2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A097

자기부상열차 에너지효율 향상을 위한 전기제동 제어기법에 관한

연구

A Study on the electric braking control technique for the energy efficiency

improvements of MAGLEV

마상견*†, 이경복*, 이희선*, 박도영**

Sang kyeon Ma*†, Kyoung Bok Lee*, Hee Sun Lee*, Doh Young Park**

Urban maglev train is preparing the opening at Incheon International Airport demonstration route through commercialization business as a means of the environment friendly public transportation in accordance with the green city construction. Maglev train is known to eco-friendly and economical system which has a few vibration, noise and dust compared with other system, however the optimization method for reducing the electricity operating cost should be consistently studied prior to the maglev commercialization. This study suggest the optimization method and it was confirmed through the train test adjusting slip frequency to improve of energy efficiency for electric command brake by inverter control method improvement.

Keywords : Maglev, energy efficiency, propulsion control

도시형 자기부상열차는 녹색도시 건설에 부합하는 친환경 교통수단으로 현재 실용화

사업을 통해 인천공항 시범노선에 개통 준비를 하고 있다. 타 차종에 비해 진동, 소음,

분진이 거의 없는 친환경적이고, 경제적인 시스템으로 알려져 있으나 차량 운행에 따른

전력운영비 절감을 위한 최적안 도출은 자기부상열차 상용화에 앞서 지속적인 연구가 필요한

사항이다. 본 연구는 자기부상열차에 적용되어 있는 인버터 제어 방식을 개선하여 전기제동에

대한 에너지 효율 향상을 위해 추진제어기법 제안과 현차 실험으로 그 방법을 검증하였다.

주요어 : 자기부상열차, 에너지 효율, 인버터 제어

1. 서 론

오늘날 철도는 지구온난화 해결과 환경성을 고려한 절대적인 대중교통으로 자리매김하고

있는 이때, 신교통수단을 중심으로 에너지 효율에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

특히 자기부상열차는 차량 특성상 에너지 효율이 상대적으로 다른 차종에 비해 낮다. 철재

차륜 전동차, K-AGT(고무차륜전동차) 등 다른 차량시스템과의 에너지 소비특성을 비교해 보

면 상대적으로 많은 전력을 소비하고 있다.

† 교신저자: 대전광역시도시철도공사 연구개발원 (malnara@hanmail.net)

* 대전광역시도시철도공사 연구개발원

** 한국기계연구원 도시형자기부상열차 실용화사업단

본 연구는 자기부상열차의 에너지 효율을 향상시키기 위해 제동시 전기제동 활용을 높이

기 위해 추진제어장치의 제동제어 패턴 변경하여 시험을 통해 그 방법을 입증하였다.

2. 본 론

2.1 전기제동 패턴 분석

전동차의 제동장치는 전기제동 및 공기제동을 혼합하여 제동작용을 수행하는데 이를 블랜

딩 제동이라고 한다. 블랜딩 제동은 차량 제동시 전동기에서 발생하는 회생 에너지를 전차

선에 공급하여 에너지를 절감하고 마찰제동을 최소화하여 유지보수비용을 절감하는데 목적

이 있다. 지난 1999년 표준화 전동차 개발에 이어 2004년도부터 차세대 전동차를 개발하고

있는데 전동차 제동은 기존 블랜딩 제동에 있어 전기제동을 최대로 이용하도록 하여 마찰

공기제동을 최소화하기 위해 지속적으로 개발 중에 있다. 전기제동 효율을 높이기 위하여

전동기의 성능을 향상하고 회생에너지의 부족분만을 공기제동으로 체결하도록 함으로서 그

목적을 달성할 수 있다. 그러나, 자기부상열차의 제동특성은 기존 철도차량과 달라 전기제

동에 역상제동을 추가하여 사용함으로서 에너지 효율이 상대적으로 낮다.

2.1.1 철재차륜 전기제동 방식

철재차륜 전동차 제동은 회생제동과 공기제동을 혼합한 블랜딩 제동을 사용한다. 이때

전동차는 감속하기 위해 전체적인 요구제동력은 인버터 장치와 제동장치에 제동 지령을

보내게 된다. 이러한 제동 요구지령에 대하여 인버터는 전기적 제어를 통해 먼저

회생제동을 수행하게 되는데, 회생 수용성이 부족할 경우 회생제동 수행이 불가함에 따라

전체 요구제동력을 만족하기 위해서 전동차는 회생력에 의한 전기제동력 부족분을

공기제동력으로 보충하게 된다.

