1. 시스템 체인지

차세대 전동차는 기존 각종장치의 기술을 한 단계 높이기 위해 시스템 체인지를 통하여 운영비용을 저감하기 위해 차체구조의 간소화를 하였으며, 범용 전기기술 활용에 따른 차내 배선의 삭감, 개별 차륜방식에 따른 레일 및 차륜 운영비용을 저감하였다. 또 경량화 및 에너지 효율 향상으로 동력비용을 저감하고, 편성 내의 기기수를 줄여 유지보수 비용을 저감하고, 환경을 고려하여 디스크 마찰로 발생하는

<그림 1> 차세대전동차 개발 Concept

 
 
 분진을 제거하기 위해 완전 전기 제동방식 적용하고, 유지보수가 용이한 구조로 하여 [표 1]과 같이 기존전동차 대비 차별성을 가지고 개발을 하고자 한다.

2. 차량편성과 주요제원

 
차세대 전동차 개발목표사양은 개별제어방식을 적용한 방식으로 [표 2]와 같이 AC/DC겸용 차량으로 개발하고, 6량1편성 차량의 주요 기기배치는 [표 3]과 같이 구성하여 개발하고 있다.

3. 차체구조

차세대 전동차 차체구조는 경량화와 유선형의 전두부(前頭部) 형상 적용을 위해 복합소재를 부분 적용하였으며, 특히 차량의 안전성 향상을 위해 철도안전법 내 충돌 안전기준을 국내 최초로 도시철도차량에 적용하여 승객의 안전성을 향상하였다. 또한 제작기간의 단축을 위해 볼팅 조립 방식을 부분 적용하여 차량의 제작비를 절감하였다.

4. 설비
차세대 전동차 설비품의 경우 승객편의성 향상과 교통약자이동편의성 향상 등을 우선적으로 감안하여 설계하였다. 다양한 의자배치, 확장형 갱웨이, 화재감지기, CO2 검지 센서 및 승객정보시스템 등을 적용하였으며, 특히 교통약자를 위해 점자블럭 및 스텝 등은 국내 최초로 적용하였다.

5. 운전실
운전실 분야는 국내 최초로 개방형 운전실을 적용하여 승객의 조망성을 향상하였으며, 또한 각종기기의 모듈화, 경량화를 통해 제작성과 유지보수성을 향상시켰다. 또한 전면 비상문을 적용하여 응급상황 발생시 신속한 대피가 가능하도록 설계하였다.

6. 대차 및 브레이크 (Active Steering Bogie Systems)

국내 전동차 주행노선은 급커브가 많아 소음과 유지보수비가 많은 구조로 되어 있다. 따라서 곡선 주행 성능이 우수한 조향대차 방식으로 개발한다. 조향대차(操向台車)는 엔드 빔이 없는 H 형의 대차프레임 형상을 가진 Bolsterless형 대차이며, 최대속도 110Km/h에서 Steering기능을 가지며 차륜의 마모량과 무관하게 요구 동특성을 만족하도록 하며, 유지보수 성능을 향상시키기 위해 Brake pad를 제외하고는 마모부품이 사용되지 않도록 설계하였다. 기초 제동과 개별제어방식을 적용한 차량의 중량 또는 속도정보 등을 수집하여 공기 제동의 공급압력을 감시 또는 제어하고 MCar 또는 T-Car의 차량 정보를 주고받으며 제동압력을 제어하고, 제동방식도 기존 차량 단위 제어방식을 대차(台車)단위 제어를 수행하여 제동시간을 단축하여, 제어 정밀성을 향상하였다.

7. 슬라이딩스텝

차세대 전동차량에 슬라이딩 스텝은 승객용 출입문에 설치되어 출입시 승강장과 차량간의 간격이 넓은 곳에서 승객의 추락사고를 미연에 방지하고 안전운행을 하기 위해 설치하였다. 완성된 차체에 조립할수 있도록 모듈로 구성되어 있으며 측도어 시스템과 연동되어 슬라이딩 작동하고, 스뎁 플레이트는 승강장보다 낮은 위치에서 작동하게 되는데 승강장 측벽에 닿으면 자동으로 작동이 멈추게 된다.

8. 통합 승객 안내시스템

기존 전동차 객실안내 표시기는 LED가 주를 이루고 있으나, 신조 차량은 LCD표시기로 점점 바뀌어 가는 추세이며 아날로그에서 디지털 방식으로 전환되고 있다. 차세대 전동차에서는 이런 기술을 반영하여 표시기·방송 통합 방식을 통합하여 운영 및 관리의 효율화를 도모하였다. 기존의 시스템은 좁은 운전자 공간에 여러 장치가 호환이 없어 비효율적으로 운영되어 운전자의 업무부담 및 안전운행에 위협요소가 되었으나, 통합승객안내시스템은 통신프로토콜표준화, 실시간 DMB방송, 열차내 무선 인터넷망구축, 무선모뎀을 통한 열차정보메세지 전송, 고화질 영상 기술 등의 첨단 IT기술로써 국제적인 기술경쟁력을 가지고 있다.

