발전제동 및 회생제동의 원리

발전제동 및 회생제동의 원리

 

 

 

1. 발생제동 및 회생제동의 원리

자동차를 타고 급한 내리막길을 내려갈 때 흔히 엔진브레이크를 사용한다. 평소에는 엔진의 회전력이 바퀴를 회전시켜 자동차가 전진하게 되지만 내리막길에서 엔진의 회전 속도를 바퀴의 회전속도보다 낮게 줄여주면 오히려 엔진이 바퀴의 회전을 방해하여 브레이크를 잡아주는 것이다.

 

고속철도 차량에서는 자동차의 엔진대신 전동기가 이 역학을 하지만 원리는 마찬가지다.

 

평소에 바퀴를 회전시켜 주던 주 전동기는 회로를 약간만 변경시키면 발전기로 변한다. 이때 지금까지 회전하던 방향과 반대방향으로 회전하려는 힘, 즉 제동력이 생기는데 이 원리를 이용하면 기계적 제동장치의 최대 약점인 부품의 마모나 마찰면의 발열 등이 나타나지 않는 전기제동이 가능하다.

< Fig01. 전동기 및 발전기의 역할 >

 

전기제동의 원리를 설명이 쉽도록 위의 그림처럼 직류전동기의 예를 들어 설명하면 차량이 달리고 있을 때는 차단기가 ON되어 있어 전동기의 고정자와 회전자에 전류가 흐르고 플레밍의 왼손법칙에 의하여 시계방향으로 회전하여 차륜을 돌려 열차가 진행한다. 브레이크를 잡으면 차단기가 OFF되고 회전자가 반대로 접속되어 폐회로가 구성되므로 전동기는 발전기의 역할을 하게 되는 데 이때 자속과 힘의 방향을 알기 때문에 플레밍의 오른손법칙에 의해 발전되는 전류의 방향을 구해보면 전동기 때 흐르는 전류의 방향과는 반대임을 알 수 있다. 여기서 다시 전류, 자속의 방향을 이용하여 플레밍의 왼손법칙으로 힘의 작용방향을 구해보면 시계반대방향으로 작용한다. 즉 전동기 역할을 할 때의 회전자 회전방향과 반대방향으로 힘이 작용하여 브레이크역할을 하는 것이다.

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그런데 전기제동에는 제동을 잡을때 발전된 전기를 저항기를 통해 열에너지로 외부로 방출해 버리는 발전제동과 만들어진 전기를 전차선으로 보내 인근에 운행중인 차량에 보내 사용하게 하는 소위 회생제동으로 나눈다. 더운 여름 1호선 전동차를 타고 내릴때 차밑에서 후끈 뜨거운 공기가 올라와 짜증이 나는 것을 경험한 적이 있을텐데 이것이 바로 발전제동시 저항기에서 나온 열 때문이다.

고속철도차량에서는 회생제동방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 있는데 회생제동을 하려면 전동기에서 발전되 전기를 전차선의 전기와 성질이 같게 만들어야 하기 때문에 장치가 복잡하여진다.

따라서 회생제동을 채택했을 경우의 에너지 절약량과 차량 및 지상측 시설비와 보수비를 합한 비용의 경제성 비교를 하여 발전제동으로 할 것이냐 회생제동으로 할 것이냐를 정하여야 한다.

고속철도에서는 열차가 전기가 끊긴 절연구간에 있거나 전차선 전압이 제동시 발전기 역할을 하는 전동기에서 만들어진 전기의 전압보다 높다든지 또는 인근에 운행중인 차량이 없는 경우와 같이 회생된 전기를 보낼 수 없을 때는 자동적으로 발전제동으로 체인지하는 구조로 되어있다.

회생제동을 채택하는 곳은 전동차 운행구간처럼 열차가 금방 금방 뒤따라 오는 경우에 가장 효과적이라 할 수 있고 고속철도처럼 열차간의 간격이 긴 경우는 회생제동의 효과가 많이 떨어진다는 것도 말해둔다.

