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| 205계 전동차 |
1. 개요
界磁 添加勵磁制御 / superimposed field excitation control직류직권전동기의 제어 방식. 저항제어 차량에서 일반적으로 사용되는 약계자제어에 첨가여자 장치를 통해 계자에 전력을 첨가하여 회생제동을 직권전동기에서 구현할 수 있도록 만든 방식으로, 저항제어 차량의 최종 개선판이라 볼 수 있다.
2. 상세
저항제어를 사용하는 차량은 정격속도 구간까지는 가변저항을 통해 정토크제어(정가속도)를 하여 견인력을 확보한다. 그러나 정격속도 이상이 되는 구간부터는 약계자제어를 통해 쇼트되는 전류를 증가시킴으로써(즉, 계자에 인가되는 전력을 줄임) 계자의 자속을 약화한다. 이렇게 되면, 전동기에서 발생하는 역기전력이 줄어드는데, 이 과정에서 토크는 희생되지만 회전자(전기자)의 회전속도를 정격 이상으로 높일 수 있게 되어 고속주행에 적합하게 된다.약계자제어 또한 기초적인 방식으로는 저항제어를 통해 계자에 인입되는 전류를 줄임으로써 수행되는 경우가 대부분이었는데, 이 약계자제어 구간의 제어를 초퍼제어로 바꾼 것이 계자 초퍼제어이며, 본전원(직류)와 상관 없이 보조전원장치(전동발전기 혹은 정지형인버터)에서 발생하는 교류전력을 직류로 정류하는 과정에서 제어하도록 바꾼 것이 계자 위상제어다. 이렇게 구조를 바꾸게 되면 계자의 자속을 별도로 제어할 수 있게 되는 것은 물론, 제동 시에는 계자 초퍼제어의 경우 승압초퍼를 활용한다면, 계자 위상제어의 경우 추가 전력을 인가한다면, 반대로 계자의 자속을 강화할 수 있게 된다.
그런데, 이들 방식은 모두 계자의 독립적인 제어가 필요하게 되므로 본회로와 분리된 직류복권전동기의 사용이 필요하다. 직권전동기에 비해 복권전동기는 피드백 문제로 공전/활주에 취약하고, 이에 수반되는 정비 문제로 보수 소요가 커지는 문제점이 있었다. 사설철도 회사들 입장에서야, 회생제동을 쓰는 것이 이를 감안하더라도 제동자의 보수 소요를 줄이고 감속도를 확보해서 운전을 개선하는 효과가 있으니 채용했지만, 보수 소요 증가에 보수적이었던 일본국유철도 입장에서는 탐탁치 않은 일이었다.
이 때, 킨키 일본 철도에서 계자 위상제어를 채용함에도 직권전동기를 채용한 차량이 등장하게 된다. 계자의 독립적인 제어가 필요하여 복권전동기가 필요한 방식을, 가속 시엔 기존의 저항제어 기반의 약계자제어를 쓰되, 제동 시에 계자 회로를 본 회로에서 쇼트시켜서 분리시키고, 분리된 계자 회로에 계자 위상제어를 걸어버리면 된다는 점에 착안한 것인데, 이 방식을 개선한 것이 바로 계자 첨가여자제어다.
계자 첨가여자제어는 보조전원장치에서 발생되는 교류전력을 제어하는 계자 위상제어의 발전형으로, 첨가여자 장치를 추가로 설비하였다. 위상제어를 통해 직류로 정류 및 변압된 전력을 계자회로에 추가(첨가)하는데, 가속 시에는 역방향으로 인가하여 계자 인입 전력을 줄여 약계자제어를 수행하고, 감속 시에는 반대로 인가하여 자속을 강화하도록 함으로써 회생제동을 구현한 것이다. 첨가여자라는 명칭은 추가되는, 또는 첨가되는 전력으로 계자 자속을 강화, 즉 계자를 여자시키기 때문에 이에 착안해서 명명된 것이다.
국내 철도 관련 문서에서 간혹 계자 첨가여자제어 방식이 초퍼제어와 관계있는 것으로 서술되는 경우가 있으나, 이는 잘못된 것이며, 초퍼제어와는 관련이 없다.
3. 도입
계자 첨가여자제어 방식은 일본국유철도가 토요덴키와 같이 합작해서 개발한 것이다. 본래 211계 전동차에 채용할 목적으로 개발한 것인데, 실제로는 개발 중간에 205계 도입 계획이 생기고, 211계 전동차에 채용하려던 신 시스템들이 똑같이 채용되었지만 205계 도입이 더 빨리 실현되어 211계의 실차 납입이 205계보다 늦게되었기에 205계가 채용 첫 차량이 되었다.직류직권전동기를 사용해서 기존 복권전동기의 사용이 더 이상 필요 없어졌음은 물론, 기반(근본)은 효율은 떨어지지만 저렴했던 저항제어이기에 일본국유철도도 부담없이 도입할 수 있었다. 그럼에도 불구하고, 기존 저항제어와 달리 회생제동의 사용이 가능해졌기 때문에 가감속이 잦은 통근 노선은 물론, 고속 주행이 필요한 근교 노선에서도 제동자의 마모를 줄이고 제동력을 확보하는 데 큰 역할을 할 수 있었다. 저항제어 자체의 효율이 떨어지는 문제에 대해서는 일본국유철도의 경우 스테인레스 차체 도입 및 볼스터리스 대차의 채용으로 경량화를 실현하여 해결했고, 이를 통해 내압성이 필요한 사이리스터를 써야했던 고가의 전기자 초퍼제어 차량 201계 전동차에 비해 큰 효율의 개선을 이루어낼 수 있었다.
불과 몇 년 뒤에 VVVF 차량이 대폭 상용화되었기 때문에 본 방식의 채용 차량은 많지는 않지만, 지하철을 운영하던 제도고속도교통영단나 몇몇 사설철도 회사에서도 소수나마 도입한 바 있는 방식이다.
4. 사용 차량
퇴역 차량은 취소선 표시4.1. 일본국유철도(현재의 JR 그룹)
4.2. JR 동일본
4.3. JR 도카이
4.4. JR 서일본
4.5. 제도고속도교통영단(현재의 도쿄메트로)
4.6. 도부 철도
4.7. 후지 급행
4.8. 한신 전기철도
- 한신 2000계 전동차