알아두면 쓸데있는 열차 추진시스템 상식

‘성장의 엔진이 되다’, ‘~핵심 엔진이 되다’라는 말을 한번쯤 들어보셨을 겁니다. 그만큼 ‘엔진’은 어떤 과정이나 결과에서 핵심적이고 본질적인 기능을 수행하는 역할이자 장치를 뜻하죠. 자동차나 열차에서도 ‘엔진’은 멈춤 없이 원활한 운행을 가능케 하는 핵심 장치인데요. 오늘 현대로템 블로그에서는 열차 속 엔진 역할을 하는 추진시스템에 대한 모든 것을 알아보도록 하겠습니다.

 

열차 운행의 핵심이 되는 ‘엔진’

일반적인 승용차의 엔진이 휘발유나 경유를 연료로 동작하는 것과 달리, 지하철 전동차나 KTX와 같은 고속전철 등 대부분의 철도차량은 전기를 공급받아 동작합니다. 전기로 움직인다는 점에서는 전기자동차와 일정 부분 비슷하다고도 할 수 있죠.

그렇다면 일반 승용차의 엔진 역할을 하는 철도차량의 구동계는 어떻게 구성돼 있을까요? 바로, 추진시스템이 철도차량의 엔진 역할을 한다고 할 수 있습니다.

추진시스템은 크게 추진제어장치와 견인전동기로 구성되는데요. 먼저, 추진제어장치는 철도차량의 추진력을 발생시키는 견인전동기의 출력을 조절해 속도를 제어하는 핵심적인 장치입니다. 열차가 움직이기 위해 공급받는 전기를 제어하기 때문에 안정적으로 주행하기 위해서 반드시 필요한 장치죠.

 

견인전동기는 열차의 모터 역할을 하는 장치로, 열차의 추진 성능은 곧 견인전동기에서 나온다고 할 수 있습니다. 견인전동기에서 발생하는 회전력을 차축에 전달하고 여기서 발생하는 견인력에 의해 열차가 달리게 되는 것이죠.

 

▲현대로템이 국내 최초로 개발한 Class 220 견인전동기

현대로템은 지난 2019년 높은 온도 환경에서도 정상적인 절연 기능을 수행하는 ‘Class 220’ 절연내열등급의 전동차 및 고속차량용 견인전동기를 개발했습니다. 이는 국내 폭염이나 열대 기후 지역 등 높은 온도 환경에서도 안전한 열차 운행이 가능하다고 하는데요. 뿐만 아니라, 에너지 소비량을 절감할 수 있어 장기적으로 유지보수 비용을 절감시킬 수 있도록 제작되었습니다.

견인전동기는 일반적으로 전자기유도방식의 유도전동기가 적용됐었는데요. 이는 제작이 용이하지만 소음 발생, 낮은 에너지 효율 등의 단점이 있습니다. 반면, 회전자에 영구자석을 사용한 동기전동기는 기존 유도전동기나 전자석 동기전동기보다 높은 효율을 나타내기 때문에 최근 세계적으로도 수요가 높아졌죠.

 

▲현대로템이 국내 최초로 개발에 성공한 PMSM 추진시스템이 적용된 서울 6호선 열차

이에 현대로템은 2019년 고효율 영구자석 동기전동기 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 국산화에 성공했습니다. 국내 최초로 PMSM과 이를 제어하는 추진제어장치(1C1M, VVVF 인터버) 개발에 성공하며 서울시 6호선 열차에 이를 적용하기도 했죠. 현대로템이 국내 최초로 이를 개발하며 수입 대체 효과는 물론 에너지 소비 및 유지보수 비용을 절감할 수 있게 되었습니다.

