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1. 개요
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| 통근형 전동차에 속하는 한국철도공사 312000호대 전동차 | 근교형 전동차에 속하는 E235계 1000번대 전동차 |
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| 특급형 전동차[1] 및 고속열차에 속하는 KTX-청룡[2] | 화물 운송용 전동차에 속하는 M250계 전동차 |
전동차는 주로 동력분산식의 방식을 사용한다.[4]
약어는 전차(電車)인데, 전차(戰車) 즉, 탱크와 발음이 같으므로 주의를 요구한다.[5] 지하철이 없고 일반철도와 서울전차만 있던 시절에 제정된 대한민국 형법의 경우 전차는 이 '電車'이다. 전차(戰車)와 관련된 조문은 군형법에 존재한다.
헷갈리면 이런 굴욕 샷이 나오게 된다. 수정해서 올린 기사, 신문사 홈페이지 기사
이런 문제뿐만 아니라 한국어에서 "전차"는 뜻이 여러 가지라서 보통 전동차(電動車)로 늘려서 부른다. 반면 일본에서는 그대로 전차(電車)로 줄여 부르는데, 일본어로 戰車는 せんしゃ(센샤), 電車는 でんしゃ(덴샤)로 발음에 차이가 있기 때문에 구별이 된다. 한국에서 전차가 이쪽이 아니라 일상에서 볼 일 없는 전차(戰車)를 먼저 가리키게 된 건 꽤나 신기한 현상인데, 해외에 비해 전동차 도입이 많이 늦었고 징병제라서 의외로 전차를 자주 볼 수 있는 것이 겹쳤기 때문으로 보인다.
일본철도에서는 없어서는 안될 것이 전동차이다. 일본은 JR이든 대형 사철이든 중소형 업체들이든 전동차 혹은 디젤동차를 선호하는 것으로 알려져있다. JR그룹의 경우에는 JR 홋카이도에서 운행했던 하마나스가 2016년 3월 21일에 운행을 종료하면서 정규 열차로는 더이상 객차형 여객열차를 운행하지 않으며, 기타 사철로 들어가 보더라도 몇몇 마이너한 사철 회사나 JR의 증기기관차 견인 관광열차 혹은 임시열차 정도로 객차형 열차를 운용하는 정도이다. (그런데 2013년 운행을 시작한 나나츠보시 in 큐슈는 의외로 객차형이다.)
한국은 도시철도 이외의 일반열차는 비중이 적었는데, 1990년대까지만 해도 전철화 비중이 낮았고[6] 기관차에 비해 많은 동차의 정비 소요 때문에 전기와 디젤을 막론하고 동차를 꺼리는 경향이 있었다. 이 때문에 당시에는 전동차라고 하면 도시철도에 다니는 열차를 가리켰다. 그러나 2000년대에 들어서면서 주요 노선이 줄줄이 전철화되고 KTX가 도입되었으며, 간선형 전동차인 누리로의 대성공에 고무되어 ITX 시리즈 등이 차례차례 도입되는 등 전동차의 비중이 높아지고 있다. 한국철도공사는 여객열차를 동력분산식 차량 위주로 발주할 계획이기 때문에 앞으로 한국철도에서도 객차형 여객열차의 비중은 점차 낮아질 것으로 보인다. 장기적으로 무궁화호의 운행종료가 예정되어있어 언젠가는 여객열차가 100% 전동차로 운행하게 될 것이다.
그러나 2024년 현재에도 한국철도공사에서는 수도권 전철과 같은 통근형 전동차에 한정해서 전동열차라는 표현을 사용한다. 이러한 영향으로 여전히 일반 시민들은 전동차(혹은 전철)라고 하면 대부분은 수도권 전철과 같은 통근형 전동차만을 떠올린다. (자세한 내용은 거짓말은 하지 않는다 문서 참고)
국내에서 이 차량을 운전하기 위해서는 '제2종 전기차량운전면허'를 소지하여야 한다. 최고속도가 200km/h 이상인 차량은 대신 "고속차량운전면허"가 필요하다.
2. 구성
전동차는 역할과 기능이 다른 최소 2대 이상의 차량을 하나로 묶어 편성을 이룬다. 전동차에서 1량의 차량은 제어차(TC/MC), 구동차(M), 부수차(T)로 구분하며, 제어차 및 부수차와 구동차의 비율인 MT비를 1:1이 되도록 구성한다. 차량 기호 및 분류는 아래와 같다.- 제어차(TC/MC)
제어차는 편성 내 모든 차량을 제어할 수 있는 운전실을 갖춘 차량이며, 보통 제어차 만으로는 동력장치가 없어 인접한 동력차로부터 끌려간다. 기호는 TC로 표기한다. 200000호대나 392000호대처럼 동력장치를 갖춘 제어차도 있으며, 이는 MC로 표기한다. - 구동차(M/M')
구동차는 동력차라고도 말하며, 전차선에서 받은 전기를 받아 견인전동기를 제어, 구동하여 동력을 발생하는 차량이다. 제어차 내 운전실에서 기관사의 제어신호를 받아 제어장치가 견인전동기를 구동하여 편성 내 모든 차량을 이끈다. 기호는 Motor의 앞글자를 따와 M으로 표기하며, 집전장치가 있는 차량은 M'으로 표기한다. 집전장치가 없는 M차는 전기를 받아 동력을 내기 위해선 인접한 M'차량으로 부터 전기를 공급받아 움직인다. 일부 회사나 차량은 집전장치 유무 및 설비의 차이에 따라 M1, M2로 표기한다. - 부수차(T)
부수차는 운전실과 동력장치가 없어 구동차에 끌려가는 차량이다. 기호는 Trailer의 앞글자를 따와 T로 표기한다. 어떤 부수차는 SIV나 축전지 등 배치된 설비에 따라 숫자를 붙여 T1, T2... 등 숫자를 붙여 구분한다.
