() 급전설비 Ⅰ Electrification Facility for System () 급전설비를 3 회에걸쳐연재하려고합니다. Ⅰ. 개발중인의기본개념이해 Understanding the Basic Concepts of Various System under Development 신용주이사전기미래기술연구소 1993 년우리나라의중앙에위치한대전에서엑스포가개최되면서가국내에소개되었다. 그당시한국기계연구원에서상전도에대한연구가시작되었고국내철도차량전문제작회사인현재의 ( 주 ) 로템에서제작한시제가대전엑스포과학공원내의약 1[KM] 정도의구간에서시범운영되었다. 경부고속철도를건설하기로정부의방침이정해질때에매력을느끼는일부과학자들은차세대교통수단인를국내기술로고속화개발하여적용하는것이국가이익에부합한다고주장하기도하였다. 현재까지세계적으로고속형의상업운전실적은중국의상하이에건설되어운영되는독일 Transrapid 사의가전부이다. 물론다수의국가에서를연구개발하여대중교통에적용하고자노력하고있으며일정수준의성과도있고우리나라도국책과제로 1 단계연구가완성되어도시형으로개발될저속형를대중교통에적용하기위한절차가진행중이다. 대부분의국가에서와같이우리의기술력을여러나라국민들에게과시하고자하는의지로인천국제공항부근에설치될예정이다. 작년에는대전엑스포후에방치되어있던시스템구간을약간연장하고시설을개량하여곧일반에공개할예정으로있다. 이런국내외현실에서우리건설관련전기기술자들도의기술적시스템에대해이해하여대중교통으로적용하기위해필요한급전설비구성에관한알려진내용을정리하여수회에걸쳐연재하고자한다. 세계적으로아직개발중인내용이므로이글을통해급전설비구성에관한좀더참신하고가치있는기술적방법론이우리건설관련전기기술자들로부터개발되어발표될수있기를기대한다. 1. 자기부상의의미및기능우리가자주들어알고있는자기부상이라는용어에대해우선알아본다. 영어로 Magnetic Levitation' 이라고하는자기부상은말그대로자석을이용하여물체를들어올린다는의미이다. 자석을이용하여물체를들어올리는방법에는두가지가있을수있을것이다. 하나는자석의서로다른두극 (N극/S극) 을서로마주보게배치하여두극간의흡인력을이용하는것이고다른하나는그반대로두극간의반발력을이용하는것이다. 우리가이용하는대중교통수단인고속전기철도및도시전기철도는평행하게설치된철제궤도위에철제바퀴가달린전동차량이궤도와의마찰력을유지하면서장착된전동기를이용하여가속및감 속하면서원하는방향으로진행하는교통수단이다. 이러한전동차량은궤도와철제바퀴간의마찰력이매개가되어야운행이가능하므로마찰력에영향을주는차량의무게에따라운행에필요한전동전력의규모가달라진다. 또한철과철이마주닿아주행하므로진동에의한영향을받게되어충격을흡수할수있는철제스프링과같은현가장치 (Suspension System) 가적용되어있다. 열차의현가장치에는스프링에의한장치와더불어승차감을제고하기위해공기압에의한현가장치도부가된다. 는차량의몸체를지지하는방법으로자기부상이라는독특한방법을이용하므로스프링에의한현가장치는필요가없으며승객의승차감을제고하기위한공기압식현 46 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 47
가장치는적용된다. 또한궤도와직접접하여발생하는마찰력이제거되므로운행에필요한전동전력의규모가줄어든다. 이것이철제바퀴를이용하는전동열차와자기부상을이용하는전동열차의큰차이점이다. 철제차륜형열차고무차륜형열차그림 1 : 궤도이용대중교통수단의종류 2. 현가방식 (Suspension System) 에의한분류앞에서언급한바와같이와기존의열차가다른점은궤도와의접촉이없이운행한다는것이다. 를대중교통에적용하였을때기대하는가장큰장점이궤도와바퀴의접촉을제거하여발생하는에너지활용의경제 성이다. 또한이론적으로만볼때접촉에의해발생하는마찰력을제거한다면고속주행이용이할것이며현재의고속열차대비성능이현저히앞설것으로기대할수있다. 인류가자기부상원리에대해관심을가진것은 20세기초반이다. 거의한세기에걸친연구노력에의해 2000년대에들어서상업운전이가능한수준에도달하였다. 자석의두극간에발생하는흡인력과반발력을이용할수있는방법을생각해보면우선영구자석을이용하는방법이있다. 물론실용성이떨어질것이라고쉽게예측할수있지만하나의방법이될수있다. 두번째로전기를이용하여자계를생성하고생성된자계에의한흡인력과반발력을이용하는방법이있을수있다. 