견인전동기

왜 배우는가: 견인전동기의 토크와 속도 특성이 열차의 가속력과 운행 속도를 정하므로 전기철도 기술사 시험에서 기본 개념으로 반복해 나온다. 실무에서는 차량 설계와 주행 제어를 이해하는 출발점이 된다.

출제 이력: 제134회 1교시 7번, 제112회 3교시 2번, 제100회 4교시 4번, 제94회 1교시 13번, 제89회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

견인전동기는 전기철도 차량의 추진력을 발생시키는 전동기이다. 답안의 첫 줄은 이 정의로 시작하고, 전기 에너지를 회전력으로 바꾸어 동륜을 구동하는 장치라는 설명을 바로 이어 쓴다. 아래 키워드는 이 절 전체에서 반복되는 용어이므로 답안 본문에 그대로 쓴다.

• 견인전동기
• 토크
• 점착력
• 속도-토크 특성
• 직권 특성
• 분권 특성
• VVVF 제어

2. 개념 풀이

견인전동기는 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 전동기 가운데 열차의 추진력을 만드는 것을 말한다. 직류 직권 전동기, 교류 유도전동기, 영구자석 동기전동기 등이 쓰이며, 어떤 형식을 택하더라도 시동 토크, 속도 범위, 제어 방식이 설계의 기준이 된다.

전기철도에서는 전차선이나 급전선으로부터 받은 전력이 전동기 안에서 회전력으로 바뀌고, 이 회전력이 감속기어를 거쳐 차축의 동륜에 전달되어 차량을 움직인다. 따라서 견인전동기의 토크 특성은 열차의 가속력과 최고 속도를 결정하는 기본 요소가 된다.

직류 전동기의 발생 토크는 다음 식으로 나타낸다.

$T = Kφ·Iₐ$

T는 토크(N·m), K는 기계 상수, φ는 계자 자속(Wb), Iₐ는 전기자 전류(A)이다. 전동기 각속도 ω(rad/s)가 올라가면 역기전력 E = Kφω가 커져 전기자 전류가 줄어들고, 그 결과 토크의 크기도 함께 변한다. 이 관계가 속도에 따라 토크가 달라지는 전동기 특성의 원리이다.

토크는 회전력이며 열차의 출발과 가속을 만드는 힘의 원천이다. 정지 상태에서 출발하거나 경사를 오를 때는 큰 토크가 필요하고, 정속 주행 중에는 주행 저항을 이길 정도의 토크면 충분하다.

점착력은 차륜과 레일 사이에서 미끄러지지 않고 전달되는 마찰력이다. 전동기가 아무리 큰 토크를 내도 점착력의 한계를 넘으면 차륜이 미끄러지므로, 견인력은 점착력 한계 안에서만 발휘된다.

속도-토크 특성은 전동기의 속도와 발생 토크의 관계를 나타내는 특성이다. 이 특성이 부하의 속도-토크 특성과 맞아야 전동기 운전이 안정하다.

직권 특성은 토크가 클 때 속도가 현저히 줄고, 토크가 작아질수록 속도가 크게 올라가는 특성이다. 시동 토크가 큰 부하에 적합하지만 무부하 상태에서는 속도가 과도하게 증가하므로 무부하 운전 금지가 원칙이다.

분권 특성은 토크가 변해도 속도가 거의 변하지 않는 특성으로 정속도 특성이라고도 한다. 시동 토크가 크지 않은 부하에 적합하므로, 시동 토크가 큰 열차 견인에는 직권 특성이 주로 활용된다.

VVVF 제어는 인버터의 출력 전압과 주파수를 함께 가변하여 교류 전동기의 속도를 연속적으로 제어하는 방식이다. 유도전동기의 동기속도는 다음 식과 같이 전원 주파수에 비례하므로, 주파수를 바꾸는 것이 연속 속도 제어의 기본이 된다.

$Nₛ = 120f/p$

Nₛ는 동기속도(rpm), f는 전원 주파수(Hz), p는 극수이다. 전압도 주파수에 비례하여 함께 바꿔야 자속이 일정하게 유지되고 토크를 안정적으로 얻을 수 있다는 점이 VVVF 제어의 핵심이다.

인버터 방식은 감속 시 전동기를 발전기로 동작시켜 전기 에너지를 전원 쪽으로 되돌리는 회생제동도 할 수 있다. 이 기능 덕분에 제동 때 발생하는 에너지를 재사용하여 에너지 효율이 높아진다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 증기기관차나 디젤기관차에 비해 견인력이 크고 가감속 특성이 좋다. 이 특성 덕분에 운전빈도가 높은 구간, 정차역이 많은 구간, 경사가 있는 구간에서 평균 속도를 높일 수 있다. 견인전동기가 낼 수 있는 가속력과 토크 특성이 전기철도의 수송능력과 운행시간을 좌우하므로, 견인전동기는 전기철도의 성능을 결정하는 핵심 기기로 자리 잡았다.

수송 분야의 에너지 소비가 늘고 석유 의존도를 낮춰야 한다는 요구도 배경이 된다. 전기철도는 석유 이외의 에너지원으로 생산된 전력을 쓸 수 있으므로, 전력을 효율적으로 기계 에너지로 바꾸는 견인전동기의 역할이 더 중요해진다.