전동차 편성 내에는 회로, 제어계통, 전원계통, 동력계통 등을 공유하는 2~4량의 차량을 하나의 유닛으로 묶고, 두 개 이상의 유닛을 갖추어 한 량 또는 한 유닛이 고장났을 때, 다른 유닛이 고장난 유닛을 분담하도록 되어있다. 한 유닛당 하나의 집전장치, 보조전원장치, 공기압축기, 축전지 설비가 유닛 내 모든 차량을 담당한다.
3. 종류
전동차는 목적, 최고 운행속도, 사용 전력 등에 따라 여러개로 분류된다.동력 배치에 따른 분류
목적에 따른 분류
- 통근형 전동차
중단거리를 운행하는 도시철도, 광역철도에 사용되는 전동차로, 짧은 역간거리와 많은 탑승량, 짧은 승하차 시간 등 도시철도의 특성에 맞게 빠른 가감속력, 많은 출입문, 입석공간이 넓은 롱시트를 갖췄다. 현재 대한민국의 모든 도시철도, 광역철도, 경전철 차량이 이에 해당하며 대부분의 차량이 운행속도 최대 110km/h, 가속도 3.0km/h/s, 감속도 3.5km/h/s(비상 4.5km/h/s)의 성능을 갖는다. - 간선형 전동차
도시와 도시 사이 장거리를 150km/h 이하의 속도로 운행하는 일반 여객열차에 사용되는 전동차다. 내부에 승무원실, 화장실, 보다 편안한 좌석 등 장거리 승객의 쾌적하고 편안한 이용을 위해 설비를 갖춘다.
누리로 전동차, ITX-새마을 전동차 및 ITX-마음 전동차가 해당된다. - 준고속형 전동차[7]
151km/h 이상 200km/h 미만의 운행속도를 가지는 전동차를 말한다. 국내에는 ITX-청춘에 사용되는 368000호대와 GTX-A노선의 A000호대가 이에 해당된다. - 고속형 전동차
국제철도연맹에서 고속열차로 분류하는 200km/h 이상의 운행속도를 가지는 전동차로, 대한민국에 운행되는 모든 고속철도 차량이 이에 해당된다. KTX, KTX-산천, SRT, KTX-이음등이 해당된다. - 노면전차
- 경전철
사용 전력에 따른 분류
- 직류전동차
직류전기를 받아 구동을 하는 전동차로, 도시철도, 경전철 등에 널리 쓰인다. 구동을 하는데 필요한 장비가 집전장치, 제어장치, 견인전동기 등으로 단순하기 때문에 비용이 적다. 차량 상부 전차선에서 집전장치를 통해 공급받거나 차량 하부 제3궤조를 통해서 공급받는 방식 두 가지로 나뉜다. 전차선 방식은 주로 아시아권의 지하철이나 노면전차에, 3궤조 방식은 경전철 또는 미국, 유럽권의 지하철에서 쓰인다. 영국 동남부 지역은 간선철도 임에도 3궤조 방식을 사용한다. - 교류전동차
교류전기를 받아 구동을 하는 전동차로, 주로 간선철도, 광역철도에 널리 쓰인다. 직류전동차에 비해 변압기, 정류기 등 필요한 장비가 추가로 들어가기에 상대적으로 비싸다. - 교직겸용차
직류와 교류구간 둘 다 운행할 수 있는 전동차로, 대한민국에서는 수도권 전철 1호선, 수도권 전철 4호선에 운행하는 전동차[8]들이 해당한다. 직류전동차, 교류전동차에 비해 직류설비, 교류설비를 같이 설치해야 하기 때문에 상당히 비싸다.
제어 방식에 따른 분류
- 저항제어 전동차
직류전동기를 사용하는 전동차의 제어방식으로, 저항기를 이용하여 전동기를 구동, 제어하여 견인력을 얻는 방식이다. 직병렬제어, 약계자제어를 같이 병행해서 사용한다. 효율이 상당히 안좋아 현재는 쓰이지 않는다. - 초퍼제어 전동차
직류전동기를 사용하는 전동차의 제어방식으로, 반도체 스위치(사이리스터, GTO 등)를 빠르게 ON/OFF하여 전동기를 구동, 제어한다. 저항제어에 비해 효율이 상당히 좋고, 회생제동까지 사용이 가능하여 VVVF 전동차 이전까지 널리 쓰였다. 직류전동기의 브러시 마모로 인한 유지보수 문제, 효율이 좋은 VVVF 인버터의 등장으로 현재 새로 도입되는 초퍼제어 전동차는 없다. 오히려 초퍼제어 전동차가 저항제어에 비해 일찍 퇴역하기도 한다. - VVVF 전동차
교류전동기를 사용하는 전동차의 제어방식으로, 교류전동기에 공급되는 전원, 주파수를 변환시키는 VVVF 인버터로 구동, 제어한다. 교류전동기는 직류전동기에 비해 브러시 마모로 인한 손상이 없고, VVVF 인버터는 기존의 저항, 초퍼장치에 비해 효율, 제어 능력이 뛰어나고 부품 단순화와 소형화가 가능해 유지보수 측면에서 유리한데다, 저항, 초퍼제어에 비해 효율이 좋아 현재 주로 쓰이는 방식이다.
