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1. 개요
철도차량의 동력 구조에 관한 문서.2. 동력편성방식
2.1. 동력집중식
동력집중식( 動 力 集 中 式 / power car, locomotive)은 철도차량의 동력방식 관련 용어이다. 동력을 전담하는 열차(= 동력차)에 다수의 객차, 또는 화차를 연결해서 밀거나 끄는 형태의 열차를 말한다. 이 방식과 대비되는 방식으로 동력분산식이 있으며, 좀 어정쩡한 방식으로 동력거점식이라는 것도 있다.
2.1.1. 종류
동력집중식은 다시 기관차 견인식과 기관차 추진식, 그리고 PP(Push - Pull)식으로 나뉜다.2.1.1.1. 기관차 견인식
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| 7400호대 디젤기관차 견인 새마을호 |
아래의 기관차 추진식과 묶어서 단두동력식이라고 포괄해서 부르기도 한다.
2.1.1.2. 기관차 추진식
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| Railjet[2] | |
국내 정규열차에선 볼 수 없으나, 관광상품인 정선 레일바이크 구간에서 운행하는 풍경열차가 이러한 구조이다. 풍경열차는 구절리역에서 아우라지역까지 편도로 레일바이크 이용을 마친 후 다시 구절리역으로 돌아갈 때(이용객 뿐 아니라 레일바이크 차량도 함께 되돌린다) 이용하는 열차인데, 반대로 구절리역에서 아우라지역까지 공차회송할때에는 객차 뒷부분에 설치된 운전실에서 추진운전을 한다.
2.1.1.3. 전후동력식 (PP식)
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| KTX-산천 |
2.1.2. 장점
- 조성(=열차 편성을 짜는 것)이 자유롭다. 즉 유연한 편성을 짤 수 있다. 특히 편성이 유동적인 화물 열차는 거의 동력집중식으로 운용되고 있다.
- 운전 효율이 좋다.
- 동력분산식 열차의 동력차보다 가격이 싸다.
- 차량 당 유효 적재량이 뛰어나다. 즉, 같은 열차면 동력집중식 쪽이 더 무거운 것을 실을 수 있다.
- 소음, 진동이 적고 승차감이 좋다.[4]
- 동력분산식에서는 동력계 전체가 나갈 경우 전체를 바꿔야 되지만 동력집중식은 두 개 중 한 개만 나갈 경우 나머지 한 개가 역까지 운송한 뒤 고장 난 기관차만 바꾸면 된다.[5]
- 2층열차, 저상열차 도입이 비교적 쉽다.
2.1.3. 단점
- 축중이 높아 선로에 많은 부담을 줘서 선로 유지비가 많이 나간다.
- 초반 가속이 느리다. 따라서 정차역이 적은 장거리 운행에만 적합하다.[6]
- 오르막에서 속도를 내기 힘들다.[7]
- 눈, 비와 같은 날씨가 오면 더 자주, 더 많이 슬립이 일어나는 편이다.[8]
- 기관차 고장 시 전체 열차의 운행 불능으로 이어지게 되므로, 다른 기관차에 견인 요청을 해야 한다.
- 두단식 승강장에서는 입환 작업을 해야 한다.[9]
- 전기 기관차 편성의 경우, 회생 제동 시 동력분산식에 비해 손실이 발생한다. 동력분산식은 전 차량에 회생 제동 브레이크를 장착하여 회생 제동 성능을 높일 수 있지만, 기관차 편성 위주의 동력집중식은 객차나 화차에 따로 장비가 되어 있지 않는 한, 기관차만 회생 제동이 가능하다. 쉽게 말하면 무거우면 무거울수록 제동거리가 늘어나기 때문에 만일의 상황에 대비해서 화물열차가 느릴 수 밖에 없는 것.[10]
- 객차 부분은 무동력으로 운행되므로 기관차의 운행에 따라 충격이 크게 전해질 수 있다.[11] 즉, 관성의 법칙에 의해 기관차의 가속, 감속에 따라 객차와 객차 사이 혹은 객차와 기관차 사이 속도 차이 때문에 객차 간 연결부가 당겨지거나 (기관차가 가속할때) 느슨해지는데 (기관차가 감속할 때), 이 때 객차와 객차 간 연결부, 혹은 기관차와 객차 간 연결부가 맞부딪히는 충격으로 인해 발생하는 쿵 하고 부딪히는 듯 한 충격을 받을 수 있다. 감속, 가속할 때 (특히 정차하기 위해 역에 진입하며 속도를 낮추는 경우, 역에서 출발할 때 가장 심하다.)마다 이 충격이 고스란히 전해진다.[12] 열차가 덜컹 덜컹하는 게 바로 이런 이유이다. 다만, KTX와 같이 관절대차인 경우는 하나의 유닛이면서도 충격완화장치가 내장되기 때문에 이러한 사례는 잘 발생하지 않는다.