Ⅳ. 핵심기술개발 개요

1. 차세대 견인전동기 (Direct Drive Motor, DDM)

종래의 전동차는 견인전동기, 커플링 및 변속기 등 기어박스로 구성된 동력전달장치를 통하여 전동기 발생 토르크가 차륜에 전달되는 간접구동방식을 사용하여 왔고, 이는 최근에도 널리 사용되는 방식이다. 이러한 방식은 유지보수비용이 많이 들어가는 구조이며, 고속회전에 따른 소음도 증가하고, 구성적 측면에서 감속기어를 통한 동력전달로 시스템 구성이 복잡하여 취부공간의 확보가 요구된다. 또한, 성능적 측면에서 감속기어의 전달손실만큼 시스템 효율저하와 소음의 증가, 그리고 유지, 보수 측면에서 불리한 단점을 갖고 있다. 이러한 직접구동방식의 문제점을 해결하기 위하여 감속기 사용 없이 전동기 토크를 직접차륜에 전달하는 직접구동방식에 대한 연구가 1990년 후반부터 일본, 유럽을 중심으로 활발하게 이루어져 왔다. 직접구동방식은 감속기어가 없기 때문에 감속비만큼 회전수가 감소하여 소음을 줄일 수 있고, 동력전달 장치가 없어 무보수, 저소음, 고효율이 가능하다. 또한 전동기가 대차에 고정되지 않고 차륜과 일체화 된 구조로 차량의 하부 스프링 중량으로 작용하여 Unsprung 질량이 높은 점이 있지만 완충스프링을 통하여 전동기에 전달되는 충격을 기존 시스템과 유사하게 하였다. 따라서

 <그림 2>에서와 같이 그 구성이 간단하며 별도의 동력전달장치가 필요 없는 구조로서 소음 및 유지보수 등이 우수하며 차량의 저상화가 용이하고, 장착공간, 중량, 소음, 전달손실, 보수 등의 문제를 없애고 차량 시스템 효율 및 성능이 우수한 구동시스템을 실현 하는 것이 가능한 방식이다.

 
(a)직접구동방식 (b)간접구동방식

<그림 2> 차세대 견인전동기 특징

2. 추진제어시스템

 
현재 전동기는 전력변환장치의 급격한 발달에 힘입어 직류기에서 유도기로 전환되면서 현격한 소형 및 경량화와 에너지 절감을 달성했다. 유도전동기는 고정자와 회전자간의슬립에 의해 토크가 발생되기 때문에 차륜경, 노선 조건 등의 변화에 의해 각각의 전동기에 토크 또는 속도 차이가 발생하여도 지정된 속도 및 토크로 복원이 가능하므로 1대의 인버터에 여러 대의(1C4M) 전동기를 병렬운전할 수 있는 특징이 있어 인버터 비용을 저감할 수 있으나, 일괄제어에 따른 인버터 고장시 안정성이 불리하고 제어의 효율 및 성능 향상이 요구되고 있다. 따라서 차세대 전동차 추진제어방식은 1C1M 제어방식을 채택하였다. 영구자석 전동기에 1대의 인버터가 구동하는 개별제어방식이고 영구자석방식이기 때문에 유기전압이 발생하므로 인버터와 전동기를 분리할 필요가 있어 <그림 3>과 같이 접촉기를 설치하였다. 종래의 방식은 모터의 회전수를 검출하기위해 속도 엔코더를 이용해 속도검출을 하였지만 영구자석방식은 레졸바를 이용하여 모터의 상태 및 자속정보 파악이 가능하므로 저속에서 정밀제어가 가능한 장점을 가지고 있다.

