전기자 초퍼제어

직류전동기의 제어 방식으로, 초퍼제어를 주회로(전기자)에 사용한 방식이다.

초퍼제어가 사용되기 전에 사용되었던 저항제어 · 저항제어 기반의 약계자제어는 단독으로는 회생제동의 사용이 불가능했다. 이는 저항제어 방식의 근본이 결국은 전압제어가 아닌 전류제어이며, 전동기의 회전력을 자속을 통해 역기전력으로 뽑아낼 수는 있지만, 축전지에 저장하는 게 아닌 이상, 이 기전력을 인입전압보다 더 높은 전압으로 만들어야만 돌려보낼 수 있었기 때문이다.

DC-DC 컨버터가 대중화되고, 특히 사이리스터를 이용한 대전력 솔루션이 실용화되면서 상황은 달라지게 된다. 근본적으로 직류 정류자전동기의 구동이라는 한계는 벗어나지 못하더라도, 1970~80년대 당시 인버터보다는 초퍼제어 컨버터가 훨씬 더 안정적이며 실용성이 있었고 대전력에 적용가능했기 때문이다.

이 초퍼제어를 주회로, 즉 전기자가 포함된 회로제어에 사용하여 철도차량의 직류직권전동기의 속도제어를 한 방식이 바로 전기자 초퍼제어(또는 직류복권전동기 사용차량의 경우 주회로 초퍼제어)라 불리는 방식이다. 컨버터에 사용된 스위치, 즉 소자가 사이리스터였기 때문에 일본에서는 사이리스터 초퍼제어라는 용어를 활용하기도 했다. 이 방식은 제동에 있어서도 승압초퍼를 사용함으로써 저속에서 회생제동이 가능하다는 장점[1] 다만 일반적인 주회로는 전압이 높고 전류가 크기 때문에 이를 견딜 수 있는 반도체가 필요하였고, 이게 당시 기준으로는 매우 비쌌기 때문에 일본국유철도와 같이 자금난이 있었던 경우에는 많이 사용하지 못했다.

계자 초퍼제어는 저항제어 기반( 초퍼제어의 철도에서의 사용)으로, 전기자 초퍼제어와는 관계가 없다.

2. 역사

도쿄메트로 8000계 전동차의 초퍼제어

초퍼제어 기술 자체는 1968년 도쿄메트로 6000계 전동차 1차 시작차에서 철도차량으로써는 처음으로 선보였으나, 양산차는 1970년에 영업운전에 투입된 한신 전기철도 7001/7101계 전동차가 시초이며, 양산차로써 회생제동이 가능한 초퍼제어는 1971년에 영업운전에 투입된 도쿄메트로 6000계 전동차 양산차량이 시초다. 1980년대 초중반까지도 반도체는 흔한 게 아니라서 꽤나 비싼 가격대를 유지했고, 이에 자금난에 시달리던 일본국유철도의 경우 201계 전동차의 도입 이외에는 지하철 입선을 위한 성능 확보 및 발열 처리 문제 해결을 위한 203계 전동차 밖에 도입 사례가 없을 정도였다.

<rowcolor=#ffffff> 서울교통공사 2000호대 전동차의 초퍼제어

1983년에 대한민국에서도 이 기술을 사용한 전동차가 생산되었다.[2] 1980년대 후반에 철도차량에서 VVVF의 상용화가 시작되었고, 대한민국에서도 1990년대 초중반부터는 VVVF 차량이 도입이 시작되어 1990년대 후반 초퍼제어 차량의 신규 도입이 중단되었다.

인버터 기술이 대중화되고 VVVF 차량이 대중화된 뒤로는 직류정류자전동기와 교류전동기의 보수성 차이를 감안할 때 도입할 이유가 없게 되었다. 특히나 스위칭용 사이리스터가 HVDC가 아닌 이상 거의 사장된 요즘에는 도리어 부품 수급 등의 문제로 저항제어 차량보다도 빨리 단종되는 경향이 나타나기도 한다. 예컨대 2000호대 및 3000호대 초퍼제어 전동차는 각각 2020년 11월 말, 2022년 9월을 끝으로 서울의 모든 초퍼 열차들은 전부 퇴역하였으나 1000호대는 초퍼제어 차량이 폐차된 뒤에도 내구연한 연장을 받아 계속 운행하고 있다. 2024년 현재 현역으로 남아있는 차량은 부산의 부산교통공사 1000호대 전동차로, 일부가 내구연한 연장 검사를 받아 대차분이 도입되기 전까지 계속 운행할 예정이다. 일본에서도 전기자 초퍼제어 열차들은 거의 멸종 단계로, JR 기준으로는 서일본에서 201계 전동차의 퇴역이 마무리된다면 전 차량이 퇴출되게 된다.

3. 특징

주행음의 경우 기존 저항제어 차량과 큰 차이는 없지만, 가감속을 할 때에 스위칭에 의한 노이즈가 발생한다.