여기서이용할수있는전기에는직류와교류가있으며직류에의해발생되는자계는전류의방향이일정하므로자계의방향도일정할것이고교류에의해발생되는자계는전류의방향이일정한주기마다교번하므로발생되는자계도교번자계일것이다. 이러한기본적인사고를기준으로의방식을구분하고있으며각방식마다독일일본미국등각나라에서집중하여개발하고있다. 가. Electro Magnetic System (EMS - 흡인현가방식 ) 현재세계적으로가장많이연구되고있는자기부상방식으로흡인식자기부상방식이라고한다. 우리나라에서도이방식에의한를개발하고있으며현재의기술로고전적인열차에서바퀴를없애는가장손쉽게접근할수있는방식이다. 일본의 HSST, 독일의 Transrapid와한국의 Rotem에서적용하여개발하였거나개발중에있다. 적용된자기부상원리를위의그림으로설명하면왼쪽그림에서와같이차량에부착된 4개의전자석을이용하는방식이다. 그림 2 : Electro Magnetic System 궤도의역할을하는노반구조물에철제의자성체를배치하고차량의형상을그림과같이노반을감싸는구조로구성하여자성체하면에직류로구동하는전자석을양쪽에배치하고전자석을여자하면노반의철제자성체와전자석간에흡인력이작용하게되어차량을부상시키는방식이다. 나머지두개의전자석은차량이진행할때곡선부에서노반과충돌하려고하거나대기환경에서의바람등의영향으로차량이구조물과접촉할수있는경우를방지하기위한역할을한다. 따라서차량에는자기부상을위한전자력을발생하기위한전력이소요되며외부에서전력을공급하여야한다. 열차가주행중에전력공급이중단된다면열차는갑자기부상력을상실하게되어노반에추락하게되고우리가상상할수있을정도의큰사고를유발할것이다. 부상력을확보하는데필요한전력의규모는차량의자중과승차할승객의무게를합한중력에저항하여열차를부상시킬수있는규모이어야할것이다. 그러한기능을확보하기위해충분한전자석을설계하여적용한다. 자석의흡인력과반발력은자기에관한쿨롱의법칙에따라자극의세기에비례하고거리에반비례한다. 노반으로부터열차를부상시키는정도는대략최대 10[mm], 평균 6[mm] 정도이다. 차량에공급하는전력이상실되어열차가노반으로추락하는사고를방지하기위해열차에는축전지 에의한직류전원을상시확보하고있다. 축전지에의해공급가능한전력공급용량은축전지의수량에비례하므로무한정확보는곤란하며유사시급제동에소요되는시간이나외부전력이상실된경우에회복에소요되는최대시간을기준으로하여야한다. 바꾸어말하면외부에위치할급전전원계통의신뢰성이차량에탑재될열차의추락방지를위한열차부상력확보용전력공급용량과연계하여확보되어야한다는것이다. 아직언급하지않았지만상식적으로볼때열차가목표하는방향으로주행하기위해서는열차를구동할에너지가필요하다. 열차를구동하는에너지를공급하는방식과규모에따라서도의종류가분류된다. 여기서는우선 EMS 방식의는외부에서열차구동을위한전력을공급해주어야하는데그규모가다른방식에비해상대적으로크며열차구동장치가열차에장착된다는정도로만설명한다. 나. Electro Dynamic System (EDS - 반발현가방식 ) 반발현가방식은세계최초로차륜형고속열차를개발한일본이차세대고속열차방식으로개발중에있는방식이다. 수년간에걸친연구및시험으로 550[KM/H] 의고속주행성능을구현한세계최고기술이다. 그러나시스템이복잡하고건설비용의경제성이 EMS 대비떨어진다. 다만고속주행을달성하기위해서는적합한시스템이라고평가되고있다. 적용된자기부상원리는왼쪽그림에서보는바와같이노반에설치된전자석이여자되면차량에설치된전자석을밀어내어열차를부상시키는방식이다. 그림에색상으로구분된바와같이 EMS 에서는차량에부착된전자석이능동적으로작용하여부상력을확보하지만이방식에서는차량의전자석은수동적역할을하고노반에설치 48 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 49