2.1.4. 기타
위에 서술한 동력집중식의 장단점은 어디까지나 다른 방식에 비해 상대적인 장단점이다. 즉, 위에 서술된 바가 항상 절대적으로 적용되는 것은 아니라는 것. 모든 열차가 반드시 저 장단점을 따르는 것은 아니다. 실제로, 독일철도 101형, 지멘스 벡트론, 지멘스 타우러스, 스위스 연방철도 460형, 봄바디어 TRAXX시리즈같은 고성능 기관차들은 동력집중식 열차 중에서 동력분산식의 가속력에 맞먹는 기관차도 존재하며, 소음과 승차감은 동력분산식에서도 상당히 발전되어 동력집중식과 거의 차이가 없다.일반적으로 기관차는 기관차 견인식이나 추진식일 경우 1량, PP식일 경우에는 2량이지만, 대량의 화물을 견인하거나 하는 경우에는 기관차만 몇 량을 붙여서 운행하는 경우도 있다. 특히 이런 운행을 위해 운전실 없는 기관차까지 신조하는 미국에서 잘 볼 수 있는데, 미국의 철도 환경문서 중간의 사진을 참조하자.
그런데 어느 실험에서는 TGV POS #4402 열차의 관절대차마다 AGV 열차에 들어가는 동력장치를 각각 넣어 이중동력방식을 사용하는(...) 참 대단한 실험을 하였다. 그 결과 574.8km/h라는 철차륜 열차 중 가장 빠른 기록을 세웠다. #4402 열차는 그 덕분에 특별 랩핑을 해놓았다.
2.2. 동력분산식
동력분산식( 動 力 分 散 式, multiple power)은 철도 차량의 동력방식 관련 용어이다. 모터나 기관이 한쪽에 집중되어 있는 것이 아닌, 모든 열차 칸에 골고루 분산시키는 방식으로 동력집중식의 반대 방식이다.
대개 동력분산식 열차들은 안전 확보와 궤도 회로 때문에 선두차에 전동기를 달지 않으려고 하지만 반드시 그래야 하는 법은 없으므로 선두차가 동력차인 것도 많다. 일례로 케이큐 열차나 지금은 모두 퇴역한 서울교통공사 2000호대 저항제어 전동차, MELCO형 전동차는 선두차량에 모터를 달고 있었다.[13]
국내 최초 2량 중전철인 한국철도공사 392000호대 전동차는 선두차 1량에 동력대차와 부수대차를 동시에 장착한 0.5M 구조로 제작되었다.
몇 대의 동력 전용차를 이용해 열차를 밀거나 땡기는 식(PP/Push-Pull)의 동력집중식과는 달리 열차의 각 량의 하부에 상대적으로 출력이 작은 전동기나 엔진을 여러 대 설치해서 동시에 굴리는 방식으로, 5000kW짜리 기관차 한 대를 이용하는 대신 500kW짜리 동력 객차 열 대를 사용하는 방식이라고 생각하면 된다.
다만, 용인 경전철과 같이 1량만 존재하는 기차는 동력분산식이면서 동력집중식일 수도 있다.
2.2.1. 사례
한국에서 운용 중 혹은 했었던 동력분산식 열차는 국내에서 사용 중인 모든 통근형 전동차 및 경춘선에서 뛰고 있는 ITX-청춘, TEC, ITX-새마을, ITX-마음과 KTX-이음, KTX-청룡이 있으며, 시제 차량으로 KTX-이음과 KTX-청룡의 시험제작 차량인 HEMU-430X, 등장 예정 차량으로 신형 동력분산식 KTX 차량인 HSEMU-370이 있다. CDC, RDC, NDC의 경우에는 디젤 엔진을 사용하는 동력분산식 디젤동차이고, 통근형 전동차, ITX-청춘, TEC의 경우에는 전기를 사용하는 전동차이다. 과거에는 약칭 EEC라고 불리던 우등형 전기 동차와 DEC 디젤동차[14] 등 일부 디젤동차도 있었다. 현재는 디젤 동차들이 모두 퇴역하면서 전기 동차인 KTX-청룡, KTX-이음, ITX-청춘, ITX-새마을, ITX-마음, 누리로가 동력분산식 여객용 열차로 남았다.|
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해외의 경우, 미국이나 유럽 쪽은 대부분 기관차 견인 방식의 열차를 사용하지만( 펜돌리노, ICE[15], 레 프레체 등 일부 고속열차와 지하철 제외), 영국과 일본은 좀 유별나게 거의 모든 열차가 동력분산식이다. 일본의 경우 JR 화물에서는 동력분산식 화물 열차인 M250계 전동차까지 만들어서 굴리고 있다. 신칸센도 모두 동력분산식이며, 펜돌리노가 나오기 전까지는 동력분산식 고속 열차 역시 신칸센 차량들밖에 없었다. 예외라면 M250계를 제외한 대부분의 화물 열차 정도.
