켜 견인전동기로 공급하면 전동기가 회전하고 그 회전력에 의해 추진한다.
4. 전동차의 종류
전동차의 종류를 구분하는 기준은 여러 방법이 사용되고 있으나 제어시스템 공급사에 의한 구분과 운행구간 또는 전동기에 공급되는 전력 제어방법에 따라 다음과 같이 두가지로 구분하고 있다.
가. 제어시스템 공급사(제작사)에 의한 구분
－ ABB 전동차스웨덴 ABB와 현대정공 : 5호선
－ GEC 전동차영국 GEC 알스톰과 대우중공업 : 7, 8호선 1차분
－ 도시바 전동차일본 도시바와 한진중공업 : 7, 8호선 2차분
－ 미쯔비시 전동차일본 미쯔비시와 현대정공 : 6호선
나. 운행구간 및 전력공급에 의한 구분
－ 교․직류 겸용 전동차
－ 직류전용 전동차
다. 전동기에 공급되는 전력의 제어방법에 의한 구분
－ 저항 제어차
－ CHOPPER 제어차
－ VVVF 제어차
(1) 저항 제어차
우리나라에 처음으로 도입된 전동차는 모두 견인전동기 회로에 저항을 삽입하고 저항의 값을 변경시키는 방식으로 전차의 속도를 제어하였으며, 현재는 거의 수명을 다한 관계로 운행되지 않고 있다.
이 전동차는 견인전동기인 직류직권전동기를 제어할 때 견인전동기 회로에 큰 저항기(主 抵抗器)를 삽입하고 Pilot Motor를 이용하여 이 저항치를 조정하여 전동기에 공급되는 전압과 전류를 제어하는 방법으로 전동기의 속도를 제어한다. 전동차가 역행(力行, Powering)을 할 때는 P1, P2가 접촉하고 B는 차단되어 전차선 전류가 견인전동기와 주저항기를 통해 흐르게 하여 열차를 가속시키고, 제동 시에는 반대로 P1, P2가 차단되고 B가 접촉하여 전차선 전력과 완전히 격리된 LOOP 회로를 구성한다. 이 경우 견인전동기는 미미(微微)한 잔류자기(殘留磁氣)에 의해 발전을 시작하지만 직류직권전동기의 특성상 발전된 전류가 계자를 여자시키는 순환회로에 의해 매우 짧은 기간에 큰 발전전류가 확립되며, 발전된 전류가 형성하는 강한 전자력이 계자와 전기자 사이에서 열차를 감속시키는 방향으로 작용하여 열차를 감속시킨다.
이와 같이 전자력의 역학관계에 의해 운동에너지를 감소시키는 방법을 이용한 제동장치를 전기제동장치라 하며, 이 때 발전된 전력을 저항기를 통해 소비시키는 제동을 발전제동이라 하고, 電源 측(전차선)으로 되돌리는 제동을 회생제동이라 한다.
(2) 쵸퍼(CHOPPER) 제어차
2,3호선의 주력이었으나 현재는 사양길에 있어 거의 사라지고 있다.
쵸퍼 제어차는 비록 직류전동기를 사용하지만 저항 제어차보다 한 단계 진보된 기술로 제작된 전동차라 할 수 있다. 저항 제어차는 전차선에서 견인전동기로 공급되는 전력을 저항기를 통해 강제로 소비시키는 방법으로 속도를 제어하는데 비해 쵸퍼제어차는 싸이리스터를 이용한 쵸퍼장치로 전차선 전압을 적절히 조절하여 견인전동기에 공급하여 속도를 제어하고, 또 회생제동을 사용하므로 저항 제어차에 비해 획기적이라 할 수 있을 정도로 전력에너지의 소비를 절감시킬 수 있다.
쵸퍼는 직류전압을 싸이리스터를 사용하여 고빈도로 쵸핑하여 변압시키므로 직류 변압기라고도 한다.
