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[기고] 철도차량용 영구자석동기전동기, 구동제어기술 개발의 필요성

이장무 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 책임연구원

철도경제신문 | 기사입력 2020/06/19 [14:46]

[기고] 철도차량용 영구자석동기전동기, 구동제어기술 개발의 필요성

이장무 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 책임연구원

철도경제신문 | 입력 : 2020/06/19 [14:46]

▲ 이장무 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 책임연구원     ©철도경제

[철도경제-이장무 / 한국철도기술연구원] 국내 철도차량에서 사용되는 견인전동기는 대부분이 유도전동기다. 유도전동기는 내구성이 우수하고, 제작이 쉬울 뿐만 아니라 제작 및 유지보수 비용이 저렴하다는 장점을 갖고 있다. 

 

하지만 최근 에너지효율에 대한 관심이 커지고 에너지 지출비용에 대한 부담이 증가하면서 철도분야에서도 유도전동기보다 에너지 효율이 높은 영구자석동기전동기를 적용하려는 움직임이 나타나고 있다. 

 

국내에서는 2018년 부산 1호선 철도차량에 영구자석동기전동기가 최초로 적용되어 상용화 되었으나, 영구자석동기전동기 및 구동과 관련된 핵심 분야인 추진시스템 전체가 도시바의 해외 기술이라는 것은 아쉬운 점이다.

 

영구자석동기전동기는 유도전동기와 비교하여 분명한 장점을 갖고 있어 풍력발전분야, 자동차분야 등 다른 분야에서는 이미 적용되고 있고 해당 분야에 적합한 형태의 기술 최적화가 진행되고 있다. 그러나 철도차량용 영구자석동기전동기 적용을 위한 국내 기술은 아직 연구 단계이며, 주요한 연구분야는 두 분야로 나눌 수 있다.

 

첫 번째 분야는 차량별로 적합한 영구자석동기전동기 설계 및 제작기술 분야이다. 철도차량은 도시철도차량부터 간선철도차량, 중고속철도차량에 이르기까지 다양한 형태를 갖추고 있다. 차량별로 전동기의 구성 및 용량이 다르기 때문에 각 차량에 적합한 영구자석동기전동기가 필요하다. 

 

또한, 유지보수가 유리하도록 전동기가 전폐형(외부공기가 전동기 내부로 유입될 수 없는 구조)으로 제작되어야 한다. 전폐형구조는 방열성능이 낮은 만큼 전동기의 손실저감, 구조적 방열최적화 연구가 필요하다. 

 

두 번째 기술은 철도차량을 위한 영구자석동기전동기 구동 제어기술 분야이다. 영구자석동기전동기는인버터에 의해서 제어되는데, 쉽게 ‘자동차에 적용된 구동 제어기술을 그대로 적용하면 되지 않는가?’라고 생각할 수 있다.

 

하지만 자동차분야보다 3배이상 높은 전압과 4배이상 높은 전력용량으로 인해 제어성능에 근본적인 차이가 있을 뿐만 아니라 두 분야는 지향하고 있는 성능목표도 다르다. 제어 시 우수한 승차감이 요구되는 자동차는 진동 저감을 목표로 하지만 철도차량은 진동 저감이 아닌 최소 손실을 목표로 한다. 

 

2017년부터 2019년까지 한국철도기술연구원은 고속철도차량용 영구자석동기전동기 구동제어 기술 개발을 위한 연구를 수행하였다. 해당 연구는 고속철도차량 적용을 위한 380kW급 영구자석동기전동기를 설계/제작하였으며, 앞서 언급한 최소 손실을 목표로 하는 철도차량에 적합한 영구자석동기전동기 구동 제어기술을 개발하여 시험/검증하였다. 

 

개발된 영구자석동기전동기 구동제어 기술은 차량에 관계없이 적용될 수 있는 만큼 앞으로 제작될 철도차량에 빠른 적용을 기대하고 있다. 

 

앞서 언급한 부산 1호선 철도차량에 적용된 도시바의 영구자석동기전동기 제어기술은 위치센서를 포함하지 않는 센서리스 구동 제어기술이라는 점에서 아직 국내 연구가 기술 선진국과 격차를 좁혔다고 하긴 이르다. 국가지원 및 산학연 협업을 통해 철도차량에 영구자석동기전동기 적용을 위한 연구가 지속되어 향후 대한민국이 해당 분야에 기술 선진국의 최전선에 있기를 바란다. 

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