2.2.2. 장점
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훌륭한 기동성
같은 출력이라고 해도 한 대 혹은 두 대가 전체 편성을 밀거나 끌어야 하는 동력집중식과는 달리, 이쪽은 여러 대의 객차 곳곳에 동력과 제동력이 분산되어 있기 때문에 정지상태에서 가속과 역 진입 시 감속이 빠르다. 이는 모터 출력과는 관계없이 동력차의 바퀴와 레일 사이의 최대정지 마찰력[16]으로 가속력이 제한되기 때문이다. 최대정지마찰력을 넘어서 출력을 넣으면 바퀴는 헛돌아버리며 이 경우 레일과 바퀴 사이에는 운동마찰력이 적용되는데, 운동마찰력은 최대정지마찰력보다 작기 때문에 결과적으로 출력은 높였는데 가속은 안 되는 상황에 빠지게 된다.[17] 마찰력은 수직항력에 비례하므로 결국 열차의 가속에 쓸 수 있는 힘은 동력차의 무게×정지마찰계수를 넘길 수 없다는 얘기.[18] 그렇다고 무턱대고 기관차를 무겁게 만들면 질량이 증가하므로 당연히 가속이 부족해지게 된다. 이를 타게하기 위한 방법이 바로 모든 객차에 동력을 공급하는 것이다. 이 경우 각각의 차에서 내는 출력은 기관차 하나로 끌 때보다 적게 필요하지만, 이 최대정지마찰력 한계는 각각의 객차마다 적용되므로 결과적으로 더 큰 가속력을 낼 수 있게 되는 것. 쉽게 말하면 기관차의 마찰력 이내로만 가속이 가능한 게 동력집중식, 동력객차를 포함한 열차 전체의 마찰력 이내로도 가속이 가능한 게 동력분산식이라 보면 된다. 예를 들어, 평택역에서 동력집중식인 무궁화호와 동력분산식인 전동열차가 동시 출발하면 제로백은 전철이 더 빠르다. 그렇기 때문에 역 간 거리가 짧은 도시철도용 차량은 거의 100% 동력분산식을 채택하고 있다. 그러나 중고속 영역에서는 출력 자체가 줄기 때문에 최대정지마찰력 한계가 걸리는지의 여부보다는 공기 저항 등 주행 저항에 좌우되므로 동력 집중/분산 여부와는 관련이 없다. 전동차는 각진 전면부를 가진 것도 있는 반면, 고속열차는 KTX-I, KTX-산천 할 것 없이 유선형인 이유. 다만 동일 편성, 동일 출력일 경우 동력분산식이 집중식에 비해 불리하다. 분산식의 경우 구동계에서 발생하는 동력손실이 집중식에 비해 크기 때문이다. 분산식은 돌려야 할 기어도 많고 돌려야 할 축도 많은 데다가 자연히 구동계 내부에서의 마찰력으로 발생하는 동력손실도 더 크다.
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공간 활용성이 좋음
똑같은 10량 편성일 경우, 동력집중식인 경우에는 최소 1~2량이 전부 기계장치로 되어 있어 모두 기관차로 날아가는 반면 동력분산식은 동력 장치가 차량 밑에 있기 때문에 10량 모두 여객 또는 화물칸으로 활용이 가능하다. 즉 공간이 효율적으로 활용될 수 있다. 따라서 사람을 무조건 많이 실어야 하는 도시철도용 차량이 동력분산식을 사용하는 이유 중의 하나이다. 대신 구동계통이 들어가기 때문에 바닥이 높아져 각각의 객차 내부 공간은 협소해지나, 어차피 사람 키는 다 거기서 거기기 때문에 사람 싣는 것이 목적인 도시철도에서는 큰 문제가 되지 않는 것. 그러나 무조건 화물을 많이 적재하면 장땡인 화물열차에서는 이 장점이 성립하지 않는다. 분산식 화물열차가 드문 이유.