역행 시는 T1이 동작하여 on time에 비례한 전류를 견인전동기에 공급하고, 회생제동 시는 T2가 동작하여 발전회로를 구성하는데 T2가 off되고 있는 동안(off time) 견인전동기에서 발전된 전력이 D2를 통해 전차선으로 송출된다.
또한 FL(Filter Reactor)과 FC(Filter Capacitor)는 싸이리스터가 on/off 될 때마다 견인전동기 회로의 전압과 전류가 급변하는 것을 흡수하여 안정시키며, Free Wheeling Diode는 T1의 on time 동안 전동기의 계자 및 전기자 코일에 축적되었던 전력이 off time 동안 계속 흐르게 하여 견인전동기 회로의 전압 및 전류가 급격히 변하지 않도록 한다.
※ 쵸퍼제어차의 전류 흐름
－ 역행T1 on : 전차선→MCB→FL→T1→M1→M2→M3→M4→Rail T1 off : M1→M2→M3→M4→FWD→M1 …
－ 제동T2 on : M4→M3→M2→M1→T2→M4 … T2 off : M4→M3→M2→M1→D2→FL→MCB→전차선
(3) VVVF 제어차
1990년대 이전까지 우리나라의 철도 동력차에 사용되는 견인전동기는 모두 직류직권 전동치를 사용하였다.
이는 직류직권전동기가 교류 유도 전동기에 비해 성능이 좋아서가 아니라 비교적 간단한 제어장치로 속도를 제어할 수 있는 특성을 가졌기 때문이다. 브러시가 없어 Brushless Motor 라고도 불리는 교류 유도전동기는 보수 점검이 거의 필요가 없을 정도로 성능이 우수한 전동기로서 사회에서는 널리 사용되고 있었지만 전동기의 특성상 속도 제어가 매우 까다로워 당시의 기술로는 열차를 견인하는 전동기로 사용하기가 어려웠기 때문에 차선(次善)의 선택을 하였던 것이다.
그러나 철도 공학자들은 교류유도전동기에 대한 미련을 버리지 못하고 부단의 노력을 경주하던 중 ‘90년대 들어 전력용 반도체 기술과 마이크로프로세서의 발전에 힘입어 어렵게만 느껴졌던 열차 견인용 교류유도전동기의 실용화가 가능해 졌다. 즉 고속 스위칭 교류유도전동기의 속도 제어가 가능해진 것이다.
VVVF는 교류유도전동기의 제어 방법인 전압과 주파수를 동시에 변환시킨다는 뜻으로 Variable Voltage Variable Frequence의 약자이며, 우리나라에는 1992년 안산선～과천선～지하철 4호선이 연결 개통되면서 교직(交直) 양용 VVVF 전동파를 운행한 것이 교류유도전동기를 견인전동기로 사용한 시발점이 되었으며 현재의 거의 모든 전동차가 VVVF 방식을 채택하고 있다.
5. 전동차 차종
전동차는 편성된 모든 차량에 여객이 승차할 수 있도록 되어 있으며 견인 및 승차 효율을 극대화하기 위해 동력을 분산하고 대부분의 기기들을 차량의 상판(床版) 밑에 설치하였다. 따라서 편성된 각각의 차량은 열차 운전 시 역할을 분담하고 있으며 배치된 기기들의 역할이나 특징에 따라 명칭을 부여하였으며 내용은 다음과 같다.
가. 차종별 특징
(1) Tc(Train Control Car)
운전실이 있고 보조전원장치(5호선은 M1)가 장착된 무동력 차량
－ Tc1차 : M1차와 연결되는 Tc차
－ Tc2차 : M2차와 연결되는 Tc차
(2) M1(Motor Car 1) : 제1 전동차, 동력차
－ 집전장치, 견인전동기 및 고전압기기 등이 설치된 차량
(3) M2(Motor Car 2) : 제2 전동차, 동력차
－ 견인전동기와 공기압축기가 설치된 차량
(4) T(Trailer Car) : 운전실이 없는 무동력차
－ T1, T2로 구분하여 사용
－ T1차에는 연장급전장치가 설치되어 있다.