EDS 구동장치에의해주행되므로전체중량은 EMS 에 다. 그러나선형전동기가개발되면서새로운전기 비해매우줄어든다. 이방식에서의가장큰단점 기계가탄생한것이된다. 은상온에서의도전체가아닌극저온에서구현가 3 상교류를이용하여회전운동을발생시키는전 능한초전도체를이용하여야한다는데있다. 물 동기의공통점을보면입력이 3 상교류를이용하는 론세계각국이초전도체를개발하고있지만상용 것과전동기의구조가고정자부분과회전자부분 으로충분하게활용할수있는정도로개발하기 으로구분됨을우리가알고있다. 유도전동기에는 그림 3 : Electro Dynamic System 위해서는향후얼마간의시간이소요됨을감안할때현단계에서의실용성에한계가있다. 회전자의구성방식에따라권선형유도전동기와농형유도전동기가있다. 권선형과농형의고정자 이방식에대한연구는미국에서도 'Magplane' 권선의구성은동일하다. 그러나회전자의구성은 된전자석이능동적으로작용하는부상력을이용 이라는개념으로많이연구되어있으며단어에서 매우다르며그에따라특성도달라진다. 하는방식이다. 따라서열차주행동력을배제하고 나타나는뉘앙스대로비행기처럼공간을날아가 유도전동기는고정자와회전자간에전기적결 보면 EMS 에비해차량에서공급하여야할부상 는형상을상상할수있다. 합이없다. 력확보용전력의규모는매우작을것이다. 따라서 EMS 방식의차량에비해열차의전체중량이가벼울수있다는것을짐작할수있다. 이점이고속주행을위한시스템으로서의적합성으로간주되고있다. 물론나중에설명할열차주행방법도 EMS 방식과다르게차량이아닌노반에설치된 다. Induc-Track System (INDUCTRACK - 변형된반발현가방식 ) INDUCTRACK 방식은 EDS 반발현가방식에서의가장큰제약인극저온에서구현가능한초전도체의이용을영구자석을적용하여극복하고자하는방식이다. 미국의 Lawrense Livermore National Laboratory에서연구중인방식이다. 이기술은교통수단으로서의기술로만이아닌항공우주분야에서도필요한기술로개발되었다. 그림에서보는바와같이 EDS 방식에서열차를부상시키기위해노반에설치할초전도체에의한전자석을대신하여영구자석을이용하는방식이다. 그림 5 : INDUCTRACK System 자동차의경우바퀴를구동하기위해엔진을만들때엔진에서발생하는직선왕복운동을바퀴를구동하기적합하게회전운동으로변형시켜이용하고있으며최초의증기기관차도증기기관의직선왕복운동을회전운동으로변환하여이용하였다. 전동열차의경우에는교류 3상전동기의장점을활용하여전기에너지를회전운동기계에너지 유도전동기고정자권선 농형회전자 로변환하여이용한다. 여기서에는 그림 4 : Magne-Plane System 3. 구동방식에의한분류를구분하는중요한두가지방식중나머지하나가구동방식에따라분류하는것이다. 앞서의현가방식에따른분류에서언급한바와같이에는바퀴가없다. 현재우리사회의이동수단중지상이동수단에는대부분이바퀴가달려있다. 궤도위를달리든도로위를달리든간에바퀴를구동하여지상을이동한다. 바퀴는원형의형상을가지고있다. 바퀴가없기때문에좀색다른구동장치가필요함을알수있다. 즉전기에너지를이용하여바퀴가없는상태에서열차를가고자하는진행방향으로구동하여야한다. 이러한목적에부합하게개발된전동기가선형전동기이다. 현재선형유도전동기 (LIM) 와선형동기전동기 (LSM) 가의구동수단으로적용되고있다. 우리가잘아는바와같이전기기계에는정지형기계와회전형기계가있다. 대표적으로정지형기계에는변압기가있으며회전형기계에는전동기가있다고알고있 권선형회전자농형회전자그림 6 : 유도전동기의구조및전자기결합물론동기전동기에서도전기적결합은없다. 다만동기전동기에서는회전자에직류를이용하여회전자자체를 N극과 S극을갖는구조를형성하며삼상교류가가해진고정자에서발생하는회전자계를회전자가추종하면서회전력을얻는다. 유도전동기의경우고정자를삼상결선하고삼상교 50 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 51
바와같이유도전동기에는권선형및농형유도전 에서회전형전동기에서의고정자또는회전자가 동기가있다. 선형유도전동기는농형유도전동기를 연속성을유지하여야한다. 선형으로변형한형태이다. 농형유도전동기의고 여기서회전형전동기에서의고정자와회전자의 정자권선과회전자의원통형구조를선형으로변 개념을선형전동기에맞게명명할필요가있다. 동기전동기고정자권선돌극형회전자원통형회전자그림 7 : 동기전동기의회전자권선 그림 8 : 선형전동기의개념로구동력을발생시키는전동기라는의미이다. 를분류하는두가지방법중한가지인 형하여회전운동을발생시키는농형유도전동기를직선운동을발생시키는구조로바꾼것이다. 여기서농형유도전동기의농형회전자구조에대해알아볼필요가있다. 그림 6' 을참고하면농형회 회전형전동기의경우회전자에전기를공급하기위해서는활동환이라는장치가필요하다. 활동환은회전체에설치된권선을전기적으로접속하는방법이다. 이러한방법은권선형전동기의 3상권선 선형전동기의동작에대한내용도 회전형전동기 전자는규소강판으로성형된철심에알루미늄도 과동기전동기의직류여자권선에적용된다. 