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고장 시 유연한 대처
동력집중식, 특히 기관차가 1량인 경우 달리던 중간에 기관차가 퍼져 버리면 꼼짝 없이 전체 편성이 올스톱이 되지만, 동력분산식의 경우에는 동력차 5대가 있다고 했을 때 1대 정도 고장이 났다고 치더라도 어떻게든 움직일 수가 있다. 즉 90km/h로 달릴 걸 60km/h 이하로 달려야 하지만 그래도 아예 못 달리는 것보다는 훨씬 낫다.
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가벼운 축중[19]
철도 노선 건설을 할 때, 특히 교량 같은 경우에는 "이 위로 지나다닐 열차 중 가장 무거운 차량이 몇 톤인가"를 기준으로 한다. 동력집중식인 경우에는 마찰력 관계로 무겁게 만든 기관차가 상대적으로 가벼운 객차들을 끌고 다니는 식이기 때문에 이런 걸 모두 기관차 기준에 맞춰야 하지만, 동력분산식의 동력 차량의 경우 객차보다는 무겁지만 기관차보다는 가볍기 때문에 이런 점에서 자유롭다. 노선 수리비도 절감된다. 무거운 열차일수록 궤도의 수리비가 많이 들어가기 때문에 축중이 가벼운 동력분산식 열차는 궤도 유지비에 있어 도움을 준다. 일본이 장거리 열차에도 유달리 동력분산식 열차를 고집하는 이유 중 하나도 궤도의 축중 제한이 지나치게 낮게 설정되어 동력집중식 열차를 운용하는 것이 부담스러웠기 때문으로, 1960년대에 장거리 고성능 동력분산식 전동차/디젤동차를 제조할 능력을 갖추면서 동력집중식 열차들이 빠르게 소멸되어 갔다.
2.2.3. 단점
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비싼 도입 비용 및 유지 비용
철도 차량에 사용되는 전동기는 소형화가 필수적이므로 구조 설계가 복잡해지고 가격도 올라간다. 그런데, 동력집중식은 그나마 거대한 선두차량에 이를 탑재할 수 있는 반면 이쪽은 이걸 각 차량에 집어넣어야 하니 필연적으로 객차 아래, 즉 대차 옆 등 자투리 공간에 쑤셔넣어야 해서 구조 설계 및 가격에서 더더욱 불리하다. 도입 비용이 증가한다는 의미다. 동력집중식과 달리 각 차량에 전동기가 있으니 점검 시간도 길어지고 이는 인건비 상승으로 이어진다. 유지 비용도 올라간다는 의미다.[20]
철도회사가 충분한 기술력과 정비 시스템을 가지고 있다면 동력분산식의 장점에서 설명한 수많은 장점이 노반 및 선로용량에 크게 유리하고 이게 다 이익이 되기에[21] 동력분산식을 채택할 수 있다. 그러나 그러한 인프라가 빈약한 개도국은 동력분산식을 채택하기 어렵다. 개도국 철도에서 동력분산식을 보기 어려운 이유 중 하나.[22]
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에너지 효율
기계 장비의 경우 같은 출력에서 장비가 소형화될수록 에너지 효율이 떨어지는 경우가 일반적인데 동력분산식 또한 모터의 크기가 작아지고 여러 대가 달리게 되기 때문에 마찬가지다. 정확히는 작은 모터를 여러개 달아서 총질량을 대형모터와 동일하게 맞추면 동일한 효율이 나오지만, 객실확보를 위해 공간이 제한되어 있어서 발생하는 문제이다.
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편성 조정 문제
동력분산식의 최대 문제점. 특정한 상황에서 수요가 갑자기 늘거나 줄어들 경우, 기관차로 견인하는 경우라면 견인력이 허용하는 범위 내에서라면 객차/ 화차를 자유롭게 붙이고 뗄 수 있지만, 동력분산식의 경우에는 몇 개의 동력차와 무동력차가 하나의 유닛을 이루고 있기 때문에 편성을 자르거나 덧붙이기가 매우 난감하다.