<그림 3> 차세대 추진제어시스템

3. 완전 전기제동시스템

 
완전 전기제동방식은 전 속도영역에서 필요한 정지 브레이크를 전기와 공기제동의 병용이 아닌 전기제동으로만 지하철을 정지하는 것으로 인버터 제어방식을 이용하여 완전 전기제동을 수행하는 효과적인 제동방법이다. 기존의 제동방식은 공기제동과 전기제동을 병행하여 M카에서는 전기제동기준으로 하여 부족한 제동력을 공기제동으로 충당하였다. 고속영역(특성운전영역)에서는 전기제동력이 적어지므로 공기 제동력을 함께 사용한 블렌딩 제동으로 감속하며 정토오크 영역에서는 전기제동만으로 감속한다. 차량의 정지는 속도가 8km/h~5km/h 부근에서 공기제동으로 전환하여 정차시킨다. 차세대 전동기 전기제동방식은 <그림 4>에 나타내었다. 고속영역에서 전기제동력을 확대하기 위하여 운전영역을 확대하고 정 토오크 제어영역의 운전을 확장하여 감속도의 변화를 최대한 줄인다. 정지 상태에서 주행을 방지하기 위하여 정지토오크를 부 전기제동으로 정차시키는 방법을 사용하였다. 완전전기제동을 수행함으로 인하여 브레이크 수행시 수반되는 소음을 줄일 수 있고, 환경 분진을 최소화하고, 유지보수 비용을 줄일 수 있다

<그림 4> 완전 전기제동시스템

4. 에너지 저장시스템

녹색성장 일환으로 에너지 절약은 국가적인 핵심과제로 떠오르고 있고, 국내 차량에서 발생하는 회생 에너지는 제대로 활용되지 않아 국가적으로 큰 손실이 발생하고 있는 실정이고, 산업에서도 다양한 에너지를 저장할수 있는 장치가 없어 에너지 활용이 되지 않고, 축전지가 있다고 하여도 효율에 한계가 있다. 따라서 에너지 저장시스템 개발 시 다양한 전력을 활용할수 있는 계기가 된다고 판단된다. 에너지 저장시스템은 <그림 5>와 같이 전동차 감속시 발생하는 회생전기에너지를 저장장치에 순간적으로 저장하였다가 전동차 역행시 가선에서 부족한 전력을 필요시 공급해주는 DC750V급 에너지 저장시스템을 개발을 완료하여 경산 시험선에서 에너지 절감율에 대하여 공인기관으로부터 인증서를 획득하였으며, DC1500V급도 개발하여 대전 도시철도 판암역에 설치하여 시험예정이다. 따라서 도시철도 전동차에서 소비되는 에너지 약 10억Kwh/년을 볼때 약 25%/년 절약할수 있는 장치가 되리라 판단한다. 에너지 저장매체로 사용하는 Super Capaciter는 출력밀도가 높고 급속 충방전이 가능한 장점을 가지고 있어 차량과 DC급전전력과 전력 수수가 많은 점을 고려할 때 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다고 판단된다.

<그림 5> 에너지저장시스템

5. 화상처리식 검지시스템

 
도시철도 역에는 혼잡율이 매우 높으며, 이로 인한 역 구내에서 안전사고가 상시 작용하고 있고, 특히 플랫폼 낙상에 의한 인명사고가 빈번하게 일어나고 있다. 현재 설치되어 있는 CCTV에 의한 감시는 제한적이고, 수동적인 대책으로 운영되고 있어 안전에 한계가 인다고 판단된다. 따라서 <그림 6>과 같이 화상처리 기술을 이용한 감지기술은 최소의 비용으로 최대의 효과를 거둘 수 있는 대책이라 판단되어 역사에 Stereo 카메라를 이용하여 플랫폼에 낙하한 물체를 인식하여 진입하는 차량을 신호장치에 의해 즉시 정지할 수 있는 시스템을 개발하였으며, 대구역에 시범 설치하여 현장시험을 진행하고 있다.

Ⅴ. 결론

차세대 첨단 도시철도시스템 개발사업에서 개발하고 있는 내용을 소개하였다. 차세대 전동차에서 전체적인 면을 자세히 소개하지는 않았지만 기존기술과 Change 되는 핵심 기술위주로 기본방향을 제시하였다. 이번 차세대 전동차는 기존기술을 한 단계 업그레이드하는 기술로 운영비용 저감, Maintenance Free화로 유지보수비를 저감하고, 에너지 효율을 향상할 수 있고, 소음을 저감하고, 디스크제동을 줄여 환경친화적인 시스템이 될 것으로 판단된다. 또한 에너지저장시스템은 녹색성장을 주도하고, 운영비용을 획기적으로 절감할 수 있는 장치로서 도시철도시스템에 에너지 절감의 견인차 역할을 기대할 수 있다. 향후 전동차 제작이 완료되면 시운전 시험을 통해 성능확인을 하고, DDM 시스템의 적합성에 대해서는 여러 가지 시험평가를 실시함과 동시에 장기사용에 대한 추적조사를 실시하여 실용화를 목표로 주력해 갈 것이며, 차세대 첨단 도시철도시스템 개발을 통하여 국가경쟁력을 가지며, 운영자에게는 운영비용 점감을, 고객에게는 편리성과 안정성을 제공하는 시스템이 되도록 계속적인 연구개발을 경진하고자 한다.