동기 류를가하여회전자계를형성하면회전자는유도 의동작을이해하면쉽게알수있다. 체가절연없이슬롯에각입된상태이며슬롯의 전동기의경우직류가연결공급되므로비교적용 전동기의기계적구조에따라전자기적으로결합 위그림에서와같이원통형구조인회전형전동 양단에서단락환이라고하는도체로양단이단락 이하고외부접속없이회전체내부에영구자석에 하여고정자권선의회전자계를따라회전한다. 기의고정자와회전자를각각어느한지점을기 되어있다. 이때외부에서고정자에전압이인가 의해기동하는여자용발전기를장착하는방법으 동기전동기의고정자권선은유도전동기와동일 준으로절단하여평면화한형태이다. 이러한변형 되면코일에전류가흐르게되고흐르는전류에 로외부연결을제외시키고있다. 따라서외부와 하다. 그러나계자라고하는회전자의구조및동 으로발생하는회전력을직선구동력으로변환된 의해서자계가형성되는데 3 상교류가인가되었으 의전기적연결은고정자에국한된다. 이와같이 작원리는유도전동기와다르다. 유도전동기와마 다. 회전형전동기의상세구조는철심 ( 코아 ) 과권 므로회전자계가된다. 고정자권선에발생하는 회전자와의전기적연결을최소화내지배제하는 찬가지로동기전동기의고정자권선에삼상교류 선 ( 코일 ) 으로구성된다. 철심은 0.35-0.5[mm] 의 회전자계는농형회전자도체에전압을유기하며 방향으로설계된다. 가가해지면회전자계가발생한다. 이때회전자에 규소강판을성층하여제작한다. 회전형전동기를 유기된전압은양단의단락환영향으로전류를발 직류에의한자계가형성되면형성된자계는고정 선형으로변형하여도전동기의구성은회전형에 생시키고발생된전류에의해자계가형성되어고 자의회전자계를따라회전하게된다. 회전자의 서의고정자및회전자로구성되며각부분은철 정자회전자계와반발또는흡인으로회전자계를 구성방법에따라돌극형은우리가흔히볼수있 심과권선으로구성되고철심은규소강판이재료 따라회전하게된다. 는막대자석과같은형상을갖는구조이며원통형 가된다. 물론권선은주로구리도체가될것이다. 은유도전동기의회전자구조와유사한구조를갖 이러한선형전동기는주로교통관련분야에적용 으면서직류로구동되는자계를형성하여고정자 하기위해개발된다고해도과언이아니다. 왜냐하 의회전자계를따라회전한다. 면교통수단은대부분길이방향으로이동하므로 이제까지대표적교류전동기인유도전동기와동 선형전동기의적용성이매우높다. 선형전동기를 기전동기가어떻게회전하는가에대한일반적인내용을알아보았다. 회전력은고정자와회전자간의전자기결합에의해발생한다. 는바퀴가없으므로이러한회전력을열차의구동에이용할수없다. 따라서새로운방법이적용되어야한다. 그러나가구동되는추진력도이러한회전력을발생하는전동기와유사할것이라는것을짐작할수있다. 의구동력발생에이용되는전동기는선형전동기라고한다. 선형전동기란말그대로원형의회전력을발생시키는전동기가아니라선형즉직선방향으 교통에이용하는데있어서의가장큰장점은회전형전동기를교통에이용하기위해서필요한감속장치가배제된다는것이다. 감속장치는대부분치차와벨트또는체인같은기계적장치와함께구성되어구동시진동및소음과함께기계적결합에의한손실이발생한다. 가. LIM (Linear Induction Motor) 방식 Linear Induction Motor는선형유도전동기라고한다. 명칭에서볼수있듯이유도전동기이면서선형의형상을갖는전동기이다. 앞에서살펴본 그림 9 : 농형회전자의전자유도에의한전류발생회전형전동기와선형전동기의형상에서한가지의문점또는움직임의연속성을유지하기위해필요한조건을발견할수있다. 즉회전형전동기의경우고정자와회전자간의물리적상대위치가항상유지되면서회전운동으로동작한다. 그러나선형전동기로변형되면움직임의연속성을확보하기위해서는선형의움직임이필요로하는구간 그림 10 : 활동환 (Slip Ring) 에의한전기적연결이것은움직이는개체와의전기적연결은연속성유지에문제가발생할수있기때문이다. 이러한내용을기억해두고우선선형전동기에서회전형전동기의고정자와회전자에대응하는두개체에대한명칭을생각해본다. 고정자란전동기의동작중에움직임이없는상태로유지되는부분이 52 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 53