여객 분야에서 이 문제를 해결하는 방법은, 작은 량수의 열차 여러 편성을 수요에 따라 병결 운행하는 방식이다. 한국에서는 수도권 전철에서 한번 시도했으나 병결 운행시 PSD 문제 때문에 포기했지만, 유럽에서는 상당히 자주 볼 수 있다.
이 문제가 가장 치명적인 분야는 화물이다. 화물 열차는 규격화가 된 객차 단위를 더하거나 빼기만 하면 되는 여객 열차와 달리 편성이 화물에 따라 유동적이고, 조차장이나 화물 열차 시설에서 차량을 분리 및 연결하는 작업이 필요하다. 그래서 화차와 기관차 등 차량 단위로 움직이는 것이 기본적으로 요구된다. 그러나 동력분산식 열차는 열차 단위로 움직이므로 각 차량을 빼거나 붙이는 조성 작업이 불가능하다. 따라서 일부 컨테이너 화물을 제외하면, 동력분산식 열차는 화물 열차로 쓰이기 힘들다. 물론 이 문제는 처음에 뽑을때부터 편성조성을 전차량 동력운전칸(Mc)으로(혹은 기관차 개념을 도입해서 소수만 기관차 역할을 하도록 지정하여 Mc로 하고 나머지를 전부 M칸으로 하는 방법도 가능하다.) 때려박아서 모든 칸이 동력차로써의 기능을 가져서 자유자재로 객차 이어붙이듯이 조절 가능하다면 해결할 수 있긴 하다. 어마무시하게 비싸지는 차값과 거지같은 에너지 효율이 문제지만. 실제로 일본 등지에서는 다수의 단량 동차[23]를 가지고 저런 식으로 쓰기도 한다. 아니면 동력거점식의 응용으로 Tc/Mc칸을 기관차 용도의 제어객차, M칸을 보조동력객차, T칸을 무동력객차로 제작하는 수도 있다.
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승차감 문제
차량 밑에서 전동기나 내연기관이 돌아가기 때문에 진동 및 소음이 심하다. 진동, 소음은 특히 내연기관이 더 심하며 이런 이유로 동차 천국 일본에서도 그린샤(=특실)는 거의 전부 무동력차로 들어간다.[24] 최근 신칸센 차량들은 진동의 경우 거의 다 잡아냈지만[25] 소음만은 어쩔 도리가 없어 객실 내부로 모터 돌아가는 소리가 끊임없이 들려온다.[26] 특히 차 안에서 누워 자야하는 침대열차는 대부분의 지역에서 아직도 기관차 견인 방식을 이용한다.[27] 특히 국내의 경우에도 구형 전동차( 코레일 1000호대 등)을 탑승해보면 꺼어억 하는 변속 소리가 난다. 물론 지금은 소음 문제가 상당히 개선되었지만, 모터카를 탄 경우에는 모터음과 브레이크 소리 등이 상당히 거슬린다.
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2층 열차 구성에 어려움이 존재
동력분산식 열차는 편성 안에 2층 열차를 구성하는 것이 동력집중식 열차보다 어렵다. 동력집중식은 모든 장치가 기관차에 존재해, 객차 부분에 동력 장치나 전장품이 없거나 적다. 그래서 객차 전 차량을 2층 열차로 구성해도 어려움은 없다. 그러나 동력분산식은 동력 장치를 소형화 하여 열차에 분산시키는 방식이므로 객차 부분에도 동력 장치와 전장품이 존재한다. 따라서 열차 하부까지 공간으로 활용하는 2층 열차를 동력분산식 열차에 구성할 경우 동력 장치와 전장품을 더욱 압축시켜야 하는 애로사항이 존재한다. 따라서 동력분산식 열차는 편성 안의 부수차(동력차가 아닌 차량) 1~2량만을 2층 열차로 사용하거나, 차량 성능의 저하나 차량 비용의 상승을 감내하고서 그 이상의 차량을 2층 열차로 사용한다.
이런 점 때문에 같은 길이의 동력분산식 2층열차와 동력집중식 2층열차를 비교했을 때 동력분산식 쪽의 여객 수송력이 떨어지는 경우도 있다.
그렇다고 이런 동력분산식 2층열차가 아예 없는 건 아닌데, 독일의 누리로 포지션인 RE의 봄바르디어제 신형 차량 중 일부가 이런 구조를 가진 채로 들어와 운행중이며 프랑스의 광역철도인 RER의 차량 중에도 이런 2층 전동차가 있다. 당장 일본에는 얼마 전까지만 해도 2층 신칸센 열차 가 운행했었다.
