전기철도용 주전동기

왜 배우는가: 전기철도용 주전동기는 차량의 견인력과 가속·제동 성능을 결정하는 핵심 기기이며, 전기차량 설계와 운용 효율을 좌우하므로 시험에서 구비조건과 종류·특성을 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 직류 직권 정류자 전동기에서 교류 유도전동기로 옮겨 온 기술 변화의 흐름을 이해해야 답안을 체계적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제135회 1교시 12번, 제113회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기철도용 주전동기는 전기 에너지를 열차 바퀴의 회전력(견인력)으로 바꾸어 열차를 가속·주행시키는 견인 전동기로서, 넓은 속도 범위에서 큰 시동 토크와 안정된 출력을 내야 하는 기기다.

핵심 키워드

• 견인 전동기: 차량의 바퀴를 직접 또는 기어를 거쳐 구동하는 전동기.
• 시동 토크: 정지 상태에서 열차를 출발시키는 데 필요한 큰 회전력.
• 직권 정류자 전동기: 계자와 전기자가 직렬로 연결된 직류 정류자 전동기.
• 역기전력: 회전에 따라 전기자에 생기는 전압으로, 속도 증가 시 전류를 억제하는 작용을 한다.
• 회생제동: 제동 시 전동기를 발전기로 작동시켜 전력을 전차선에 되돌리는 제동 방식.
• 속도 제어: 전압이나 주파수를 바꾸어 열차 속도를 조절하는 방법.
• 유도 전동기(IM): 고정자 회전자기장으로 회전자에 유도 전류를 발생시켜 토크를 얻는 교류 전동기.
• 인버터 제어: 직류를 가변 주파수 교류로 바꾸어 교류 전동기를 제어하는 방식.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 주전동기는 열차를 움직이게 하는 엔진 역할을 하는 전동기다. 열차는 출발할 때 가장 큰 힘이 필요하고, 달리는 동안에는 속도에 따라 필요한 힘과 속도가 달라진다. 그래서 주전동기는 출발 때 큰 토크를 내고, 고속에서도 출력을 유지할 수 있어야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 전기철도용 주전동기는 전차선 또는 차상의 전원을 받아 차량의 견인력을 발생시키는 전동기이며, 차량 중량·속도 범위·제동 방식에 맞추어 선정된다.

직류 직권 전동기의 원리는 다음과 같다. 계자 전류와 전기자 전류가 같은 전류이므로, 토크는 전류의 제곱에 비례하는 특성을 가진다. 회전수가 오르면 역기전력이 커져 전류가 줄고, 토크도 함께 줄어 자연스럽게 속도와 토크가 균형을 이룬다. 이 특성 때문에 시동 토크가 크고 무제어로도 넓은 속도 범위에 적응할 수 있다.

교류 유도전동기의 원리는 다음과 같다. 고정자에 3상 교류를 가하면 회전자기장이 생기고, 이 자계가 회전자 도체를 끊어 유도 전류가 흐르며 토크가 발생한다. 슬립이 있어야 토크가 생기므로 회전수는 동기속도보다 약간 낮다. 정류자가 없어 구조가 단순하고 보수가 적다는 장점이 있다.

직권 전동기와 유도전동기의 차이는 다음과 같다. 직권 정류자 전동기는 정류자와 브러시가 필요해 보수가 많고, 유도전동기는 인버터와 함께 쓰여 제어 성능이 높다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전기철도는 직류 전원을 사용했고, 직류 직권 정류자 전동기가 기동 토크가 커서 주로 쓰였다. 직류 전동기는 가변 공급 전압이나 계자 전류 변화로 속도를 넓은 범위에서 조절할 수 있어 초기 철도의 주력 기기가 되었다. 이 점은 전기철도가 처음부터 직류 방식을 중심으로 발전한 배경이다.

시간이 지나며 전차 운행 속도가 높아지고 열차 중량이 늘면서, 정류자와 브러시의 마모·불꽃 문제, 고속에서의 정류 한계가 문제로 드러났다. 이 한계를 해결하기 위해 교류 전원을 사용하는 방식이 발전했다. 교류 전철에서 정류 장치를 차상에 두어 직류 전동기를 쓰는 방법과, 인버터로 교류 유도전동기를 구동하는 방법이 함께 연구되었다.

유도전동기는 정류자가 없어 고속·대출력에 유리하고 고장과 보수가 적다. 반도체 인버터의 발달로 주파수와 전압을 자유롭게 제어할 수 있게 되면서 현재 전기차량의 주류 구동 방식이 되었다. 따라서 주전동기 구비조건은 이 두 방식의 장단점을 기준으로 정리된다.