고회전자는움직임을발생하는부분이다. 그림 나서정지할것이다. 실제의구동장 되는다수의 1 차측을지상의노반에설치하게되 LSM 방식은 LIM 방식과달리 그림 12' 에서 11' 의펼쳐진선형전동기에서는고정자 (1 차측 ) 와 치에서는판형도체후면에철제의구조물이위치 므로각각의 1 차측양단이서로연결되어자기회 보는바와같이 2 차측이동자가영구자석또는직 이동자 (2 차측 ) 로표시되어있다. 즉회전운동이아 하여자계의발생에기여한다. 로의연속성을보장하므로누설인덕턴스의발생 류에의해방향이일정한전자석으로구성된다. 닌직선운동의움직임을발생시키는전동기이므 여기서열차의속도제어에관한사항을언급하 을억제하고견인력의연속성을확보할수있어 따라서 1 차측고정자에 3 상전류가흘러좌측또는 로회전자를이동자 (Mover) 라고표시하였다. 그러 면회전형전동기와마찬가지로인버터에의한고 전반적인효율이양호하게된다. 그러나지상의 우측으로진행하는자계가형성되면이동자는고 나우리가검토할것은선형전동기를자기부상열 정자측에인가하는 3 상교류전원의주파수및전 노반에설치될 1 차측의상대적복잡성에따라노 정자자계의이동을추종하여이동하게된다. 만 차에적용할때어느부분이고정되고어느부분 압제어가적용된다. 이러한선형전동기이론을자 반의굴곡및구배조건이까다로워지고 1 차측에 약고정자부분을연속적으로길게구성하고전원 이이동되는것이유리할것인가하는문제이다. 기부상열차에적용하고자한다면이미언급한바 공급할전력선의구성및제어가복잡해져서건설 의인가를적절하게제어한다면이동자의지속적 그림 8' 에서의개념으로회전형전동기를선형 와같이와전류에의한전자기적연속성을확보하 비의경제성이떨어지게된다. 하지만차량의무 이동을보장할수있을것임을이해할수있다. 전동기로변환하면회전자부분이위에위치하게 기위해두가지방법을활용할수있다. 게와차량에서소요되는전력의규모가감소하므 그림 12' 에서고정자철심부분의홈에기록된 되고고정자부분이아래에위치하게된다. 그림 로현재연구중인유도에의한전력전달방식이 알파베트는 3 상교류를인가하기위한권선의구성 11' 에서보는바와같이움직임의연속성을확보하 1) Short Primary Type (1 차측탑재형 ) 적용가능해지며 300[kM/h] 이상의속도구현을 방법을표기한것으로선형유도전동기의권선과 기위해서는전동기를구성하는두개체중하나 1 차측고정자부분을차량에탑재하고 2 차측판 위해서적용할수있다. 동일한조건이다. 물론선형유도전동기와마찬가 의연속성이확보되어야한다. 그림 11 은아래부분고정자 (1차측) 에서코일을생략한개념이며 형도체를지상의노반에설치하는방법으로 그림 11' 에서아래부분이차량에탑재되고윗부분이 나. LSM (Linear Synchronous Motor) 방식 지로속도제어는인버터에의한 3상교류전원의주파수및전압제어가적용된다. 차량에탑재되어 윗부분이동자 (2 차측 ) 는판형도체로구성된개념 노반에설치되는형태이다. 보는바와같이노반에 Linear Synchronous Motor 는선형동기전동기이 야할전기장치의무게및부피가줄어들게되어 이다. 여기서 1 차측에설치된 3 상권선에전류를 는판형도체만열차가운행하고자하는구간에설 다. 앞에서살펴본바와같이회전형동기전동기 차량의견인에소요되는동력의규모를절감할수 흘리면연결되는 3 상전원의상회전방향에따라 치하고실질적인구동부인철심과코일로구성되 는회전형유도전동기와같은형태의고정자와돌 있으며현재상용화를추진하는유도에의한에너 시간 - 공간적으로변동하는자기장이발생하고 1 차 는 1 차측은차량에탑재하므로전반적인건설비가 극형또는원통형회전자로구성되며돌극형회전 지전달방식으로차량에서소요되는에너지 ( 부상 / 측과 2 차측간의공극을통해 2 차측이동자판형 저렴할것이다. 그러나실질적인구동부인 1 차측 자는회전체의비대칭구조에의한소음및진동 보조동력 ) 를외부와의직접접촉에의한전기적 도체에 1 차측권선에대응하는부분별기전력이 이차량에탑재되므로구동에필요한대규모전력 으로고속도운전이곤란하여원통형회전자가개 연결없이공급받는방식으로초고속운전을위한 유기되며이기전력에의해와류가발생하여그림 을연속적으로공급하는방안이강구되어야한다. 발되었다. 동기전동기의동작원리는유도전동기에 최적의방식이된다. 물론비상상황에서의동력은 에서보는바와같이전류의방향이들어가고나가 또한 그림 6' 에서보는바와같이원형의회전형 비해간단하다. 고정자권선에 3 상교류가가해지 축적지등고효율전기저장장치를이용한다. 게된다. 