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치명적 고장 시의 대처
동력분산식 열차는 모터나 엔진이 하나만 꺼져도 다른 모터나 엔진을 통해서 역까지 가거나 입고하면 되지만, 동력계 전체에 영향을 주는 치명적인 고장이 발생할 경우에는 기관차 편성보다 대처하는 데 더욱 불리한 사항이 발생한다. 기관차 편성일 경우는 기관차만 바꾸거나 구원 기관차를 연결해 계속 운행할 수 있지만, 동력분산식 편성의 경우는 객실 내 전원 공급이 가능하다면 편성 째로 구원 기관차에 연결하거나, 이것도 불가능하다면 고장 열차 승객을 수용할 수 있을 만큼의 열차를 찾아서 투입시켜야만 계속 운행이 가능하기 때문이다.[28] 이 점은 동력집중식 동차 역시 같은 문제점을 안고 있다.[29] 이와 같은 사례로 2022년 7월에 강릉선 KTX가 낙뢰로 인한 감전으로 뻗어버린 사례가 있다.
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사고시 동력집중식보다 약한 내구성
각종 구동장치가 기관차 한 곳에 몰려있는 동력집중식과는 달리 동력분산식은 구동장치가 열차 곳곳에 흩어져있어 중량이 가볍다. 문제는 이 가벼운 중량때문에 사고시 잘 찌그러진다는 것. 특히 구동장치가 장착되지 않은 T칸의 경우에 때문에 신호설비 제어에 문제가 있으면 충격에 더더욱 취약하다.
2.3. 동력거점식
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| 보조 엔진차(B-유닛, 부스터 카)를 연결한 EMD F-유닛 기관차 |
동력집중식 차량을 동력분산식과 살짝 비슷하게 운용하는 방식.
한마디로 전용 동력차, 화물열차의 경우 전용 동력차 또는 놀고 있는 다른 기관차를 총괄제어 형태로 편성 사이에 집어넣는 방식이다. 쉽게 생각하면 기관차에서 제어 부분을 빼고, 오로지 동력만을 위한 위한 별도의 차량을 편성 사이에 집어넣는 방식이다. 여객 열차에 사용하는 경우, 중간 동력차를 승객이 통과할 수 있도록 통로를 만들어 놓을 수도 있다.
2.3.1. 특징
장점은 다음과 같다.- 승차감이 좋다: 동력분산식 차량에 나뉘어 있는 전동기나 내연기관을 사람이 탑승하지 않는 차량으로 모아 놓기 때문에, 사람이 탑승하는 부분에서는 전동기 소리가 나지 않는다. 전동차의 특실이 대부분 무동력차에 배정된 것을 생각하면 된다.
- 정비가 쉽다: 열차 고장 시 중간 동력차만 교체하여 운행을 재개할 수 있고, 전동기나 내연기관이 동력분산식 차량에 비하면 상대적으로 모여 있기 때문에 정비가 쉬운 편이다. 물론 동력이 몰빵되어 있는 기관차보다는 어렵다.
하지만 기존의 동력집중식과 동력분산식의 절충 방식임에 불구하고 여객 철도에서는 많이 퍼져나가지 못했다. 전동기와 내연기관의 기술 발전으로 인하여 사람을 태우는 동력차에도 사람을 태울 수 없는 동력차와 비슷한 내연기관이나 전동기를 장착할 수 있게 되었다. 그리고 중간 동력차 끊고 정비하는 것이나 전동차 편성별로 정비하는 것이나 편성이 짧으면 큰 차이가 없으니... 영국의 고속철도인 APT에서 이 방식을 시범적으로 사용하였고, 이후 생산된 슈타들러 레일(Stadler Rail)의 GTW 계열 전동차도 동력 거점식을 사용한다. 슈타들러 GTW는 유럽 여러 나라와 미국에 디젤과 전기 양쪽으로 잘 팔려 나갔으나, 후속 차량인 FLIRT는 일반적인 동력 집중식으로 복귀하였다. 일본에서는 시험용 가스터빈 동차인 키하 391계 동차가 동력 거점식을 사용하였다.
대한민국의 고속열차 개발모델인 HSR-350X도 동력거점식을 고려했다. 실험 당시의 사진을 보면 동력객차 중 하나는 차량의 거의 절반 정도를 동력실이 차지하고 있는 것을 볼 수 있는데, 이게 변압기가 설치되어서 그렇다. 20량 모델로 제작할 경우, 기관차+동력객차+객차 7량+동력객차(변압기 포함)+동력객차+객차 7량+동력객차+기관차의 형태로 구성될 예정이었다. 하지만 양산모델인 산천의 경우 20량 모델이 제작되지 않고, 350km/h 증속도 이루어지지 않았기에 실현되지 않았다.
