| <colcolor=#fff> 대한민국의 전동차 제어장치 | ||||
| <rowcolor=#373a3c,#ddd> 저항제어 | 초퍼제어 | VVVF | ||
| GTO | IGBT | SiC | ||
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| 서울교통공사 1000호대 전동차 | 103계 전동차 |
1. 개요
직류정류자전동기의 회전을 저항기(가변저항)를 통해 제어하는 방식이다. 직류전동기가 개발된 초창기부터 쓰여온 유서 깊은 기술이다.2. 상세
전동기의 속도는 인가되는 전력, 즉 전류와 전압에 영향을 받는다. 부하가 없다면 처음부터 정격출력을 내도록 전동기를 돌려버려도 문제가 없지만, 부하가 있으면 얘기가 달라지게 된다. 특히 철도차량에서는 레일과 차륜간의 마찰계수가 낮으므로 전동기를 잘못돌리면 바퀴가 헛도는 현상(공전)이 일어나게 되어 점착력을 얻을 수 없게 되므로, 속도를 공전이 나지 않도록 천천히 올릴 필요가 있게 된다. 즉, 저항제어는 정격출력까지 일정한 토크를 얻을 수 있도록하여 점착력을 확보하는 것에 그 목표가 있는 제어방식이다.저항제어는 이러한 필요성에 의해 개발되었다. 초창기에는 저항을 켜고 끄는 스위치를 운전실에 설비하여 사람이 수동으로 제어를 하는 차량이 개발되었지만, 이내 전자석을 이용한 방식 등을 거쳐 20세기 초중반 무렵엔 전동기와 캠축을 설치하는 방식이 폭넓게 보급된다.
그런데, 직류전동기는 회전하면서 계자의 자속에 의해 역기전력이 발생하게 되어 회전속도를 높일 수 없는 지점이 있다. 정격회전속도 이상의 회전속도를 얻기 위해서는 저항제어와 별개로, 직류전동기의 계자에서 발생되는 역기전력를 줄이고자 계자의 자속을 약하게 만드는 약계자제어의 필요성이 생기게 된다. 20세기 중반의 저항제어 차량은 저속 주행용 노면전차나 구내용 모터카 같은 특수차량이 아닌 이상 거의 대부분 약계자제어를 같이 채용하고 있는데, 쇼트 회로를 통해 빼낼 전력에도 저항제어를 사용하는 경우가 대부분이다. 이 부분을 다른 방법으로 개선한 방식이 초퍼제어를 활용한 계자 초퍼제어, 보조전원장치에 의해 발생된 교류를 직류로 정류하면서 제어하는 위상제어를 활용한 계자 위상제어, 계자 위상제어를 직권전동기에도 사용할 수 있게 개선한 계자첨가 여자제어에 해당된다.
저항제어 자체로는 (전동캠축제어의 경우) 캠축이 딸깍 거리는 소리만 날 뿐, 구동소음은 거의 발생하지 않는다. 저항제어 차량에서 발생하는 소음은 전부 전동기, 정확히는 전동기의 발열을 식히기 위한 블로워에 의한 것이며, 저항제어가 적극적으로 도입되던 시대의 기술 수준으로는 해결이 쉽지 않아 전동기 고속회전 시에는 현대의 철도차량에 비해 소음이 크게 발생하는 경우가 대부분이다.
저항제어는 전력의 일부를 열로 갖다 버려서 매우 비효율적인 제어 방식[1]으로 저항제어가 현재 사용하지 않는 이유 중 하나이다.[2] 특히 여름철에는 더 고역으로 저항제어기에서 발생하는 열에다 차내냉방 출력도 약해 민원이 빗발치자, 서울메트로에서는 위 사진과 같은 안내문을 부착해 양해를 구했다.