이러한판형도체에서의부분별로발생하 전동기에서는 3 상권선이원통형으로구성되어자 면원통형고정자철심에회전자계가형성되고돌 한국고속철도즉우리나라경부고속철도를운행 는들어가고나가는와전류에의해발생되는자계 기회로의연속성이확보되어자기저항이적어지 극형및원통형회전자에가해진직류전원에의한 하는프랑스에서도입한 TGV 고속열차의구동장 가 1 차측전류에의해발생한자계와상호작용하 므로효율이양호하지만판형으로구성된선형전 회전자철심의 N 극과 S 극이고정자철심의회전자 치에적용된전동기의방식이동기전동기이다. 일 여 Lorentz's Force 라는견인력을발생하게되며 동기의 3 상권선은양단이서로이격되어자기회 계를따라서돌아가는구조이다. 직류전원에의한 반적으로도시전기철도에적용하는전동기방식 좌측또는우측으로이동하여고정자부분을벗어 로의연속성을유지할수없게되므로누설인덕 회전자의여자에관해서는이미 LIM 방식에서언 은대부분이농형유도전동기인데비해 TGV 열 턴스가발생하고견인력이불연속하게되어전반 급하였다. 차가동기전동기를적용한데는나름대로이유가 적인효율이저하한다. 이러한제약조건에따라 있다. 동기전동기는우리가아는바와같이위상특 SP 방식에의한의속도한계는 성곡선 (V 곡선 ) 으로나타나는회전자여자전류의 300[kM/h] 의중 저속형이되며현재한국의 크기에따른부하전류의위상특성이있다. 여자전 Rotem 과일본의 HSST 가개발중이다. 류의크기를제어하여부하전류의위상을지상또 는진상으로제어가가능하므로동기조상기로적 그림 11 : 회전형에서선형으로변환된유도전동기 2) Long Primary Type (2차측탑재형 ) SP 방식의반대의경우로철심과코일로구성 그림 12 : 회전형에서선형으로변환된동기전동기 용되어전체계통전류의위상을제어할수있다. 이러한특성으로효율과역률을높게유지할수 54 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 55
있는장점이있어 TGV 열차에적용된것이다. 온에서의도체를철심에권선하여발생하는자계 하며각단위고정자마다 3 상교류전원이연결되 그림 13' 에서보는바와같이 ( 여자전류 ) 의크기 를이용하는방식으로독일의 Transrapid 사가적 고열차의진행에따라전방에위치하는적정거리 를일정값이상 / 이하로제어하면 ( 부하전류 ) 가진 용하는방식이다. 이방식에의한고속도자기부 구간내에위치한단위고정자에전력을공급하기 상 (lead) 및지상 (lag) 값을갖게되어계통의조건 상열차가상하이공항에설치되어상업운전을하 위한스위칭제어장치가부가되어야한다. 물론 에따라부하전류의크기및위상을 제어하여계 고있다. 열차가진행한후방의단위고정자의 3 상교류전원 통의역률을 100[%] 로유지할수있다. 은다시꺼짐상태로변환유지되어야한다. 열차 이러한관점에서의경우도 의부상및진행을위한자계를효율적으로발생 300[kM/h] 이상의고속도운영을목표로하는경 시키는장치에철심과상온에서의도체를활용하 우에너지이용의효율성제고를위하여대부분이선형동기전동기방식이적용된다. 즉, 고속도운전 는방식으로현재기술로서큰경제적부담없이고속주행의구현이가능한세계최초로독일에의 노반구조 에서는대규모의전력이소요되며 LSM 방식이 해상용화된기술이다. LIM 방식대비전력소비율이낮다는것이다. 따라서를계획하는데있어서의방 2) Air Core Type ( 초전도도체코일방식 ) 식선정기준은차량및시스템의신뢰성이나운영 초전도도체코일방식은차상장치에초전도현 제어의난이도보다는건설비및운영비 ( 전력비 ) 구성개요 상을갖는도체를이용하여철심을없애고공극 경제성과목표운영속도에따라결정된다. (Air Gap) 만으로차상장치와지상장치간에전자 주행동작 기적결합을발생시켜열차의부상및진행을구 현하는방식이다. 현재일본에서연구되고있으며 시험선구간에서세계최고의주행속도를기록한 방식이다. 기본구성은지상노반에설치된일반도체주행코 전력공급개요 일및부상 / 충돌방지용코일과차상에초전도체동작코일로구성된다. 이방식의차량은수동적 그림 14 : 상전도도체방식 -Transrapid/Germany 으로동작하는바퀴가부착되어자기에의한열차부상동작이개시되는일정속도까지의주행을보 부상동작 그림 13 : 동기전동기의위상특성곡선 상전도도체방식의개요를 그림 14 와함께보면차량과노반양측에철심및권선이존재한다. 조한다. 