그러나 화물철도 분야에서 어느 나라도 따라올 수 없는 규모와 기술력을 가진 미국에서는 아직도 매우 활발히 운용되는 방식이다. 특히 마일 트레인이라고 불리는 초(超)장대 화물열차에는 중련운전&총괄제어와 더불어 웬만해서는 빠지지 않는다.
3. 동력전달방식
동력전달방식은 발전기 등에서 생성된 운동에너지를 차륜까지 전달하는 과정을 말하며, 이 과정에 사용되는 장치를 동력전달장치라 한다. 차량마다 그 특성상 전달체계가 서로 다르다.3.1. 고속철도차량
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| KTX의 동력대차 구조 |
KTX의 경우 전차선으로부터 공급받은 단상 교류 25,000V 전원을 1차로 주변압기에서 단상 교류 1,800V로 변환한다. 그리고 2차로 모터블록 견인컨버터에서 직류로 변환되고, 다시 전류형 인버터에서 3상 교류로 변환되어 견인전동기에 공급한다.
견인전동기에서 발생한 회전력은 모터감속기 → 트리포드(Tripod) → 차축감속기 → 차축 → 차륜 순서로 전달된다. 트리포드는 모터감속기와 차축감속기 사이에서 상대운동의 변위를 흡수하며 회전력을 전달하고, 양쪽의 회전력이 서로 다르거나(트리포드 불균형) 과부하 등 이상이 발생하면 자동으로 절손되어 차축과 다른 동력전달장치를 보호한다(Fail-safe).
4. 관련 문서
[1]
장항선을 제외한 나머지 새마을호 노선은 동력분산식
ITX-새마을
차량으로 대체되었다.
[2]
왼쪽은
기관차, 오른쪽은 후방 운전실
객차다.
[3]
대신 이런 경우에는 기관차가 아닌 동력차로 불리며 디젤/전기 동차로 분류된다. 물론 각 동력차 내부 구조는 기관차랑 완전히 똑같아서 이걸 기관차라고 불러도 틀린 건 아니다.
[4]
단 KTX-1 단부객차인 1,18호차는 바로 앞뒤로 기관차가 붙어있는데다 동력장치 일부가 탑재돼 있어 이 칸에 당첨이 될 경우 가감속 시 소음이 큰 편이다. 그 외에도 공통적으로 맨 앞칸이 시끄럽다. 터널에서 들어보자.
[5]
그래서 비단선 노선에서 기관차가 고장이 나면 뒤에서 열차가 와서 장폐단으로도 운행이 가능한 것. 문제는 고장난 기관차가 8500호대의 대형기관차라면, 그 스펙에 준하는 기관차를 끌고 와야 한다.
[6]
고무차륜의 경우는 바퀴가 레일에 비해 마찰력이 훨씬 높으므로, 이러한 단점은 상대적으로 적은 편이다.
[7]
때문에 샌드박스로 불리는 살사장치를 바퀴 앞에 설치한다. 모래를 바퀴에 뿌려주면 바퀴와 레일의 마찰력이 증가하면서 미끄러짐을 완화해주기 때문이며,
KTX 기관차에도 설치되어 있다.
[8]
동력분산식에서도 흔히 일어나지만, 동력집중식의 경우는 눈이나 비가 내리면 최악의 경우 열차가 출발하지 못할 수도 있다. 다만, 지하철의 경우 지하의 특성상 비교적 따뜻하기 때문에 날씨에 따른 영향을 거의 받지 않는다.
[9]
PP식 동차라든가, 반대쪽에
운전객차가 연결된 경우에는 이 단점이 없다. 반대쪽에 운전실이 있는 경우는 상술했듯 유럽에 많다. 이런 방식을 쓰는 대표적인 고속열차가
ICE 2와
Railjet. 특히 후자를 견인하는건
한국철도
8100, 8200호대 전기기관차의 기반이 되는
오이로슈프린터로, 순정 상태에서 357km/h를 찍은 무시무시한 스펙의 전기기관차다.
[10]
적게는 백톤 안쪽이지만, 많게는 수 백 톤을 운행하는 게 화물열차이다. 아무리 객차나 화차에 장비가 되어 있더라도 제동거리는 늘어날 수 밖에 없다.