< Fig02. 발전제동 & 회생제동 >

 

 

2. 발전제동 & 회생제동의 특징

1) 발전제동 (Generator Governor)

발전기의 출력을 조절하는 장치로, 다음과 같은 주요 특징을 갖습니다.

① 출력 제어

발전제동은 발전기의 회전 속도를 조절하여 출력을 제어합니다. 이는 발전기가 일정한 전기 출력을 유지하도록 하며, 전력 네트워크에서 안정적인 전원을 제공합니다.

② 자동 조절

발전기의 부하나 외부 조건의 변화에 따라 발전제동은 자동으로 회전속도를 조절합니다. 이는 발전기가 예기치 않은 부하변동에 대응하여 안정된 운전을 유지할 수 있도록 합니다.

③ 안정성

발전제동은 발전기의 안정성을 보장하기 위해 설계되었습니다. 회로나 소프트웨어를 통해 신속하고 정확하게 작동하여 과부하나 과전압 등의 위험을 방지합니다.

④ 조작 및 모니터링 인터페이스

발전제동은 보통 운영자가 발전기의 상태를 모니터링하고 조작할 수 있는 인터페이스를 제공합니다. 이를 통해 발전기의 운전 조건을 조절하거나 문제가 발생할 경우 대응할 수 있습니다.

⑤ 시스템 호환성

발전제동은 전력 시스템의 다른 구성 요소와 호환되어야 합니다. 이는 발전기와 네트워크 간의 일관된 작동을 보장하고, 전력 네트워크의 안정성과 효율성을 향상시킵니다.

⑥ 유연성

발전제동은 다양한 발전기 및 전력 시스템에 적용될 수 있는 유연성을 갖습니다. 다양한 크기와 유형의 발전기와 함께 작동할 수 있으며, 각종 환경에서 안정된 운전을 지원합니다.

 

이러한 특징들은 발전제동이 전력 발전 및 제어 시스템에서 핵심적인 역할을 수행하는 데 기여합니다. 발전기의 안정성과 성능을 유지하고, 전력 네트워크의 안정성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

2) 회생제동 (Regenerative Braking)

자동차나 전기 기기에서 사용되는 제동 방식 중 하나로, 다음과 같은 특징을 갖습니다.

① 에너지 회생

회생제동은 차량이나 기기의 운동 에너지를 회수하여 전기 에너지로 변환합니다. 이는 차량이나 기기가 감속하거나 멈출 때 발생하는 운동 에너지를 버리지 않고 회수함으로써 에너지 효율을 향상시킵니다.

② 배터리 충전

회생제동은 주로 전기 자동차에서 사용되며, 차량이 감속하거나 제동할 때 모터를 제동자로 변환하여 회생된 에너지를 배터리에 저장합니다. 이를 통해 주행 중에 배터리를 충전하고 주행 거리를 증가시킬 수 있습니다.

③ 제동 효율

회생제동은 기존의 마찰 제동 방식보다 효율적입니다. 일반적인 마찰 제동은 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 낭비됩니다. 반면 회생제동은 이 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 활용하므로, 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.

④ 운전자 경험

회생제동은 차량이 부드럽게 감속하므로 운전자에게 더 나은 주행 경험을 제공합니다. 또한 주행 중에 에너지를 회수하여 배터리에 저장함으로써 주행 거리를 증가시키고, 주유비를 절약할 수 있습니다.

⑤ 환경 친화성

회생제동은 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있는 친환경적인 제동 방식입니다. 에너지 회수로 인해 차량이나 기기의 에너지 효율을 향상시키고, 대기 오염 및 온실 가스 배출량을 감소시킬 수 있습니다.

⑥ 시스템 통합

회생제동은 전기 자동차 및 하이브리드 차량뿐만 아니라 일반적인 전기 기기에도 적용될 수 있습니다. 이는 다양한 응용 분야에서 에너지 효율성을 높일 수 있는 유용한 기술입니다.

이러한 특징들은 회생제동이 전기 기기의 성능과 효율성을 향상시키는 데 기여하며, 친환경적인 운전 및 에너지 관리를 가능하게 합니다.