차량을중심으로노반의양측에는열차의부상및충돌방지를위한코일과열차를원하는 차량측장치가노반측장치보다더복잡하게보이 방향으로견인하여주행을시켜주는코일이배치 선형유도전동기방식과달리선형동기전동기 지만실제로는차량측장치는매우간단하여직류 방식에서는물리적상대위치의연속성을확보하 로여자되는전자석이전부이다. 그림에나타나는 기위한 SP 와 LP 방식의두가지방법에더하 Linear Generator 에관해서는다음에설명하기로 여자계의형성방법에따른적용가능한두가지 하고노반측에설치될고정자에대해살펴보면그 형식이추가된다. 림에서는단순하게표시되었지만실제로는회전형동기전동기의고정자와마찬가지로 3상교류 충돌방지동작 1) Iron Core Type ( 상전도도체코일 + 철심방식 ) 전원에의해진행자계를발생하는평면화된단위 이방식은회전형동기전동기와마찬가지로상 고정자가운영구간내에연속적으로설치되어야 구성개요 그림 15 : 초전도도체방식 -MLX/Japan 56 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 57
된다. 따라서노반의구조가 그림 3 과같이좀 가. 직접접촉방식 ( 중 저속형방식 ) 적용되고있으나초전도체를이용하는자기부상 - 풍동적영향에의한소음발생및고속주행저해 복잡한편이다. 차상에초전도체로구성되는코일은아주적은직류전류로여자되어그림과같이 N/S 극을형성하고있으며지상노반에설치된주행코일, 부상 / 충돌방지용코일및제어장치의차량위치에따른조건에부합하는코일여자에의해안전하게주행방향으로진행하게된다. 3. 차량급전방식에의한분류지상에서운영되는모든전기이용궤도차량과마찬가지로에서필요로하는전력은크게두가지이다. 하나는견인동력을발생시키기위한전력과탑승한승객에게쾌적한환경을제공하고비상시필요한조치를하거나열차를안전하게운행하는데소요되는보조동력이다. 이 이방식은우리가주변에서볼수있는방식으로가공전차선에의한방식과제3궤조에의한방식이있다. 일본에서의연구에의하면에서직접접촉방식에의한지상에서차상으로의전력공급은시스템의특성상 100[kM/h] 의속도까지가한계인것으로알려져있다. 를이용하고자하는대중교통에는도시내교통과도시간교통이있을것이다. 이러한속도에의한시스템구성제약은직접접촉에의한전력공급방식을적용한시스템의적용범위를제한한다. 따라서의장점을최대한이용하기위해서는무접촉에의한지상에서차상으로의전력공급방식을적용하는시스템의개발이요구된다. 열차에국한된내용이므로여기서는생략한다. 1) 선형발전기 (Linear Generator) 방식 그림 14 상전도도체방식 에서보면차상에설치될이동자부분의철심상부에회전형동기발전기에서볼수있는제동권선과같은코일의형상을볼수있다. 이코일이지상장치인고정자코일과작용하여차상전력을생산하는선형발전기이다. 이러한차상의선형발전기는가일정속도 ( 약 100[kM/h] 이상으로주행하는동안차상에서필요로하는전력을생산공급한다. 회전형동기발전기와달리의주행에따른운동에너지를이용하여발전을하므로전압및주파수의변동이심하여일정수준의조절장치 (Regulator) 를부가하여야한다. 열차의운동 - 강설, 결빙및오염에의한영향민감 - 집전자에의한고속주행안전성문제발생 2) IPS (Inductive Power Supply System / 유도전력공급설비 ) 동작원리 중에서비상시필요한조치를위한동력은축전 나. 접촉배제방식 ( 고속형방식 ) 에너지와지상의열차구동용고정자권선의진행 지를이용하며축전지는항상완전충전상태를유지하여야하므로충전기가필요하다. 이충전기역시전기에의해충전전류를축전지로공급할수있다. 따라서열차를견인하는데소요되는동력을지상에서공급제어하므로열차내부에서소요되는동력이가장작은 LIM + Long Primary Type 에서도외부로부터차상으로의에너지공급이필요하다. 는고정된궤도위를주행하지않고공기중에떠있는형식으로주행하므로지상에설치될전력공급선과차량과의상대적위치가항상변화할수있다. 이러한현상은고속주행으로갈수록심화될것이므로직접접촉에의한전기적연속성확보가어려워양질의전력공급이불가능하여진다. 현재약 200[kM/h] 의속도가한계속도라고알려져있다. 따라서의중요한개발목적중하나인궤도열차를뛰어넘는고속주행을달성하기위해서는지상에서차상으로의기계적접촉을배제한전력공급방안의개발이필요해진다. 기계적접촉이없는지상에서차상으로의전력공급방식은의고속주행을위한필수적용항목이다. 의에너지효율성과가속성능의장점은장거리고속운행의경우에최대화된다. 그러나고속의경우에도정지에서일정속도도달까지와고속주행중정차및정지를위한감속시일정속도이하의범위에서접촉에의한지상에서차상으로의전력공급이필요하였다. 