• 목록

철도는 다른 여객 운송 수단보다 에너지 효율이 높으며, 유효 톤 킬로미터당 이산화탄소 배출량은 승용차의 약 7분의 1에 불과합니다.

 

이러한 차이는 장거리에서 더욱 두드러지며, 고속철도망은 교통 인프라의 에너지 절약에 크게 기여하고 있습니다.

이제는 인프라와 기술을 통한 빠른 속도, 저소음, 안전성은 물론 이산화탄소 배출량 감소를 통해 친환경적 성능과 탄소 중립 달성에도 초점을 맞추고 있습니다.

 

오늘은 고속철도내의 어떤 기술을 통해 에너지 절약 과 탄소 중립 달성을 위해 노력하고 있는지 알아보겠습니다.

 

철도차량의 친환경성과 전자화 기술

 

철도는 다른 교통 수단에 비해 친환경적이지만, 여전히 많은 양의 전기와 연료를 소비합니다. 고속 철도망이 확대되면서 이산화탄소 배출량이 증가하여 탄소 중립을 위해서는 더 많은 에너지 절약이 필요합니다.

철도의 친환경성을 향상시키는 핵심은 구동계의 에너지 절약입니다. 실제 구동계 에너지 절약, 구동계의 소형화 및 경량화, 그리고 철도 차량의 경량화 등 세 가지 요소가 에너지 절약을 달성하기 위한 중요한 요소입니다. 처음 두 가지 요소에 있어서 전력 손실이 적은 컨버터와 인버터를 개발하는 것이 필수적입니다. 이러한 개발은 고성능 반도체 소자와 저 손실 커패시터 및 인버터의 도입을 필요로 합니다.

 

구동계 전력 제어 기술

구동계의 구성 요소 중에서 가장 많은 전력을 필요로 하는 것은 구동 모터입니다. 철도 차량에서 에너지를 절약하기 위해서는 구동 모터의 전력 소비를 제한하여 효율을 개선해야 합니다. 이를 위해 "인버터"라고 하는 장치를 사용하여 구동 모터를 효율적으로 제어합니다.

 

인버터 제어

현재 대부분의 철도 차량은 AC 전원을 DC로 변환하여 공급합니다. AC를 DC로 변환하는 장치는 "컨버터"라 하며 AC 전원을 필요로 하는 AC 모터, 에어컨, 조명 등의 장비는 인버터를 장착하여 DC를 AC로 변환합니다.

인버터는 DC를 AC로 변환할 뿐만 아니라, 주파수와 전압을 제어할 수도 있는데 이를 "인버터 제어"라고 합니다. 인버터 제어는 에어컨, 전자레인지, 형광등 등 다양한 가전제품에 널리 활용되고 있습니다. 인버터 제어의 정밀성과 효율성은 전력이 많이 필요한 철도 차량의 에너지 소비에 있어 중요한 기술적 요소입니다.

 

인버터 제어의 진화

인버터 제어는 1980년대부터 철도 차량에서 실용화되었습니다. 처음에는 "펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)"라고 하는 방식을 사용하여 동작했습니다. 이 방식은 DC 전압을 스위칭하여 펄스 폭을 정기적인 간격으로 변경하여 출력 전압을 변화시키는 방식입니다. 일부 주요 회로 소자에서는 사이리스터*1가 사용되었지만, 이후에는 GTO(게이트 턴 오프) 사이리스터*2를 주로 사용하였습니다.

1990년대 중반에는 GTO 사이리스터보다 손실이 적고 고주파 스위칭을 제공하는 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)*3가 등장하며 효율과 전압 제어가 향상되었습니다. 또한, IGBT와 구동 및 보호 회로를 통합한 IPM(지능형 전력 모듈)은 성능, 기능, 신뢰성을 향상시켰습니다.

 

*1 스위칭 동작을 수행하는 반도체 소자의 일종입니다(그림 1). 사이리스터는 게이트와 음극 사이에 전압을 인가하여 전류가 흐르게 함으로써 양극과 음극 사이를 비전도 상태(Off)에서 전도 상태(On)로 전환하는 특징이 있습니다. 이를 "켜기"(점화)이라고 합니다. 특히 스위치를 동작 시키기 위해서는 전도 상태(On)에서 스위치를 끄기(턴 오프/Off)하기 위한 별도의 소자 또는 회로가 필요합니다.

 

그림 1. 사이리스터의 기호 및 개략도

 

*2 일반 사이리스터(위의 *1 참조)가 할 수 없는 턴오프가 가능한 사이리스터로, 별도의 게이트 회로가 필요합니다. 그러나 게이트를 통과하는 전류가 출력 전류의 10% 이상일 수 있기 때문에 턴오프 시간이 느리고 전력 손실이 크다는 단점이 있습니다.

*3 입력에 MOSFET 구조, 출력에 바이폴라 트랜지스터 구조를 사용하여 대용량 전력에 대응하는 반도체 소자(그림 2) IGBT는 GTO 사이리스터보다 낮은 게이트 전류 대 출력 전류 비율로 손실을 줄입니다. 또한 스위칭 주파수가 사람의 가청 범위를 벗어나기 때문에 IGBT를 사용할 때 잡음 수준이 GTO 사이리스터를 사용할 때보다 낮습니다.