3. 도입 역사
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| <rowcolor=#ffffff> 서울교통공사 1000호대 전동차의 저항제어 | 한국철도공사 1000호대 전동차의 저항제어 |
러시아와 구소련권의 경우에는 아직까지도 철도차량에 저항제어 방식을 적용하고 있는데[5], 예를 들어서 EP2D형 전동차는 2010년 이후에 제조되었음에도 불구하고 저항제어다. 그나마 근래에 새로 설계된 차량(모스크바 광역전철 열차 등)은 VVVF를 채택했다.
4. 장단점
4.1. 장점
- 단순한 구조와 구하기 쉬운 부품
저항제어는 반도체를 사용하는 초퍼제어보다 설계와 제작이 쉽고[6], 부속을 단순하게 찍어내기만 하면 되므로 부품을 구하기 쉽다. 서울교통공사 소속 1호선 저항차가 2024년 현재까지 굴려지고 있는 이유가 이 때문이다.[7]
4.2. 단점
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| <rowcolor=#fff> 1호선 구형 전동차 출입문에 부착된 객실 안내문. |
- 발열 및 효율 문제
저항제어의 가장 큰 문제점은 저항기를 사용하는 과정에서 발생하는 열이다. 전동기로 들어가야 할 전력이 열에너지의 형태로 방출되는 것이기 때문에, 결정적으로 효율성이 크게 떨어지게 되며, 성능을 높이기 위해서 출력을 높이는 것이 쉽지 않다. 특히 직류 저전압 사용 노선에서는 변전소 용량에 따라 특정 차량은 일정 수 이상 넣지 못할 정도(예컨대 일본국유철도의 101계 전동차)로 효율이 떨어지는 등의 문제가 있었다. 또한 이 뿐만 아니라 공간이 제한된 경우, 즉 터널에선 발생하는 열 자체가 문제가 되기도 한다. 이 때문에 지하철 노선에서 환기구를 공기질 개선의 필요보다도 그 이상으로 확보해야 될 필요가 있었으며, 세대교체기에 지상용 전동차보다 먼저 지하철 차량을 필두로 저항제어가 퇴출되는 원인이 되었다. 지상 구간에서도 문제는 있어서, 냉방기가 어렵지 않게 설치 가능한 요즘이라면 낫지만, 과거 냉방기가 없던 시절에는 여름철에 여객 불만이 높아지는 원인이 되기도 하였다. 지금도 위 사진과 같은 안내문을 부착해 양해를 구할 정도로 그 차이가 뚜렷하게 나타나는 편이다. - 직류전동기 사용으로 브러시와 정류자 교환 필요
계자 첨가여자제어, 전기자 초퍼제어와 마찬가지로 직류전동기를 사용하므로 브러시와 정류자 교체가 필요하다. - 불연속적인 점착력
저항제어는 연속제어가 거의 불가능하다. 특히 전동캠축의 경우 불연속점이 생기게 되는데, 이 지점에서 충격이 있으며 이로 인해 점착성능이 연속제어 차량인 전기자 초퍼제어, 사이리스터 위상제어, VVVF 인버터 등에 비해 떨어지게 된다. 이를 경감하기 위한 대책으로써 일본에서 몇몇 차량에 도입된 바 있는 버니어 제어가 있지만, 제어기가 나뉘게 되므로 보수성에서는 다소 떨어지게 된다. - 기계 고장 문제
기계부속을 사용하는 이상 생기는 문제가 있으며 보수성이 떨어지게 된다. 가령 겨울철에 고장이 잦아진다거나 하는 문제가 있는데, 극한의 사례로는 한지에서 습동부의 동결에 저항값 자체에 생기는 문제와 더해져 고장이 빈발해 저항제어 차량을 운용하기 어려웠고, 내연기관도 연료 동결 문제로 증기기관을 어쩔 수 없이 운용해야 했던 사례 등이 있다. - 전류제어로써 회생제동 사용 불가
저항제어 단독으로는 회생제동이 불가능하다. 약계자제어의 변형을 통해 저항제어 차량에서도 회생제동이 사용되도록 개선한 계자 초퍼제어, 계자 위상제어, 계자 첨가여자제어의 경우에는 회생제동의 사용이 가능하지만, 저항제어로의 회생제동은 아니며, 계자 자속 강화로 전압을 높일 수 있는 한계에 도달한 이후의 저속역에서는 여전히 회생제동의 사용이 불가능하다.