왜냐하면는정지중에도차체를노반에서일정수준부상시켜유지하여야하며차량실내승객을위한공조시설을가동하여야하기때문이다. 열차의부상에필요한전력은차량실내공조설비를위한부하보다는적다. 이러한고속주행을위한필요성에서일반적으로아래의두가지방식이개발적용되어고속주행의모든구간에서기계적접촉을배제한전력공급이가능해졌다. 일본의초전도도체방식의경우에는이와유사하나약간다른기계적접촉을배제한방식이 자계를이용하므로자계의진행속도와열차의진행속도에따른선형발전기에서의겉보기교번자계속도는열차의실제주행속도와는큰차이가있으며주행위치에따라유동적이다. 따라서열차가 100[kM/h] 이하의속도에서는교번자계의조건을충족할수없어발전량및전압이미미하여발전기로서의역할을하지못하는상태가발생된다. 이러한제약조건으로초기에는주행구간내의정거장인접구간등속도를 100[kM/h] 이내로주행하여야하는구간에는기계적직접접촉에의한전력공급을위하여제3궤조방식의보조급전선로를설치하여운행하였다. 그러나외부직접접촉에의한급전방식은다음과같은여러가지부작용을발생하여 IPS 방식이전체구간또는저속운행구간에개발적용되고있다. - 차량설치집전자에대한정기적유지보수필요 - 주행중불완전접촉에의한스파크발생 - 제3궤조의설치오차범위조건유지곤란 1차측코일형상노반측면설치형상그림 16 : IPS (Inductive Power Supply System) 58 www.keca.or.kr 전기설비 2007/11 59
유도전력공급설비는정지형변압기의원리를이용한전력전달방식이다. 정지형변압기는철심을매개로구성된 1, 2차권선간에 1차권선에가해진교류전력이 2차권선으로전자기적결합에의해전달되는형식이다. 1차권선에가해지는교류전력은상용주파수 (50-60 Hz) 의전력으로전압및전류의크기는현재거의제약이없다. 유도전력공급설비와정지형변압기간의외형적다른점은철심이서로연결되어있지않다는것이될것이다. 즉유도전력공급설비의 1차측부분은지상에설치되며 2차측부분은차상에설치된다. 따라서정지형변압기와비교할때 1, 2차간에존재하는공극에의해자기회로의결합이약하여누설이많이발생되어효율이저하할것이다. 이러한구조적제약을극복하기위해 1차측의코일의형상과적용주파수를개선하여사용하는구조이다. 차량에탑재되는 2차측은 Pick-Up Coil 이라고불리며철심과코일로구성된다. 여기서 1차측은유도루프라고하며노반의구조물에병가하여설치한다. 유도루프와차량에탑재되는 Pick-Up Coil 은열차의주행속도및상대적위치와무관하게전자유도에의한비접촉에너지전달을가능하게해준다. 유도전력공급설비의시스템구성은지상설비와차상설비로구분된다. 차상설비는이미언급한그림 17 : Configuration of Inductive Power Supply System Pick-Up Coil에연결된차량에서소요로하는전압으로의승압및불규칙한전압및주파수를조절하는장치로구성된다. 지상설비는 1차측유도코일과전원장치로구성되는데유도코일은동축간선케이블이라고하는데 그림 16 에서보는바와같이가는구리도체를전동기및변압기권선의절연과유사한방법으로각각바니쉬에의한절연처리하고여러가닥을꼬아서구성한구조이다. 이러한구조는 1차유도코일에가해지는 20 [khz] 의고주파대전류의흐름에의해발생하는표피효과를저감하여 2차측으로의에너지전달의효율성을제고한다. 루프코일은약 100[m] 간격으로설치될수있으며일정간격으로직렬콘덴서가삽입된다. 직렬콘덴서는정격주파수 20[kHz] 에직렬공진되도록조정되어루프코일은실질적으로순수저항부하가되며전구간에걸쳐불필요한전압상승은발생하지않는다. 지상전원장치는가용한유틸리티전원으로부터변압기에의해저압으로변성되고변성된저압전원은고주파인버터를거치면서 20[kHz] 의전원으로변경되며약 200[A] 정도의정격으로결합장치를거쳐루프코일에연결된다. 4. 결언금회에는시스템의기본분류에대한개념을살펴보았다. 여기에수록된내용으로현재세계각국이개발중인시스템의종류및기본원리에대해우리가가지고있는전자기적개념과회전형전동기에대한지식으로충분히이해가가능하리라고생각한다. 다음회에는현재실용적으로상용화에접근하고있는두가지시스템즉, 우리나라에서개발중인 EMS- SP 방식과독일에서개발하여중국상하이국제공항에적용한 EMS-LP 방식에대한구성, 특징, 동작원리및장단점을살펴보고자한다. 60 www.keca.or.kr