Fig. 1 Characteristic curves of electric braking (Daejeon Metro line 1)

그림 1 에서와 같이 전체 요구되는 제동지령에 대하여 회생수용성이 충분할 경우

전동차의 공기 및 전기제동 지령을 전동차 속도 11 ㎞/h 에서 블랜딩 시작으로 4 ㎞/h

지점에서 전기제동이 완전 Fade out 되고 순수 공기제동으로 체결하도록 제동제어 패턴을

프로그램화하여 전동차에 적용하였다.

Fig. 2 Characteristic of Inverter Current (Steel wheel vehicle)

그림 2 는 철재차륜전동차의 전형적인 추진 및 제동시 발생하는 인버터 전류

특성곡선이다. 최고 속도 50km/h 롤 추진 및 제동시 소비되는 인버터 전류로 제동시 회생에

따른 특성을 보여주고 있어 회생에너지 재사용에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

2.1.2. 자기부상열차 전기제동 방식

자기부상열차는 제동시 철재 및 기타 전동차량이 수행하는 회생(전기)제동과 공기제동을

사용하는 블랜딩 제동방식과는 달리 그림 3,4 와 같이 차량특성에 따른 전기제동과

역상(Plugging)제동을 사용하고, 차량의 저속영역(약 4~5km/h)에서 전기제동이 완전

소멸하여 제동부족분에 대하여 공기제동을 수행하며 차량이 정지하는 제동시스템으로

구성되어 있다.

Fig. 3 Characteristic of Inverter Current (MAGLEV)

모터전류/차량속도

인버터 전압/전류

Fig. 4 Characteristic of electric braking (MAGLEV)

2.2 사례연구

본 논문에서는 한국기계연구원내 도시형 자기부상열차를 시험모델로 선정하였다. 자기부

상열차의는 그림 5와 같이 량당 인버터 1개와 LIM 4S2P로 구성되어 있는데, 인버터제어 방

식은 원형유도전동기 제어와 달리 LIM과 차량 부상특성에 의해 제어 응답특성이 우수한 백

터제어 방식을 사용하지 못하고 Slip 주파수 제어 방식을 적용하였다.

Fig. 5 LIM connection of MAGLEV

슬립주파수 제어방식은 그림 6과 같이 일정 슬립주파수 이하에서 급격한 LIM 흡인력이 발

생하여 부상에 영향을 미치고 회생소멸 시점을 최대한 낮추는데 제한을 준다. 따라서 에너

지 효율측면에서 슬립주파수 제어시점은 흡인력과 추진력의 상관관계를 충분히 고려하여야

한다.

Fig. 6 Linear Induction Motor Slip Frequency and promotion / attraction properties

2.2.1 슬립주파수 변경

기존인버터 슬립주파수 변화를 통해 자기부상열차 제동시 발생하는 회생전력과 역상전력에

대한 시점 조정으로 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 기존 슬립주파수 13.5Hz대비 11.5Hz로

변경하여 인버터전류 상변환 시점, 회생전력, 역상전력을 실측하였다. 조건은 차량 추진 100%,

제동 100%, 최대속도 50Km/h, 총10회 시험하였다. 표 1은 계측 장비사양과 그림 7, 8은 슬립

주파수 변경시 인버터 측정 데이터이다.

Table 1 Instrument specification

Fig. 6 Inverter measurements (Left : 13.5Hz, Right : 11.5 Hz)

2.2.2 시험결과

슬립주파수 변경에 따른 실측 소비전력은 슬립주파수 13.5Hz에서 11.5Hz로 변경시 인버터

상전류 변환시점이 20Km/h에서 16Km/h로 낮아졌고, 회생량이 많아지고 역상제동에 필요한 에

너지가 상대적으로 감소하였다. 표 2는 소비되는 전력을 실측한 자료이다.

Table 2 Measurement data (Left : 13.5Hz, Right : 11.5 Hz)

실측데이터 결과와 같이 회생제동과 역상제동은 각각 24.1%, 16%가 절감을 통해 전체적으

로 6.9%의 에너지 절감효과를 얻게 되었다.

3. 결 론

자기부상열차의 에너지 효율은 타 철도차량에 비해 상대적으로 낮아 현재 효율향상을 위한

기술연구가 지속적으로 진행하고 있다. 본 연구를 통해 슬립주파수 변경으로 에너지 절감효과

를 확인하였으나 향후 LIM과 Reaction Plate간의 공극 최적화나 인버터 제어방식에 대한 연구

가 진행되어야 할 것이다.

후 기

본 연구는 국토해양부가 출연하고 국토교통과학기술진흥원에서 위탁 시행한 도시형

자기부상열차 실용화 사업후속과제(철도기술연구사업 과제번호 : 14RTRP-A069839-02)의

연구비 지원으로 수행되었습니다.

참고문헌

1. 대전도시철도공사, 한국기계연구원 “도시형 자기부상열차 성능 및 효율향상 연구(1차년

도) 최종보고서”2014