4.3. 대한민국에서 저항제어를 적용한 철도차량
2024년 기준 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차만 운행중이며 나머지는 모두 퇴역 및 폐차되었다.EEC 전동차: 2001년 퇴역 및 폐차- 초저항: 2029년 퇴역 예정
한국철도공사 1000호대 전동차: 2020년 퇴역 및 폐차- 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차: 2029년 퇴역 예정[8]
서울교통공사 2000호대 저항제어 전동차: 2023년 퇴역 및 폐차서울교통공사 2000호대 직각형 저항제어·초퍼제어 전동차: 2023년 퇴역 및 폐차
[1] 저항제어 전동차의 소비전력이 100이라 가정했을시, 쵸퍼제어 전동차가 64, VVVF 3상농형유도전동기 전동차가 45, VVVF PMSM 전동차가 39라고 볼 수 있다.# 일반 가전기기로 말하면 에너지소비효율 5등급이다. 이런 이유로 1970년대 치요다선의 경우 초퍼차량에 비해 JNR 저항차량이 전기 소모가 커서 국유철도에서 전기료를 더 냈다는 말이 유명하다.[2] 이게 잘 와닿지 않는다면 겨울철에 보일러 대신 전기히터를 틀고 나서 전기요금 고지서를 받아보면 알 수 있다.[3] 전기기관차는 일제강점기에 도입된 데로형 전기기관차를 제외하고는 적용된 경우가 없다.[4] 부산교통공사 1000호대 전동차는 1981년 개발 중 당시 초안은 저항제어를 탑재하려고 했으나, 정부가 일본의 신기술들을 적극 채택하라는 권고를 하면서 갈아엎고 초퍼제어를 탑재하는 것으로 결정하게 된다. 여담으로, 이 때 일본에서 ATC도 들여오게 된다.[5] 사실 구공산권은 초퍼제어가 대중화될 무렵인 1980년대에 경제위기로 저항제어만 도입했다. 그나마 80년대말 90년대초에 일부 사이리스터 위상제어 전동차를 만들긴 했지만 이것도 소수였다.[6] 실제로 대한민국에서 저항제어 방식의 전동차 주전장품을 완전히 국산화에 성공한 시기는 1994년 한국철도공사 1000호대 전동차 7차분(신저항)이 도입된 시기로, 우진산전에서 대한민국에서 최초로 전동차 전장품 생산의 완전 국산화를 달성한 사례이다. 그 결과 더 뒤에 등장한 기술의 초퍼제어나 VVVF-GTO 기반의 소자 적용 차량이 부품 단종으로 사실상 멸종 수순에 접어드는 2020년대 중반까지도 살아남을 수 있는 기반이 되었다.[7] 특이한 사례로 1991년부터 1996년까지 생산된 오미철도 220형 전동차의 저항제어기와 견인전동기는 1926년 부터 1928년까지 만들어졌던 기존 일본국유철도 30계 전동차의 것을 재활용해서 만들어졌다. 다시말해, 운행 개시 기준으로도 연식이 약 63~70년, 운행을 중단한 2015년을 기준으로는 약 87~89년의 연식을 지닌 부품을 사용한 것이다. 1920년대에 만들어진 오래된 전장품이어도 반도체가 없는 정말 기초적인 전기공학으로 만들어진 저항제어 방식의 특성상 21세기 이후로도 부품 조달이 원활하여 가능한 일이었다.[8] 개조 없는 초저항은 2002년 퇴역했다.