일본의 전동차 분류
4. 부품, 기기, 설비
전동차에 사용되는 기기들은 차종에 따라 종류, 가짓수, 명칭, 기능이 다르기에 여기서는 2종 전기차량 운전면허의 교보재 차량인 341000호대를 기준으로 설명한다.4.1. 특고압 기기
특고압 기기는 모두 M'차에 설치되어 있다. 전차선으로 부터 전기를 받아들여 차량에 전기를 보내주는 설비가 대부분이어서 직류 1,500V 또는 교류 25,000V의 전기가 흐르기에 상당히 위험하다.- 집전장치 Pantograph, Pan
전차선에 접촉하여 전차선으로부터 전원을 받아 차량에 공급하는 장치로, 공기압과 스프링 탄성을 이용해 상승/하강을 한다. 전동차가 정지된 상태에서 기동을 할때에는 보조공기압축기(ACM)을 구동시켜 해당 공기만으로 상승하고, MCB 투입이 완료되면 주공기를 이용해 상승/하강을 한다. - 계기용 변압기 Potential Transformer, PT
집전장치를 통해 전차선에서 받아들인 전기가 직류 또는 교류인지를 확인하는 장치로, M'차 상부에 설치되어 있다. 교류구간 운행중에는 ACVR 계전기가 여자(Excitation, 勵磁)[9]되어 운전실의 ACV등이 켜지고, 직류구간 운행중에는 DCVR 계전기가 여자되어 운전실의 DCV등이 켜진다. - 비상접지스위치 Emergency Ground Switch, EGS
운전실에서 EGCS를 취급하면 공기압으로 바로 전차선과 접촉하여 전차선 전기를 땅으로 바로 접지시키는 장치다. 접지하는 순간 변전소의 차단기가 차단되어 전차선이 단전된다. EGS는 교류구간에서만 동작한다. - 주회로차단기 Main Circuit Breaker, MCB
집전장치 다음에 위치한 개폐기로, MCB 아래에는 전동차의 모든 전기설비가 연결되어 있다. MCB는 진공으로 된 내부에 고정전극과 가동전극으로 이루어지며, 공기압으로 두 전극을 연결해준다. 평상시에는 ON/OFF 역할을 하는 개폐기 역할을 하다, 교류구간 운행중 전동차 기기에서 이상이 생기면 바로 끊어주어 전동차 회로와 주요 기기들을 보호한다. 직류구간에는 단순 개폐기 역할만 하며, 직류구간 운행중 이상 발생으로 인한 차단은 차량 하부의 HSCB(L1)가 대신한다. 뿐만 아니라 교-직 절연구간 통과중 운전실에서 교직절환 취급을 했을때 일제히 차단하여 전동차가 정지된 상태에서 기동할 때, 보조공기압축기에서 생성된 공기로 투입을 하며, 이후 공기압축기가 정상적으로 돌아가면 주공기로 투입/차단을 한다. - 교직절환기 AC-DC Changeover Switch, ADCg
전동차의 내부 회로나 기기를 전차선 전기에 맞게 바꿔주는 스위치다. 직류 전원이면 직류 회로/기기로 맞추고, 교류 전원이면 교류 회로/기기로 맞춰준다. PT가 감지한 전차선 전원에 맞게 기관사가 운전실에서 ADS를 전차선 전원에 맞게 조작하면(AC의 경우 AC 위치에, DC의 경우 DC 위치에) 내부 기기, 회로를 전차선 전원에 맞게 일치시켜준다. 교직절연구간 통과 전 ADS를 취급했을때, 직류 기기에 교류가 들어오는 직류모진(直流冒進) 또는 교류 기기에 직류가 들어오는 교류모진을 방지하기 위해 MCB를 차단한다. - 피뢰기 Arrester, Arr
지상 구간 운행중, 낙뢰 등 전차선에 갑작스런 이상 전압이 발생하면, 전동차에 과전압으로 인한 회로 손상을 막기 위해 접지시킴과 동시에 변전소의 차단기를 차단시켜 전차선을 단전시키는 장치다. - 교류피뢰기 AC Arrester, ACArr
교류구간 운행중 이상전압이 발생하였을때 동작한다. 회로상에서 MCB와 ADCg 사이에 있다. - 직류피뢰기 DC Arrester, DCArr
직류구간 운행 중 이상전압 또는 교류모진이 발생하였을 때 동작하여 전차선을 단전시킨다. 동작시 ArrOCR 계전기가 여자되어 MCB를 차단시킨다. - 주퓨즈 Main Fuse, MFS
ADCg의 교류 회로와 주변압기 1차측 사이에 설치되며, 교류 회로/기기에 직류가 들어오는 직류모진으로 인해 주변압기 1차측에 과젼류가 들어오면 바로 회로를 끊어주어 주변압기와 하위 기기들을 보호한다. 주퓨즈가 끊어지면 안의 빨간색 단추가 튀어나와 끊어짐을 알려준다. - 주변압기 Main Transformer
M'차 하부에 설치되며, 전차선-집전장치-MCB를 거친 교류 25,000V를 제어장치의 정격 전압에 맞게 낮춰주는 장치다. 낮추는 전압은 차량마다 다르나, 한국철도공사 341000호대 전동차 기준으로 교류 25,000V를 840V*2로 낮춰 컨버터로 공급한다.
4.2. 견인 장치
전기를 받아 전동차를 움직이는 동력을 발생시키는 장치들이다. 차체 하부에 위치한다.
* 고속도차단기 High Speed Circuit Breaker, L1(HSCB)
직류구간에서 MCB의 역할을 해주는 부품으로, 직류 회로에 과전류가 들어오거나 전력변환소자의 단락 등 이상이 생겼을때 바로 차단을 해준다.
