| <colcolor=#fff> 대한민국의 전동차 제어장치 | ||||
| <rowcolor=#373a3c,#ddd> 저항제어 | 초퍼제어 | VVVF | ||
| GTO | IGBT | SiC | ||
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| 부산교통공사 1000호대 전동차 | 201계 전동차 |
1. 개요
직류전동기의 제어 방식으로, 초퍼제어를 주회로(전기자)에 사용한 방식이다.초퍼제어가 사용되기 전에 사용되었던 저항제어 · 저항제어 기반의 약계자제어는 단독으로는 회생제동의 사용이 불가능했다. 이는 저항제어 방식의 근본이 결국은 전압제어가 아닌 전류제어이며, 전동기의 회전력을 자속을 통해 역기전력으로 뽑아낼 수는 있지만 이를 인입전압보다 더 높은 전압으로 높여서 되돌려 보내기가 무척 곤란했기 때문이다.
이런 문제는 DC-DC 컨버터가 대중화되고 특히 사이리스터를 이용한 대전력 솔루션이 실용화되면서 조금씩 해결책이 나타나기 시작했다. 재미있는 사실은 이 시점엔 이미 VVVF가 등장했었고 상용 제품 또한 출시되었음에도 불구하고 초퍼제어 컨버터를 개발해 이전과 같이 직류전동기를 그냥 사용하는 경우도 상당히 많았다는 점이다. 상황이 이렇게 된 이유는 당시 반도체 기술의 한계로 인해 전력소자가 매우 비싸고 다루기 어려웠을 뿐더러 회로 설계도 쉽지 않아 아직 VVVF 인버터의 신뢰성이 검증 되지 않았다는 점이 컸다. 예나 지금이나 VVVF 인버터보다 초퍼제어 컨버터가 훨씬 회로도 간단하고 전력소자도 적게 사용해 가격도 저렴하기 때문에 VVVF 상용화 이후에도 일단은 쓰던대로 직류전동기 차량을 사용하는 기업들이 많았다. 또한 과거에도 교류전동기가 직류전동기보다 훨씬 단순하고 튼튼하다는 점은 알고 있었지만 이미 직류전동기는 오랫동안 사용해온 경험이 있고 나름 검증된 제품 또한 많았기에 빠르게 교체할 이유도 그다지 없었다.
아무튼 이 초퍼제어를 주회로, 즉 전기자가 포함된 회로제어에 사용하여 철도차량의 직류직권전동기의 속도제어를 한 방식이 바로 전기자 초퍼제어(또는 직류복권전동기 사용차량의 경우 주회로 초퍼제어)라 불리는 방식이다. 컨버터에 사용된 스위치, 즉 소자가 사이리스터였기 때문에 일본에서는 사이리스터 초퍼제어라는 용어를 활용하기도 했다. 이 방식은 제동에 있어서도 승압초퍼를 사용함으로써 저속에서 회생제동이 가능하다는 장점[1] 다만 일반적인 주회로는 전압이 높고 전류가 크기 때문에 이를 견딜 수 있는 반도체가 필요하였고, 상술했다시피 이게 당시 기준으로는 매우 비쌌기 때문에 일본국유철도와 같이 자금난이 있었던 경우에는 많이 사용하지 못하는 경우도 많았다.
계자 초퍼제어는 저항제어 기반(초퍼제어의 철도에서의 사용)으로, 전기자 초퍼제어와는 관계가 없다.
2. 역사
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| 도쿄메트로 8000계 전동차의 초퍼제어 |
초퍼제어 기술 자체는 1968년 도쿄메트로 6000계 전동차 1차 시작차에서 철도차량으로써는 처음으로 선보였으나, 양산차는 1970년에 영업운전에 투입된 한신 전기철도 7001/7101계 전동차가 시초이며, 양산차로써 회생제동이 가능한 초퍼제어는 1971년에 영업운전에 투입된 도쿄메트로 6000계 전동차 양산차량이 시초다. 1980년대 초중반까지도 반도체는 흔한 게 아니라서 꽤나 비싼 가격대를 유지했고, 이에 자금난에 시달리던 일본국유철도의 경우 201계 전동차의 도입 이외에는 지하철 입선을 위한 성능 확보 및 발열 처리 문제 해결을 위한 203계 전동차 밖에 도입 사례가 없을 정도였다.
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| <rowcolor=#ffffff> 서울교통공사 2000호대 전동차의 초퍼제어 |
인버터 기술이 대중화되고 VVVF 차량이 대중화된 뒤로는 직류정류자전동기와 교류전동기의 보수성 차이를 감안할 때 도입할 이유가 없게 되었다. 특히나 스위칭용 사이리스터가 HVDC가 아닌 이상 거의 사장된 요즘에는 도리어 부품 수급 등의 문제로 저항제어 차량보다도 빨리 단종되는 경향이 나타나기도 한다. 예컨대 2000호대 및 3000호대 초퍼제어 전동차는 각각 2020년 11월 말, 2022년 9월을 끝으로 서울의 모든 초퍼 열차들은 전부 퇴역하였으나 1000호대는 초퍼제어 차량이 폐차된 뒤에도 내구연한 연장을 받아 계속 운행하고 있다. 2025년 현재 현역으로 남아있는 차량은 부산의 부산교통공사 1000호대 전동차로, 일부가 내구연한 연장 검사를 받아 대차분이 도입되기 전까지 계속 운행할 예정이다. 일본에서도 전기자 초퍼제어 열차들은 거의 멸종 단계로, JR 기준으로는 서일본에서 201계 전동차의 퇴역이 마무리된다면 전 차량이 퇴출되게 된다.