201계 전동차의 주행음

제도고속도교통영단 6000계 전동차의 주행음

MTR M형 차량의 구동음.

4. 장단점

4.1. 장점

회생 제동의 실현
중속역에서부터 저속역까지 안정된 회생제동이 가능하며, 소비 전력을 줄일 수 있고, 발전제동용 저항기를 탑재하지 않아도 되므로 차량의 경량화가 가능하다. 회로가 승압 초퍼를 구성하므로 고속에서는 별도의 저항기나 고속에서만 사용되는 추가 강압회로를 설비하는 등의 조치가 필요하다.

점착성능의 향상
저항제어계의 제어 방법과는 달리 스텝이 없는 연속(무단계) 제어가 가능해서 점착 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 동일 기동 가속도라면 동력차 비율(MT비)을 낮출 수 있다.

기계적인 장치의 최소화
전기적인 제어방식이므로 저항제어에 쓰이는 캠축 제어기 등 기계적인 습동부나 접점이 없어 보수작업을 줄일 수 있고, 기계적 요소로 발생하는 고장이 줄어들게 된다.

4.2. 단점

도입 당시 비싼 가격과 부품 수급 문제
초퍼제어의 가장 큰 단점이자 문제점. 초퍼제어는 반도체를 사용하는 소자이므로 교체하기 위해서는 꽤 비싼 비용을 내야 한다. 그리고 현재 전기자 초퍼제어 대부분의 부품들이 단종되어서 내구연한이 남아 있더라도 VVVF로 교체하거나[3], 조기 퇴역당하기도 한다.

직류전동기 사용으로 브러시 정류자 교환 필요
저항제어와 마찬가지로 직류전동기를 사용하므로 브러시와 정류자 교체가 필요하다는 근본적인 문제가 있다.

약계자제어의 필요성
직류전동기 성능상 약계자제어를 여전히 사용해야 하므로 결국은 효율성 개선에도 한계가 있게 된다.

5. 사용 차량

퇴역 차량은 취소선 표시

5.1. 국내

5.1.1. 서울

~~서울교통공사 2000호대 초퍼제어 전동차~~: 2020년 퇴역 및 폐차
~~서울교통공사 3000호대 초퍼제어 전동차~~: 2022년 퇴역 및 폐차
~~서울특별시지하철공사 4000호대 초퍼제어 전동차~~: 1995년 모두 2~3호선으로 이적, 이후 2022년 퇴역 및 폐차
~~서울교통공사 2000호대 직각형 저항제어·초퍼제어 전동차~~: 2020년 퇴역 및 폐차
~~서울교통공사 광폭형 GEC 초퍼제어 전동차~~: 2022년 퇴역 및 폐차

5.1.2. 부산

부산교통공사 1000호대 전동차 [IGBT]

5.2. 해외

5.2.1. 일본

5.2.2. 일본국유철도(현재의 JR그룹)

5.2.3. 제도고속도교통영단(현재의 도쿄메트로)

5.2.4. 도쿄도 교통국( 도에이 지하철)

5.2.5. 나고야시 교통국

5.3. 중국

5.3.1. 홍콩

홍콩 MTR: MTR 메트로카멜 직류형 전동차 [12]

5.4. 싱가포르

5.4.1. SMRT

싱가포르 MRT C151형 전동차 [IGBT]

5.5. 미국

5.5.1. BART

BART A 차량 [IGBT]
~~BART B 차량[IGBT]~~
~~BART C1 차량~~
~~BART C2 차량~~

5.6. 캐나다

5.6.1. 몬트리올 지하철

~~MR-63~~[16]
MR-73

5.7. 호주

5.7.1. 시드니 광역 철도

~~시드니 광역전철 C형 전동차~~[17]
시드니 광역전철 T형 전동차

6. 관련 문서

초퍼제어

[1] 다만 반대로 고속에서의 제동의 경우 역기전력이 크다보니 지나치게 전압이 높아져 도리어 인입선이 받을 수 있는 한계를 초과해 돌려보낼 수 없게 되는 일이 생겼다. 즉, 회생실효가 나는 일이 잦아 이에 대응한 회로가 추가로 필요하다는 문제가 있어 완전한 장점은 아니다. [2] 1호선은 직결하는 국철 구간이 교류 구간이므로 어차피 회생제동이 어려워 초퍼제어 열차를 도입하지 않았다. [3] 다만, 이 경우 주 전동기까지 교류전동기로 교체해야 하므로 상당히 많은 비용이 소모된다. [IGBT] 일부 전동차가 현재 VVVF- IGBT 방식으로 개조되었다. [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [IGBT] [12] 1977~1982년에 나온 초기형은 도입당시에는 저항제어 였고 1980년대 중후반에 나온 일부 차량만 초퍼제어 탑재. 1980년대말부터 저항차량을 초퍼로 개조 [IGBT] [IGBT] [IGBT] [16] 세계 최초로 저항제어에서 초퍼제어로 개조된 열차로 여겨진다. [17] 2021년 전량 퇴역