* 제어장치 Controller
M, M'차 하부에 설치되며, 전원을 받아 견인전동기의 견인력을 제어하는 장치로, 기관사의 동력운전 및 전기제동 명령을 바탕으로 전동차의 동력운전 및 전기제동을 제어한다. 동력운전 시에는 전원의 전류, 전압, 주파수를 변화시켜 견인전동기를 제어하고, 전기제동 시에는 열차의 관성으로 인해 발전기 역할을 하는 견인전동기에서 생성된 역기전력을 제어한다. 제어장치는 견인전동기의 종류에 따라 구분된다. 주변환장치(C/I)라고도 한다.
전기를 받아 열차를 앞으로 나아가게 하는 견인력을 발생하는 장치다. 견인전동기가 있는 차량은 M차로 분류한다. 전원을 받아 자기력을 발생시키는 계자와, 계자의 자기력에 의해 회전하는 전기자(회전자)로 구성된다. 동력운전(가속)시에는 제어장치에서 변환된 전원을 전동기의 계자권선에 보내어 자기력을 발생시키면, 자기력에 의해 회전자가 회전하면서 회전축, 기어커플링, 기어, 차축을 거쳐 차륜에 견인력을 전달한다. 타행(동력 없이 열차의 관성으로 운전) 시에는 열차의 관성에 의해 돌아간 차륜이 차축, 기어, 기어커플링이 회전자를 회전시키고, 안에 있는 잔류자계를 끊어 계자에 유도전압이 발생된다. 즉, 발전기로 동작을 하며 이때 회생제동을 하면, 발생된 유도전압을 제어장치로 내보낸다.
* 고속도차단기 High Speed Circuit Breaker, L1(HSCB)
직류구간에서 MCB의 역할을 해주는 부품으로, 직류 회로에 과전류가 들어오거나 전력변환소자의 단락 등 이상이 생겼을때 바로 차단을 해준다.
* 제어장치 Controller
M, M'차 하부에 설치되며, 전원을 받아 견인전동기의 견인력을 제어하는 장치로, 기관사의 동력운전 및 전기제동 명령을 바탕으로 전동차의 동력운전 및 전기제동을 제어한다. 동력운전 시에는 전원의 전류, 전압, 주파수를 변화시켜 견인전동기를 제어하고, 전기제동 시에는 열차의 관성으로 인해 발전기 역할을 하는 견인전동기에서 생성된 역기전력을 제어한다. 제어장치는 견인전동기의 종류에 따라 구분된다. 주변환장치(C/I)라고도 한다.
* 직류전동기를 사용하는 전동차의 제어장치
* 견인전동기 Traction Motor, TM* 주저항기
저항제어 전동차에 사용되는 제어장치로, 여러개의 저항기에 캠축 스위치를 여러개 연결하고 전동기에 들어가는 전류량을 조절하여 전동기의 회전속도, 토크를 제어한다. 저항기를 이용하여 제어하는 것은 효율이 좋지 않아, 직병렬제어와 약계자제어를 같이 사용한다. 직병렬제어는 여러대의 전동기의 접속방식을 직렬, 직병렬, 병렬로 바꿔 제어한다. 저속에는 직렬로 연결하여 토크를 극대화, 고속에서는 병렬로 연결하여 속도를 올린다. 약계자제어는 전동기의 계자권선에서 발생하는 자속을 조절하는 것으로, 고속에 다다를때 계자권선을 단락하여 자속을 줄여 속도를 높인다. 전기제동 시에는 발전기로 동작중인 견인전동기에서 발생된 전기에너지를 저항기로 내보내 열에너지로 바꾼다. 효율이 상당히 안좋아 현재는 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차를 제외하고 사용하지 않는다.
* 초퍼장치
초퍼제어 전동차에 사용되는 제어장치로, 반도체 스위치를 빠른 속도로 ON/OFF하여 전동기의 회전속도, 토크를 제어한다. 전류가 아닌 전압을 이용하여 전동기를 제어하는데다 전기제동시 견인전동기를 발전기로 동작시키면서 발생한 전압을 전차선으로 되돌리는 회생제동이 가능하기에 저항제어보다 효율이 좋다.
* 교류전동기를 사용하는 전동차의 제어장치저항제어 전동차에 사용되는 제어장치로, 여러개의 저항기에 캠축 스위치를 여러개 연결하고 전동기에 들어가는 전류량을 조절하여 전동기의 회전속도, 토크를 제어한다. 저항기를 이용하여 제어하는 것은 효율이 좋지 않아, 직병렬제어와 약계자제어를 같이 사용한다. 직병렬제어는 여러대의 전동기의 접속방식을 직렬, 직병렬, 병렬로 바꿔 제어한다. 저속에는 직렬로 연결하여 토크를 극대화, 고속에서는 병렬로 연결하여 속도를 올린다. 약계자제어는 전동기의 계자권선에서 발생하는 자속을 조절하는 것으로, 고속에 다다를때 계자권선을 단락하여 자속을 줄여 속도를 높인다. 전기제동 시에는 발전기로 동작중인 견인전동기에서 발생된 전기에너지를 저항기로 내보내 열에너지로 바꾼다. 효율이 상당히 안좋아 현재는 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차를 제외하고 사용하지 않는다.
* 초퍼장치
초퍼제어 전동차에 사용되는 제어장치로, 반도체 스위치를 빠른 속도로 ON/OFF하여 전동기의 회전속도, 토크를 제어한다. 전류가 아닌 전압을 이용하여 전동기를 제어하는데다 전기제동시 견인전동기를 발전기로 동작시키면서 발생한 전압을 전차선으로 되돌리는 회생제동이 가능하기에 저항제어보다 효율이 좋다.