차량 측면에서 주전동기는 출력밀도(단위 중량당 출력)가 높아야 하고, 차량 하부 공간 제약 때문에 소형·경량이어야 한다. 또한 비가 오거나 먼지가 많은 환경에서도 견디는 내환경성이 필요하다. 이러한 요구가 주전동기 구비조건의 배경이다.

계산 예시로 보면, 주전동기 출력 P는 견인력 F와 속도 v의 곱으로 구하며 $P = F \times v$ 여기서 P는 출력(kW), F는 견인력(kN), v는 속도(m/s)다. 같은 출력이라도 속도가 낮은 구간에서는 큰 견인력이 필요하므로, 출발 구간의 토크 특성이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

전기철도용 주전동기는 차량 바닥 아래 또는 대차(台車)에 장착되어 전기 에너지를 기계적 회전력으로 바꾸는 장치다. 구동 계통은 집전장치에서 받은 전력을 주변환장치(인버터·초퍼)로 조정하고, 전동기가 토크를 내면 감속기어를 거쳐 동륜에 전달되는 순서로 이루어진다. 전동기의 토크는 전류에, 회전수는 인가 전압에 비례한다는 관계가 설계와 제어의 출발점이다.

표의 구성은 전력 흐름 순서다. 주변환장치가 전동기 입력을 조정하므로 전동기 종류 선택과 제어 방식은 서로 맞물린다. 감속기어비는 동일 전동기로도 가속도와 최고속도의 균형을 바꾼다.

전동기의 원리는 두 가지로 나눠 설명한다. 첫째, 자계 속 도체에 전류가 흐르면 F = BIl 의 힘이 작용한다(F: 힘[N], B: 자속밀도[T], I: 전류[A], l: 도체 길이[m]). 직류 직권 전동기는 계자와 전기자가 같은 전류를 공유하므로 토크가 전류의 제곱에 비례하는 특성을 가진다. 둘째, 변화하는 자계 속 도체에 유도 전류가 흘러 힘이 생기는 것이 유도전동기의 원리다. 두 경우 모두 발생 힘은 자기장과 전류의 곱에 비례한다.

전동기의 회전수는 다음 식으로 정리된다. 역기전력 E = K\Phi N 이 인가 전압 V 와 평형을 이루므로 V = E + IR 이고, 정상 상태에서 회전수는 대략 N \approx (V - IR)/(K\Phi) 이다(N: 회전수[rpm], \Phi: 자속[Wb], K: 기계 상수, R: 전기자 저항[Ω]). 따라서 전압을 올리면 회전수가 늘고, 자속(계자 전류)을 줄이면 회전수가 늘어나 약계자 제어가 가능하다. 토크는 T = K\Phi I 이므로 기동 시 전류를 크게 하면 큰 토크를 얻는다.

주전동기 선정 절차는 다음과 같다.

• 차량 중량·구배·곡선 조건으로 요구 견인력과 최대 견인력을 산정한다.
• 최고 운전 속도와 정격 속도에서 필요한 출력을 계산한다.
• 전원 방식(직류 또는 교류)과 전압 등급에 맞는 전동기 형식을 고른다.
• 연속 정격과 단시간 정격으로 온도 상승을 검토한다.
• 기어비를 정하고 가속도·최고속도를 확인한다.
• 회생제동 범위와 제어 방식(VVVF 등)을 확정한다.

전동기는 연속 정격 출력으로 온도 상승이 한계에 이르지 않도록 설계한다. 기동 시에는 순간 과전류를 허용하므로 단시간 정격도 함께 본다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기철도용 주전동기를 직접 규정하는 법령은 철도 차량 안전기준과 전기설비 기준이다. 국내에서는 「철도의 기술기준에 관한 규정」과 전기철도 설계기준이 차량 및 견인 설비의 기준이 되며, 전기설비는 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 외국 기준으로는 철도용 회전기와 철도 전원 전압에 관한 국제 표준이 자주 인용되나, 조항 번호는 본 문서에서 확정하지 않는다.

표의 값은 전원 방식과 노선 조건에 따라 달라진다. 실제 설계에서는 노선별 전원 사양과 차량 사양서를 함께 확인해야 한다.

예를 들어 직류 전철용 견인 전동기 한 대는 정격 전압 825V, 출력 180kW(정격 여자 비율 92.5%)로 기재되어 있고, 질량은 2,000kg이다. 이는 특정 차량의 사양이므로 일반 기준으로 쓰지 않는다.