3. 특징
주행음의 경우 기존 저항제어 차량과 큰 차이는 없지만, 가감속을 할 때에 스위칭에 의한 노이즈가 발생한다.201계 전동차의 주행음
제도고속도교통영단 6000계 전동차의 주행음
MTR M형 차량의 구동음.
4. 장단점
4.1. 장점
- 회생 제동의 실현
중속역에서부터 저속역까지 안정된 회생제동이 가능하며, 소비 전력을 줄일 수 있고, 발전제동용 저항기를 탑재하지 않아도 되므로 차량의 경량화가 가능하다. 회로가 승압 초퍼를 구성하므로 고속에서는 별도의 저항기나 고속에서만 사용되는 추가 강압회로를 설비하는 등의 조치가 필요하다.
- 점착성능의 향상
저항제어계의 제어 방법과는 달리 스텝이 없는 연속(무단계) 제어가 가능해서 점착 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 동일 기동 가속도라면 동력차 비율(MT비)을 낮출 수 있다.
- 기계적인 장치의 최소화
전기적인 제어방식이므로 저항제어에 쓰이는 캠축 제어기 등 기계적인 습동부나 접점이 없어 보수작업을 줄일 수 있고, 기계적 요소로 발생하는 고장이 줄어들게 된다.
4.2. 단점
- 도입 당시 비싼 가격과 부품 수급 문제
당시에도 초퍼제어 컨버터가 VVVF 인버터 시스템보다는 저렴했지만 그래도 값비싼 대용량 반도체가 들어가고 이 반도체는 사실상 소모품이기에 유지보수 비용도 상당했다. 또한 반도체 부품들은 시간이 지나면 단종되는 경우가 많고 대체제를 구하기도 어려운 경우가 상당하다. 현 시점에는 단종은 기본이고 아예 제조업체가 사라진 경우도 있어서 내구연한이 남아있더라도 추진전동기를 포함한 구동시스템 전체를 VVVF 시스템으로 교체하거나 조기퇴역시키는 경우도 많다. - 직류전동기 사용으로 브러시 정류자 교환 필요
저항제어와 마찬가지로 직류전동기를 사용하므로 브러시와 정류자 교체가 필요하다는 근본적인 문제가 있다. 때문에 이런 정비요소를 고려한 기계설계가 필요했다. - 별도의 약계자제어 구현 필요
직류전동기는 교류전동기와는 달리 전기자제어와 계자제어 둘을 컨버터 하나에서 해결할 수 없다. 때문에 초퍼제어든 저항제어든 계자제어를 위한 회로가 추가되어야 하며 결과적으로 비용 상승과 효율 개선에 한계가 있게 된다.
5. 사용 차량
퇴역 차량은 취소선 표시5.1. 국내
5.1.1. 서울
서울교통공사 2000호대 초퍼제어 전동차: 2020년 퇴역 및 폐차서울교통공사 3000호대 초퍼제어 전동차: 2022년 퇴역 및 폐차서울특별시지하철공사 4000호대 초퍼제어 전동차: 1995년 모두 2~3호선으로 이적, 이후 2022년 퇴역 및 폐차서울교통공사 2000호대 직각형 저항제어·초퍼제어 전동차: 2020년 퇴역 및 폐차서울교통공사 광폭형 GEC 초퍼제어 전동차: 2022년 퇴역 및 폐차
5.1.2. 부산
5.2. 해외
5.2.1. 일본
5.2.2. 일본국유철도(현재의 JR그룹)
5.2.3. 제도고속도교통영단(현재의 도쿄메트로)
도쿄메트로 6000계 전동차[IGBT]도쿄메트로 7000계 전동차[IGBT]- 도쿄메트로 8000계 전동차[IGBT]
도쿄메트로 01계 전동차[IGBT]도쿄메트로 02계 전동차[IGBT]도쿄메트로 03계 전동차[IGBT]- 도쿄메트로 05계 전동차[IGBT]
5.2.4. 도쿄도 교통국(도에이 지하철)
5.2.5. 나고야시 교통국
5.3. 중국
5.3.1. 홍콩
- 홍콩 MTR: MTR 메트로카멜 직류형 전동차[11]
5.4. 싱가포르
5.4.1. SMRT
5.5. 미국
5.5.1. BART
5.6. 캐나다
5.6.1. 몬트리올 지하철
5.7. 호주
5.7.1. 시드니 광역 철도
시드니 광역전철 C형 전동차[16]- 시드니 광역전철 T형 전동차
6. 관련 문서
[1] 다만 반대로 고속에서의 제동의 경우 역기전력이 크다보니 지나치게 전압이 높아져 도리어 인입선이 받을 수 있는 한계를 초과해 돌려보낼 수 없게 되는 일이 생겼다. 즉, 회생실효가 나는 일이 잦아 이에 대응한 회로가 추가로 필요하다는 문제가 있어 완전한 장점은 아니다.[2] 1호선은 직결하는 국철 구간이 교류 구간이므로 어차피 회생제동이 어려워 초퍼제어 열차를 도입하지 않았다.[IGBT] 일부 전동차가 현재 VVVF-IGBT 방식으로 개조되었다.[IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [11] 1977~1982년에 나온 초기형은 도입당시에는 저항제어 였고 1980년대 중후반에 나온 일부 차량만 초퍼제어 탑재. 1980년대말부터 저항차량을 초퍼로 개조[IGBT] [IGBT] [IGBT] [15] 세계 최초로 저항제어에서 초퍼제어로 개조된 열차로 여겨진다.[16] 2021년 전량 퇴역