* PWM 컨버터
MT에서 변압된 교류전류를 직류전류로 바꾸는 장치다. 내부의 정류기를 이용해 교류를 직류로 바꾸어주고, VVVF 인버터나 SIV로 전원을 보내준다. 회생제동 시에는 역으로 내부의 반도체 스위치를 ON/OFF시켜 PWM 인버터로 동작하게 하여 VVVF 인버터에서 변환된 직류를 다시 교류로 바꾼다. 341000호대에서는 MT에서 받은 AC 840V를 DC 1,800V로 변환한다.
* VVVF 인버터
교류전동기를 제어, 구동을 위한 전원을 만들어주는 장치로, 반도체 스위치를 빠르게 ON/OFF 하여 전압과 주파수를 변환시켜 3상 교류를 만든다. 직류구간에서는 집전장치→HSCB를 거친 직류 전원을 그대로 받고, 교류구간에서는 컨버터에서 받은 직류 전력을 3상 교류로 바꾸어 견인전동기로 공급한다. 인버터에 내장된 견인제어장치(TCU)가 기관사의 동력운전, 회생제동 신호를 바탕으로 견인전동기에 공급하는 전원, 주파수를 변화시켜 속도, 토크를 제어, 구동한다. 뿐만 아니라 전기제동시 제어, 운전방향 전환 등의 동작을 하며, 회생제동 시에는 역으로 견인전동기에서 발생한 3상 교류를 다시 직류로 변환시키는 컨버터로 동작하여 전차선으로 되돌린다. 사용되는 소자에 따라 VVVF-GTO, VVVF-IGBT, VVVF-SiC로 나뉜다. 과거에는 GTO를 사용했으나, 현재는 효율이 좋은 IGBT를 사용한다. 일본에서는 스위치를 기존 실리콘(Si) 대신 탄화규소(SiC) 반도체를 사용한 SiC MOSFET을 사용한다.
* 견인제어장치 TCU
주변환장치에 내장하여 컨버터와 인버터를 제어하는 전자장치다. 열차의 현재 속도, 운전방향, 동력, 전기제동 등 여러 신호를 입력받아 컨버터와 인버터의 전원 전압, 주파수를 제어한다. 회생제동 시에는 제동장치의 EOD로 부터 제동패턴 신호를 받아 회생제동의 크기를 결정하고, 현재 회생제동의 크기를 다시 EOD로 피드백 신호로 내보낸다.
MT에서 변압된 교류전류를 직류전류로 바꾸는 장치다. 내부의 정류기를 이용해 교류를 직류로 바꾸어주고, VVVF 인버터나 SIV로 전원을 보내준다. 회생제동 시에는 역으로 내부의 반도체 스위치를 ON/OFF시켜 PWM 인버터로 동작하게 하여 VVVF 인버터에서 변환된 직류를 다시 교류로 바꾼다. 341000호대에서는 MT에서 받은 AC 840V를 DC 1,800V로 변환한다.
* VVVF 인버터
교류전동기를 제어, 구동을 위한 전원을 만들어주는 장치로, 반도체 스위치를 빠르게 ON/OFF 하여 전압과 주파수를 변환시켜 3상 교류를 만든다. 직류구간에서는 집전장치→HSCB를 거친 직류 전원을 그대로 받고, 교류구간에서는 컨버터에서 받은 직류 전력을 3상 교류로 바꾸어 견인전동기로 공급한다. 인버터에 내장된 견인제어장치(TCU)가 기관사의 동력운전, 회생제동 신호를 바탕으로 견인전동기에 공급하는 전원, 주파수를 변화시켜 속도, 토크를 제어, 구동한다. 뿐만 아니라 전기제동시 제어, 운전방향 전환 등의 동작을 하며, 회생제동 시에는 역으로 견인전동기에서 발생한 3상 교류를 다시 직류로 변환시키는 컨버터로 동작하여 전차선으로 되돌린다. 사용되는 소자에 따라 VVVF-GTO, VVVF-IGBT, VVVF-SiC로 나뉜다. 과거에는 GTO를 사용했으나, 현재는 효율이 좋은 IGBT를 사용한다. 일본에서는 스위치를 기존 실리콘(Si) 대신 탄화규소(SiC) 반도체를 사용한 SiC MOSFET을 사용한다.
* 견인제어장치 TCU
주변환장치에 내장하여 컨버터와 인버터를 제어하는 전자장치다. 열차의 현재 속도, 운전방향, 동력, 전기제동 등 여러 신호를 입력받아 컨버터와 인버터의 전원 전압, 주파수를 제어한다. 회생제동 시에는 제동장치의 EOD로 부터 제동패턴 신호를 받아 회생제동의 크기를 결정하고, 현재 회생제동의 크기를 다시 EOD로 피드백 신호로 내보낸다.
전기를 받아 열차를 앞으로 나아가게 하는 견인력을 발생하는 장치다. 견인전동기가 있는 차량은 M차로 분류한다. 전원을 받아 자기력을 발생시키는 계자와, 계자의 자기력에 의해 회전하는 전기자(회전자)로 구성된다. 동력운전(가속)시에는 제어장치에서 변환된 전원을 전동기의 계자권선에 보내어 자기력을 발생시키면, 자기력에 의해 회전자가 회전하면서 회전축, 기어커플링, 기어, 차축을 거쳐 차륜에 견인력을 전달한다. 타행(동력 없이 열차의 관성으로 운전) 시에는 열차의 관성에 의해 돌아간 차륜이 차축, 기어, 기어커플링이 회전자를 회전시키고, 안에 있는 잔류자계를 끊어 계자에 유도전압이 발생된다. 즉, 발전기로 동작을 하며 이때 회생제동을 하면, 발생된 유도전압을 제어장치로 내보낸다.