그림 2. IGBT의 등가회로

 

철도 차량의 구동 모터 인버터 제어

 

철도 차량용 AC 모터(열차에 구동력을 제공하는 전기 모터)는 전력 전자 기술, 특히 인버터의 발전으로 실용화되었습니다. 인버터를 사용하면 DC 모터보다 중량 대 출력비가 우수하고 기존의 가변 저항 제어에 사용되는 저항으로 인한 손실을 없애 전체 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 현재 사용되는 AC 모터에는 동기 모터와 유도 모터가 있습니다. 이 중 VVVF(가변 전압 가변 주파수) 인버터 제어 방식*4이 적용된 AC 유도 모터는 내구성과 사용자 편의성이 뛰어나 널리 사용되고 있습니다. 또한, 내전압이 높고 전원 공급 용량이 큰 IGBT와 IPM이 도입되고 3레벨 인버터 방식*5이 사용됨에 따라 AC 유도 모터는 전자 기기의 오작동을 일으키는 자기 노이즈와 고조파가 적어 경제성이 높아지고 있습니다.

 

*4 PWM 인버터와 동일한 원리를 사용하여 DC를 AC로 변환하고 주파수와 전압을 변경하여 AC 모터의 회전을 제어합니다. VVVF 인버터 제어에서 고속, 고정밀 스위칭을 사용하여 전압을 변경할 수 있으며 출력 방향을 주기적으로 반전시켜 유사 AC 사인파를 생성할 수 있습니다(그림 3).

*5 사인파와 유사한 파형을 출력할 수 있는 인버터입니다. 2레벨 인버터 시스템에 비해 스위칭 손실이 크게 줄어듭니다(그림 3). 또한 출력 파형을 사인파로 변환하기 위한 저역 통과 필터를 소형화 할 수 있습니다.

그림3. 2레벨 및 3레벨 인버터 시스템의 PWM 파형

 

인버터 제어 회로의 전자 부품에 요구되는 성능

 

현재 제조업체들은 더 높은 내압과 더 빠른 스위칭 속도를 달성하기 위해 인버터의 반도체 소자 소재를 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)으로 전환하고 있습니다. 그러나 스위칭 속도가 빨라지면 발열량도 증가합니다. 따라서 각 인버터 회로의 전자 부품도 내열성이 높아야 합니다.

인버터는 반도체 소자뿐만 아니라 정류 회로도 포함합니다. 사이리스터를 동작시키는 정류 회로, 링잉의 원인이 되는 기생 인덕턴스와 서지 전압으로 인한 노이즈를 억제하는 스너버 회로 등으로 구성됩니다. 이러한 회로에는 커패시터, 저항기, 인덕터 및 기타 부품이 사용됩니다.

전자 부품의 내열성이 낮을수록 냉각 장비가 필요하며, 부품의 내열성이 낮을수록 냉각 장비는 더 크고 복잡해지는 경향이 있습니다. 냉각 장비를 설치 및 확장하면 철도 차량의 무게가 증가하고 과도한 전력 소비가 발생합니다.

따라서 인버터는 철도 차량의 무게와 전력 소비를 줄이기 위해 내열성 전자 부품으로 구성되어야 합니다. 또한 인버터는 회로 기판 처짐을 수용하고 임펄스 전압에 저항하며 까다로운 작동 조건에서도 정상적으로 작동할 수 있을 만큼 안정적이어야 합니다.

 

고속철도의 에너지 절약 기술 및 탄소 중립

 

전 세계적으로 고속철도 건설이 계속되고 있는 가운데, 특히 미국 캘리포니아주의 로스앤젤레스와 샌프란시스코를 연결하는 고속철도 프로젝트(2033년 개통 예정)에 약 773억 달러가 소요될 것으로 예상되며, 영국의 주요 도시를 연결하는 “High Speed Two(HS2) 프로젝트” 등 일부 프로젝트의 막대한 비용에 대한 논란이 일고 있습니다.

각국 정부는 다른 교통수단에 비해 철도 운송의 환경적 이점 때문에 이러한 프로젝트에 막대한 투자를 하고 있으며, 이러한 투자 수준은 각국 정부가 탄소 중립을 달성하기 위해 철도 운송을 중요하게 생각하고 있다는 것을 보여줍니다. 이러한 추세는 개발도상국의 새로운 철도 네트워크에도 적용되며, 전력 기술은 에너지 절약을 통해 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 기술로 점점 더 많은 주목을 받게 될 것입니다.

 

오늘은 여러 나라가 탄소 중립을 위해 중요하게 생각하는 철도 차량의 에너지 구동계에 대해 구체적으로 알아보았습니다. 철도 차량의 전력 기술은 에너지 절약을 실현하고 이산화탄소 배출을 줄여 앞으로 점점 더 많은 주목을 받게 될 것입니다. 기술적으로 빨라진 스위칭 속도로 인하여 내열성이 강한 전자부품의 수요가 늘어나고 있으며 이러한 움직임에 맞추어 무라타에서는 내열성이 강한 부품을 제공하기 위하여 노력하고 있습니다.

 출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

샘플/견적 및 기타 문의 사항은 ↓↓↓ 여기를 눌러주세요

http://www.samwooeleco.com/bbs/write.php?bo_table=online