나. 기본편성 및 주요 장착기기
|
구 분 |
Tc |
M1 |
M2 |
비 고 |
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5호선 |
운전실 축전지 |
집전장치 MIM,AIM 견인전동기 |
공기압축기 견인전동기 |
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|
6호선 |
운전실 축전지 보조전원(SIV) |
집전장치 인버터 견인전동기 |
공기압축기 견인전동기 |
6. 전동차 기본사양
가. 일반
(1) 기상 조건
외기 온도 : -25℃～+40℃
적설량 : 30cm 이하
(2) 선로 조건
궤간 : 1,435mm
최소 곡선반경 : 본선 : 180m, 측선 76m
최 급구배 : 본선 35‰, 측선 45‰
(3) 공급 전력
직류 1,500V (전압변동 허용 범위 1,000～1,800V)
(4) 전차선 방식
지상 : 카테나리 가선식
지하 : 강체 가선식
나. 전동차 기본사양
(1) 열차 편성
4량편성 : Tc M1 M2 Tc(열차의 기능을 갖는 최소 기본단위)
6량편성 : Tc M1 T1' M1 M2 Tc(8호선 기본편성)
8량편성 : Tc M1 M2 T1 T2 M1 M2 Tc(5,6,7호선 기본편성)
(2) 하중 조건
차량 성능기준 20ton/량, 기계적 강도기준 29ton/량
(3) 자중(自重, ton)
5호선(8량, 262.8ton) : Tc 30.9, M1 37.8, M2 33.7, T 29.0
6호선(8량, 268.4ton) : Tc 33.7, M1 35.4, M2 35.8, T 29.3
(4) 승객 정원 : 8량기준 1,256명
Tc 148명(좌석 48, 입석 100), M/T 160명(좌석 54, 입석 106)
(5) 차륜 직경
사용 기준 : 860㎜～780㎜, 차량 성능 계산 기준 : 820㎜
다. 주요 성능
(1) 최대속도 : 100 Km/h
(2) 최고운행속도 : 80 Km/h(특히 지정된 구간 90 Km/h)
(3) 가 속 도 : 3.0 Km/h/s (하중 20톤 기준)
(4) 감 속 도
－ 상용 최대제동 : 3.5 Km/h/s (하중 20톤 기준)
－ 비상 제동 : 4.5 Km/h/s (하중 20톤 기준)
(5) JERK 제어 한계 : 0.8 m/sec3
(6) 속도 제어방식
가변전압 가변주파수(VVVF) 인버터에 의한 가감속 제어
(7) 제동방식
회생 제동 병용, 전기 지령식 공기제동(응하중부)
(8) 제어회로 전압
－ 직 류 100 V DC(70 ～ 110 V DC)
－ 교 류 220/380 V AC(+5%, -10%), 60Hz(±2%)
(9) 제어 공기 압력 5 kg/cm2(변동 범위: 4～6 kg/cm²)
라. 5, 6호선 전동차 일반사양 비교
|
구 분 |
5호선 |
6호선 |
|
주 회 로 |
M1차에 주인버터 집중장착, 집중제어 |
M1, M2차 인버터 각각장착, 각각제어 |
|
인버터 반도체 |
GTO 싸리스타 |
IGBT |
|
TCMS(FIS)모니터 |
단색, 터치 키 |
칼라, 터치 스크린 |
|
기 적 |
공기 기적 |
공기, 전자기적 구분 |
|
CM 구동방식 |
AC 380V 직입기동 |
인버터 제어 기동 |
|
전조등 스위치 |
족답 스위치 |
푸쉬 스위치 |
|
차량간 연결기 |
자동밀착 연결기 |
원통형 봉 연결기 |
|
유리두께 |
출입문, 측창문 5mm 단층 |
출입문 8.3mm 접합유리 측창문 12.75mm 접합유리 |
|
객실바닥 |
25mm |
45mm 복합구조 |
|
실내소음 |
85db 이하 |
80db 이하 |