* 직류전동기
직류전기를 받아 돌아가는 전동기로, 저항제어와 초퍼제어 전동차에 사용된다. 전압과 자속밀도로 회전속도를, 전류로 토크를 제어 한다. 토크 및 속도 특성이 좋아 과거 전동차의 동력 발생장치로 사용되었다. 그러나, 전동기가 회전하면서 안의 브러시가 마모되어 유지보수 측면에 문제가 생긴다.
* 교류전동기
교류전기를 받아 돌아가는 전동기로, VVVF 전동차에 사용된다. VVVF 인버터가 전압, 주파수를 제어하여 회전속도, 토크를 제어하기에 제어 특성이 직류전동기에 비해 우수하고, 구조가 간단한데다 브러시가 없어 유지보수 측면에서 상당히 좋아 현재 전동차의 주된 전동기로 사용된다. 과거에는 유도전동기를 사용했으나, 현재는 효율이 좋은 PMSM을 사용한다.
* 선형전동기(리니어 모터)
원형으로 된 전동기를 일직선 형태로 길게 늘어놓은 것이다. 레일 쪽에 유도 플레이트나 전자석을 설치하고, 차량 쪽에는 직선화된 모터를 달아 차량-플레이트간 반발력-흡인력으로 열차가 앞으로 나아간다. 기존 전동기에 비해 열차, 터널크기의 소형화가 가능하고 급구배에도 무리없이 올라가며, 가감속이 빠른 특징이 있다. 현재 리니어 모터를 사용하는 전동차는 용인 경전철의 INNOVIA Metro Mark II, 도쿄 지하철 오에도선의 도쿄도 교통국 12-600형 전동차가 대표적이다. 자기부상열차도 리니어 모터를 사용하여 레일로부터 띄운다.
직류전기를 받아 돌아가는 전동기로, 저항제어와 초퍼제어 전동차에 사용된다. 전압과 자속밀도로 회전속도를, 전류로 토크를 제어 한다. 토크 및 속도 특성이 좋아 과거 전동차의 동력 발생장치로 사용되었다. 그러나, 전동기가 회전하면서 안의 브러시가 마모되어 유지보수 측면에 문제가 생긴다.
* 교류전동기
교류전기를 받아 돌아가는 전동기로, VVVF 전동차에 사용된다. VVVF 인버터가 전압, 주파수를 제어하여 회전속도, 토크를 제어하기에 제어 특성이 직류전동기에 비해 우수하고, 구조가 간단한데다 브러시가 없어 유지보수 측면에서 상당히 좋아 현재 전동차의 주된 전동기로 사용된다. 과거에는 유도전동기를 사용했으나, 현재는 효율이 좋은 PMSM을 사용한다.
* 선형전동기(리니어 모터)
원형으로 된 전동기를 일직선 형태로 길게 늘어놓은 것이다. 레일 쪽에 유도 플레이트나 전자석을 설치하고, 차량 쪽에는 직선화된 모터를 달아 차량-플레이트간 반발력-흡인력으로 열차가 앞으로 나아간다. 기존 전동기에 비해 열차, 터널크기의 소형화가 가능하고 급구배에도 무리없이 올라가며, 가감속이 빠른 특징이 있다. 현재 리니어 모터를 사용하는 전동차는 용인 경전철의 INNOVIA Metro Mark II, 도쿄 지하철 오에도선의 도쿄도 교통국 12-600형 전동차가 대표적이다. 자기부상열차도 리니어 모터를 사용하여 레일로부터 띄운다.
4.3. 하부 기기
- 대차 Truck/Bogie
철도차량의 하중을 지지하고, 차량의 견인력과 제동력이 작용하는 부품이다. 대차에는 대차프레임, 차륜, 차축, 대차프레임으로 구성되며, 대차에 견인전동기와 제동장치를 연결하여 견인력과 제동력을 전달한다. - 제동장치
이름 그대로 열차의 속도를 줄이거나 멈추는데 사용하는 장치다. 공기제동과 회생제동을 이용해 제동력을 발휘한다. 제동장치에는 여러 방식과 종류가 있으나, 여기에는 341000호대에 사용되는 HRDA형 제동장치를 기준으로 한다. - 기초제동장치
열차에 제동력이 직접적으로 작용되는 기계적 부품으로, 차륜에 제동력을 전달하여 열차의 속도를 줄이거나 멈추게 한다. - 제동작용장치 BOU
- 제동제어장치 EOD
- 주차제동장치
열차가 차량기지나 주박 등 장시간 멈춰세울때 사용한다. 스프링의 탄성력으로 제동을 체결하고, 공기로 완해한다. - 비상제동루프회로
열차 내 모든 차량에 걸쳐 연결된 회로로, 회로에는 비상제동전자밸브(EBV)와 연결되어 있다. 열차에 이상이 없을 때 회로에 전류가 흐르고 각 차량의 EBV에 전원이 공급되는 상시가압, 상시여자 방식이다. EBV에 전원이 공급될 때에는 공기를 막다가 운행중 열차 분리 또는 보안장치의 동작으로 루프회로가 끊어져 전원 공급이 차단되면, EBV도 같이 전원공급이 차단되어 막았던 공기를 재빠르게 제동통으로 쏴서 보내준다. - 강제완해밸브