[11]
이는 동력분산식에서도 벌어질 수 있으며, 동력분산식의 경우는 각 객차의 출력이 일정하지 않을 때 주로 발생한다. 따라서 동력분산식을 설계할 때 모든 객차가 동일한 출력을 가지도록 설계하는 것이다.
[12]
느껴지는 충격은 마치 비행기 착륙할 때의 승객이 느끼는 충격과 비슷하다. 특히 무궁화호에서 상당히 심하게 느껴진다.
[13]
2호선 차량의 경우 국내 통근형 차량 중엔 유일하게 선두차에 동력 장치가 장착된 경우로, 초퍼차 중엔 현대정공(MELCO)제작분만 해당되었었다.
[14]
전후 동력차에 장착된
디젤 엔진으로 전기를 생산하여, 객차 하부에 장착된 전동기를 구동하는 독특한 구조를 취하고 있다.
[15]
이쪽도
1세대와
2세대 모델까지는 동력집중식이었고,
ICE T에서부터 동력분산식을 쓰기 시작했다.
[16]
바퀴 접촉점은 레일에 대해 상대운동을 하지 않으므로 정지마찰력이 적용된다.
[17]
일부 고출력 슈퍼카는 슬립이 나더라도 조금씩 앞으로 나가는데, 바퀴가 그나마 마찰력이 높기 때문이다. 철도는 그것보다 훨씬 무겁고 마찰력도 훨씬 작아서 바퀴가 아무리 헛돌아도 앞으로 나가지 못한다.
[18]
쉽게 말해 바퀴와 레일 사이에 마찰력이 출력보다 작으면 바퀴가 헛돌기 때문에 적절히 무게를 주어서 레일과 바퀴를 밀착시키면 출력의 허용범위가 커진다는 얘기다. 자동차로 치면
AWD가 노면 마찰력이 적어도 빠른 가속과 정지를 할 수 있는것과 같다.
[19]
직선 선로 상에서 정지 상태일 때, 선로에 가해지는 열차 바퀴 좌우 한 쌍의 무게다.
[20]
기차에 달려있는 전동기가 교류전동기인 이유는 교류전동기가 내구성이 좋기에 그나마 비용이 적게 들어가는 것이다. 브러시리스 모터나 직류전동기는 초기 비용이 비싸거나 유지 보수 비용이 비싸다.
[21]
가속 및 감속 성능이 좋은 차량으로 차간 간격 줄이고 조밀 배차하면 열차의 가격이 비싸도 사람을 많이 태울 수 있고 그걸로 충분히 메꿀 수 있다는 의미. 대표적인 예시로
지하철이 있다. 실제로 코레일 운영실적을 보면 신차 제조비용은 큰 비중을 차지하지 않는다.
[22]
그나마도 전철인 나라라면 좋은 나라다. 전기철도가 아닌 디젤열차를 운전하는 나라도 꽤 있기 때문이다.
[23]
한 량에 양운전대가 달려서 버스처럼 한칸으로 뽈뽈 돌아다닐 수 있는 동차. 한국에서 볼 수 있는 곳은
용인 경전철.
[24]
EEC는 6M4T였는데 선두차 2량(1,10호차), 식당(6호차), 특실(7호차)이 무동력차였다.
[25]
새로운 형식이 등장할 때마다 진동을 잡기 위한 기술에 대한 내용이 꼭 들어간다. 대표적으로 N700S계에 적용된 '풀 액티브 제진제어 장치'. 이는 동력분산식의 단점중 하나인 진동을 잡아내기 위해 끊임없이 연구개발을 통한 개선이 필요하다는 것을 의미한다.
[26]
물론
KTX는 대신 감속할때 브레이크 소리가 80dB 이상 치솟지만 이건 KTX의 단점이지 동력집중식의 단점은 아니다.
[27]
예외로
583계 전동차와
선라이즈 이즈모/세토는 동력분산식이다.
[28]
이게 운영 주체 측에서는 굉장히 난감한 문제인 게, 대체 열차가 없거나 멀리서 끌어와야 하는 경우가 생길 수 있고 또한 승객들에게 하차 후 승차를 시켜야 한다는 점 역시 부담이 있다.
[29]
이건 경우에 따라 다른데, 새마을호 PP동차의 경우는 맨 앞이나 맨 뒷부분의 동력차만 바꾸거나 구원기관차를 연결하는 방식으로 운용했다.