이처럼 철도차량의 엔진 역할을 하는 추진시스템은 다양한 부품들로 구성되는데요. 철도차량의 종류마다 추진시스템에 공급되는 전기 생성 방식도 조금씩 다른 것이 특징입니다. 이에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

추진시스템에 전기를 공급하는 다양한 방식

추진시스템에 전기를 공급하는 첫 번째 방법은 ‘가선 공급’이 있습니다. 외부의 가선을 통해 전기를 공급하는 것인데요. 공급된 전기를 사용하여 추진시스템에서 견인전동기를 제어하여 토크를 생성하게 됩니다. 통상 차량 지붕에 설치된 집전장치인 팬터그래프를 가선에 접촉해 전기를 공급받는데요. 전동차, 고속전철 등 일반 승객들이 가장 많이 이용하는 철도차량에 적용된 방식입니다.

 

두 번째로는 ‘디젤 발전기’가 있습니다. 우리가 흔히 아는 디젤 발전기를 통해 발전을 해서 전기를 생성하고 그 전기를 이용해 추진시스템에서 견인전동기를 제어하여 토크를 생성하는 방식입니다. 디젤전기기관차 등에 사용되는 방식으로 이 경우에는 전기 공급을 위한 차량 외부의 가선이 불필요하죠.

‘배터리’ 충전 방식도 있습니다. 이는 배터리에 충전된 에너지를 사용하여 추진시스템에서 견인전동기를 제어하여 토크를 생성하는 방법입니다. 디젤 발전기 방식과 마찬가지로 가선이 불필요한 것이 특징이죠. 일례로 현대로템이 국책과제로 개발했던 ‘유/무가선 하이브리드 저상트램’이 가선 없는 구간에서 배터리로 주행 가능합니다.

마지막으로 차세대 교통수단으로 떠오른 수소를 활용한 ‘수소연료전지’ 방식도 있는데요. 수소연료전지 시스템을 통해 발전한 전기를 이용해 추진시스템에서 견인전동기를 제어, 토크를 생성하는 방법입니다. 현대로템이 개발 중인 수소전기트램이 이러한 방식으로 구동하는 대표적 사례입니다.

 

안전한 주행을 가능케 하는 철도차량 추진시스템 기술

많은 사람들의 편리한 교통수단이 되는 철도인 만큼 구동계인 추진시스템이 고장 날 경우 그 리스크는 더욱 큰데요. 때문에 문제가 생기지 않도록 미리 수리 및 점검을 하는 것이 무엇보다 중요합니다.

추진제어장치의 경우 여러 부품으로 구성되는데요. 철도차량의 추진제어장치의 수명은 대게 20~30년 이상이 요구되기 때문에 교체와 수리가 가능한 구조로 만들어져 있습니다. 안정적인 품질 유지를 위한 주기적인 점검 과정에서 윤활제인 그리이스를 추가 공급하거나 견인전동기를 분해하여 베어링을 교체하는 등 유지보수 활동이 이뤄지기도 하죠.

한편, 현대로템은 여러 철도차량용 추진제어장치 모델을 확보하며 관련 기술력을 강화하고 있습니다. DC 전차선, AC 전차선, 배터리, 수소연료전지 등 각 시스템에 따라 다수의 특허를 보유하고 있으며 관련 특허를 꾸준히 추가하는 등 보다 효율적이고 안전한 추진시스템 확보를 위해 기술력을 강화하고 지속적인 노력을 기울이고 있습니다.

 

▲현대로템 수소전기트램 콘셉트카

전 세계적 주요 대중교통 수단인 철도는 그간 증기기관차부터 고속전철까지 눈부신 발전을 이루어왔습니다. 최근에는 친환경 수소경제 시대를 맞아 지속가능한 친환경 열차 동력원으로 앞서 말씀드린 수소가 특히 주목받고 있는데요. 수소연료전지 시스템을 활용한 추진시스템은 현대로템이 참여 중인 수소전기트램 실증사업을 통해 현재 활발히 개발이 진행 중에 있으며 추후 미래 철도산업을 선도할 수 있을 것으로 기대됩니다.

우리의 교통수단이 발전하고 변화함에 따라 열차를 움직이는 동력원도 역시 꾸준히 변화하고 있습니다. 안전하고 쾌적한 미래 철도를 위해 현대로템은 앞으로도 꾸준히 연구개발 활동에 매진하겠습니다!