- 보안제동장치
- 보조전원장치 Static Inverter, SIV
열차의 조명, 냉난방, 기타 제어장치, 축전지 충전 등에 사용되는 전원을 만드는 장치로, 집전장치 및 컨버터로부터 직류전원을 받고, 내부의 인버터 장치로 저압 교류로 바꾼다. VVVF 인버터와 달리 전압, 주파수가 고정되어 있기에 정지형 인버터라고도 한다. 과거에는 전동발전기로 보조전원을 만들었으나, 소음이 크고 고장이 자주 발생하여 인버터로 변경되었다. 341000호대 기준 TC, T1차량에 설치되어 있으며, 직류구간 운행중에는 집전장치→HSCB를 거친 DC 1,500V를, 교류구간 운행중에는 컨버터로부터 DC 1,800V를 받은 뒤 3상 교류 440V 60Hz 전원으로 바꾼다. - 공기압축기 Compressor Motor, CM
공기제동 및 제어용 공기에 사용하는 압축공기를 만드는 장치로, SIV의 전원을 공급받아 전동기를 구동하고, 대기중의 공기를 압축시켜 주공기통(MR)에 저장한 다음, MR관을 통해 편성내 각 차량으로 공급해준다. 편성 내 모든 공기압축기는 동시에 구동하고 동시에 정지한다. 341000호대 기준 TC, T1차에 설치되어 있다. - 축전지 Battery
전동차 기동, 비상전원에 사용되는 배터리로 직류 84~92.5V의 정격전압이 발생된다. 축전지는 전동차의 기기를 제어하는 103선(저항차는 19선)이 연결되어 있으며, 최초기동, 비상시에는 축전지에서 발생된 전원으로 103선을 거쳐 Pan 상승/하강, MCB 투입, 객실등, 방송장치에 전원을 공급해주고, MCB가 투입되면 직류 100V 전압을 받아 충전한다. - 송풍기 Blower Motor, BM
주요 기기의 발열을 냉각하기 위한 냉각장치다. SIV 전원을 받아 구동한다. 주변환장치를 냉각하는 CIBM, 필터리액터를 냉각하는 FLBM, 주변압기를 냉각하는 오일을 순환시키는 MTOM, 그런 오일을 냉각하는 MTBM으로 나뉜다. 송풍기는 주요 기기의 냉각을 관여하기에 고장이 나면 냉각을 담당하는 기기의 동작을 정지시켜 과열을 막는다. CIBM은 과거 VVVF-GTO 인버터에 사용되었으나, 자연냉각방식을 이용하는 VVVF-IGBT 인버터로 바뀐 현재에는 설치되지 않는다. - '''연장급전접촉기, Extension Supply Connector, ESK
운행 중, 어느 한 유닛의 SIV가 고장나거나 사용 불능일때(Pan 하강, MCB 차단 등), 다른 SIV로 부터 유닛 내 기기들이 계속 동작하게 하는 부품이다. 운전실에서 ESPS(SIV 고장시에만)를 누르거나, SIV가 고장난 차량의 분전함을 열어 IVCN을 OFF하면 자동으로 ESK가 투입되어 다른 유닛으로부터 SIV 전원을 받아 연장급전이 이루어진다. 연장급전 중에는 SIV의 과부하를 막기 위해 부하를 반감시킨다. 유닛간 경계지점에 있는 차량에 설치된다.
4.4. 객실 설비
- 출입문
- 냉난방장치
- 조명장치
- 비상통화장치
4.5. 조명 및 표시장치
- 전부표지등
- 후부표지등
- 차측등
차량의 옆면에 왼쪽, 오른쪽 한 면씩 하나 설치하여 현재 차량 1량의 상태를 표시해준다. 고장을 표시하는 백색등, 출입문 열림을 표시하는 빨간등, 비상통화장치가 동작되었음을 알리는 노랑등 총 3개의 등이 있다. 차량에 따라 출입문등 하나만 설치하거나[10] 고장표시등을 생략하기도 한다.[11] - 행선표시기
- 열차번호표시기
4.6. 기타 설비
- 운전실
- 운전보안장치
- 보조공기압축기 Auxiliary Compressor Motor, ACM
최초기동시 Pan 상승, MCB 투입을 위한 압축공기를 생성하기 위한 장치로, SIV가 정지된 상황에서 축전지 전압만으로 공기압축기를 돌리기엔 전력이 부족하기 때문에 별도의 공기압축기를 둔다. 운전실에서 ACMCS를 눌러 동작시키고, ACM 공기로 Pan 상승과 MCB 투입이 완료되면,
5. 전동차의 동력운전
6. 전동차의 제동
7. 전동차 일람
- 철도차량 관련 정보 참조.
7.1. 한국철도 전동차 일람
§ : 수도권 전철 노선을 운행하나 간선철도형 내장재가 적용된 차량으로 별도 운임을 수수한다.7.1.1. 도시철도 및 광역전철
- 수도권 전철
- 한국철도공사
한국철도공사 1000호대 전동차 (1호선)[폐차]- 한국철도공사 3000호대 전동차 (3호선)
- 한국철도공사 31x000호대 전동차 (1호선 본선)
- 한국철도공사 319000호대 전동차 (1호선 광명셔틀, 경의·중앙선[13])
- 한국철도공사 321000호대 전동차 (경의·중앙선)
- 한국철도공사 331000호대 전동차 (경의·중앙선)
- 한국철도공사 341000호대 전동차 (4호선)
- 한국철도공사 351000호대 전동차 (수인·분당선)
- 한국철도공사 361000호대 전동차 (경춘선)
- 한국철도공사 371000호대 전동차 (경강선)
- 한국철도공사 381000호대 전동차 (동해선, 경의·중앙선[14])
- 한국철도공사 391000호대 전동차 (서해선)
- 서울교통공사
- 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차 (1호선)
- 서울교통공사 1000호대 VVVF 전동차 (1호선)
서울교통공사 2000호대 저항제어 전동차[폐차]서울교통공사 2000호대 초퍼제어 전동차[폐차]- 서울교통공사 2000호대 VVVF 전동차 (2호선)
서울교통공사 3000호대 초퍼제어 전동차[폐차]- 서울교통공사 3000호대 VVVF 전동차 (3호선)
서울특별시지하철공사 4000호대 초퍼제어 전동차[폐차][19]- 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 (4호선)
- 서울교통공사 5000호대 전동차 (5호선)
- 서울교통공사 6000호대 전동차 (6호선)
- 서울교통공사 7000호대 전동차 (7호선)
- 서울교통공사 8000호대 전동차 (8호선)
- 서울교통공사 9000호대 전동차 (9호선)
- 서울시메트로9호선
- 서울시메트로9호선 9000호대 전동차 (9호선)
- 공항철도주식회사
- 공항철도주식회사 1000호대 전동차 (공항철도 직통열차)§
- 공항철도주식회사 2000호대 전동차 (공항철도 일반열차)
- 네오트랜스주식회사
- 신분당선 D000호대 전동차 (신분당선)
- INNOVIA Metro Mark II (용인 경전철)
- 인천교통공사
- 인천교통공사 1000호대 전동차 (인천1호선)
- 인천교통공사 2000호대 전동차 (인천2호선)
- 인천교통공사 7000호대 전동차 (7호선)
- 의정부경량전철
- VAL208 (의정부 경전철)
- 우이신설경전철주식회사
- 우이신설경전철주식회사 UL000호대 전동차 (우이신설선)
- 남서울경전철주식회사
- 남서울경전철주식회사 SL000호대 전동차 (신림선)
- 동남권 광역전철
- 부산교통공사
- 부산교통공사 1000호대 전동차/1세대 (부산 1호선)
- 부산교통공사 1000호대 전동차/2세대 이후
- 부산교통공사 2000호대 전동차 (부산 2호선)
- 부산교통공사 3000호대 전동차 (부산 3호선)
- 부산교통공사 4000호대 전동차 (부산 4호선)
- 부산-김해경전철주식회사
- 부산김해경전철 1000호대 전동차 (부산김해경전철)
- 한국철도공사
- 한국철도공사 381000호대 전동차 (동해선)
- 대구권 광역전철
- 대구교통공사
- 대구교통공사 1000호대 전동차 (대구 1호선)
- 대구교통공사 2000호대 전동차 (대구 2호선)
- 대구교통공사 3000호대 전동차 (대구 3호선)
대구교통공사 4000호대 전동차 (대구 4호선)대구교통공사 5000호대 전동차 (대구 5호선)- 한국철도공사
- 한국철도공사 392000호대 전동차 (대구권 광역철도)
대구산업선 광역전철/차량 (대구산업선)대구-경북 광역철도/차량 (대구경북선)- 대전권 광역전철
- 대전교통공사
- 대전교통공사 1000호대 전동차 (대전 1호선)
대전교통공사 2000호대 전동차 (대전 2호선)- 한국철도공사
충청권 광역철도/차량 (충청권 광역철도)- 광주 도시철도
- 광주교통공사
- 광주교통공사 1000호대 전동차 (광주 1호선)
광주교통공사 2000호대 전동차 (광주 2호선)
7.1.2. 간선철도
- 고속철도
- 일반철도
7.2. 외국철도 전동차 일람
- 철도차량 관련 정보 참조.
8. 여담
- 2024년 1월 31일 코레일이 밝힌 바에 따르면, 경부선 기준 1km당 전력 소비량은 KTX 23.74 kWh, KTX-산천 18.69 kWh, 새마을 6.55 kWh 순이다. 2024년 1월 전력단가 기준 편도 전기비는 KTX 222만원, KTX-산천 175만원, 새마을 64만원 순인 셈이다. 무궁화호는 전기기관차를 사용하여 16.37kWh/km로, 편도 전기비로 160만원을 소비하는 셈이다. #
9. 관련 문서
[1] 한국에서는 간선형 전동차라는 분류를 사용한다.[2] 다만 한국에는 특급형 전동차라는 철도차량 분류가 없으므로 이 차량은 그냥 고속철도차량으로 등록되어 있다.[3] 예시: BEC819계 전동차[4] TGV, ICE 1, KTX-I 등의 고속열차 차량들처럼 동력집중식으로 분류되는 차량도 존재한다. 이 차량들은 일반 객차형 열차처럼 아무 기관차하고 객차랑 붙여 사용하는게 아니라 편성번호를 부여받고 특정한 객차와 기관차끼리만 운행되므로 동차로 취급된다.[5] 노면전차, 즉 트램의 줄임말으로 사용될 수도 있다.[6] 1990년대까지만 해도 일반철도 구간에서 전철화가 완료되었던 구간은 광역철도 구간이던 경부선 서울-수원 구간을 제외하고는 당시 석탄과 시멘트 등을 실어나르기 위해 일찍이 견인력이 좋은 전기기관차를 도입한 산업선이었던 중앙선 일부, 영동선, 태백선에 한했다. 참고로, 경부선 전 구간이 전철화된 건 2006년에야 이루어졌다.[7] 준고속 등급의 KTX-이음은 이에 해당되지 않는다. 해당 차량은 고속형 전동차로 분류된다.[8] 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 중 401~426편성 제외[9] 전자석 코일에 전기가 흐르는 상태를 말한다.[10] 서울교통공사 1000호대 저항제어 전동차 등[11] 이 경우는 아직 ITX-마음이 유일하다.[폐차] 전 편성 폐차[13] 311G05편성[14] 381G10편성[폐차] [폐차] [폐차] [폐차] [19] 이 형식은 서울메트로 및 서울교통공사 출범 전에 모두 타 노선으로 이적하여 서울특별시지하철공사의 명칭을 사용한다.[20] KTX-산천과 동일 계통 차량으로 계열번호가 별도로 지정되지 않고, 산천 110000호대 다음으로 연속된다.[폐차] [22] 9904호 TC(선두차)칸이 철도박물관에 보존되어 있다.