동력분산식

1 개요

파일:동력방식.jpg
철도 차량의 동력방식 관련 용어.

모터나 기관을 한쪽에 몰빵하지 않고, 모든 열차 칸에 골고루 분산 시키는 방식이다. 동력집중식의 반대 방식이다.

몇 대의 동력 전용차를 이용해 열차를 밀거나 땡기는 식의 동력집중식과는 달리, 열차의 각 량의 하부에 상대적으로 출력이 작은 모터나 엔진을 여러 대 설치해서 동시에 굴리는 방식으로, 5000kW짜리 기관차 한 대를 이용하는 대신 500kW짜리 동력 객차 열 대를 사용하는 방식이라고 생각하면 된다.

2 국내외의 실례

현재 한국에서 운용 중인 동력분산식 열차는 한국에서 사용 중인 모든 도시 철도용 전동차 및 경춘선에서 뛰고 있는 ITX-청춘, TEC, CDC(그리고 이를 무궁화호 사양으로 개조한 RDC), NDC, ITX-새마을이 있으며, 시제 차량으로 차기 KTX 시제 차량인 HEMU-430X, 등장 예정 차량으로 신형 동력분산식 중고속 차량인 HR-HEMU250 이 있다. CDC나 NDC의 경우에는 디젤 엔진이 달려있고, 도시 철도 전동차와 ITX-청춘, TEC의 경우에는 전동차이다. 과거에는 약칭 EEC라고 불리던 우등형 전기 동차와 DEC[1] 등 일부 디젤동차도 있었다. NDC는 퇴역했고 CDC 또한 전철화와 선로 개량 등으로 배차가 줄어들 것이므로 사실상 누리로, KTX-3 해무, ITX-청춘, ITX-새마을 및 신형 중고속 열차가 동력분산식 여객용 열차로 남을 전망이다.

해외의 경우, 미국이나 유럽 쪽은 대부분 기관차 견인 방식의 열차를 사용하지만(지하철 제외), 영국과 일본은 좀 유별나게 거의 모든 열차가 동력분산식이다. 일본의 경우 JR 화물에서는 세계 유일의 동력분산식 화물 열차인 M250계 전동차까지 만들어서 굴리고 있다. 신칸센도 모두 동력분산식이며, 독일의 ICE 3이 나오기 전까지는 동력분산식 고속 열차 역시 신칸센 차량들 밖에 없었다(...). 예외라면 M250계를 제외한 대부분의 화물 열차 정도.

2015년 현재는 해외의 고속철 대부분이 동력분산식을 개발, 이용하고 있는 상황이지만 아직 우리나라는 동력집중식을 개발, 이용하고 있는 형편.
HEMU-430X의 예에서도 보듯이 동력분산식 열차 개발에는 성공했지만 여러가지 문제가 겹쳐서 사실 코레일이 도입 필요성을 못느껴서 상용화를 못하고 있는 것으로 보인다.참고기사

3 장점

  • 뛰어난 기동성
같은 출력이라고 해도 한 대[2]가 전체 편성을 밀거나 끌어야 하는 동력집중식과는 달리, 동력분산식은 여러 대의 객차 곳곳에 동력과 제동력이 분산되어 있기 때문에 정지상태에서 가속과 역 진입 시 감속이 빠르다. 예를 들어, 평택역에서 동력집중식인 무궁화호와 동력분산식인 전철이 동시 출발 하면 제로백은 전철이 더 빠르다. 그렇기 때문에 역 간 거리가 짧은 도시 철도용 차량은 거의 100% 동력분산식을 채택하고 있다. 그러나 중고속 영역에서의 가속 성능은 거의 차량의 힘과 주행 저항에 좌우되므로 동력 집중 분산 여부와 관련이 없다.[3]
  • 공간 활용성이 좋음
똑같은 10량 편성일 경우, 동력집중식인 경우에는 최소 1량이 기관차로 날아가지만 동력분산식은 동력 장치가 차량 밑에 있기 때문에 10량 전체에 여객 또는 화물을 실을 수 있다. 즉 공간이 효율적으로 활용될 수 있다. 따라서 사람을 무조건 많이 실어야 하는 도시 철도용 차량이 동력분산식을 사용하는 이유 중의 하나이다.
  • 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 0km/h보다는 훨씬 낫다.
  • 가벼운 축중[4]
철도 노선 건설을 할 때, 특히 교량 같은 경우에는 "이 위로 지나다닐 열차 중 가장 무거운 놈이 몇 톤인가"를 기준으로 한다. 동력집중식인 경우에는 겁내 무거운 기관차가 상대적으로 가벼운 객차를 끌고 다니는 식이기 때문에 이런 걸 모두 기관차 기준에 맞춰야 하지만, 동력분산식의 동력 차량의 경우 객차보다는 무겁지만 기관차보다는 가볍기 때문에 이런 점에서 자유롭다. 특히 주목할 것은 노선 수리비의 절감. 무거운 열차일 수록 궤도의 수리비가 많이 들어가기 때문에 축중이 가벼운 동력분산식 열차는 궤도 유지비에 있어 도움을 준다.

4 단점

  • 비싼 가격
동일 용량의 데스크탑용 3.5인치 하드디스크와 노트북용 2.5인치 하드디스크 중 무엇이 비쌀까? 오픈마켓을 검색해 보면 답이 나올 것이다. 다시 철도차량으로 돌아와서, 저출력이라고 해도, 일반 모터, 기관과 기차용 모터, 기관은 급수부터 다르며, 가격도 다르다. 열차의 생명이 모터 또는 기관이고, 특히 이 방식의 경우에는 모터나 이런 것 등을 객실 아래, 즉 대차 옆 등의 자투리 공간에 집어넣어야 하므로 구조가 복잡해지고 그로 인해 가격도 비싸진다. 데스크탑(모니터 별도)이 기관차(객실 별도)라면, 노트북(모니터 일체형)은 동력분산식 동차(객실 일체형)가 된다. 물론 노트북용 하드는 소음이 적으며 동력분산식 동차도 전체적으로 소음이 적다는 면에선 비슷하다.
  • 복잡한 정비
1번 문제에 딸려 나오는 문제. 구조가 복잡하기 때문에 그만큼 정비도 빡세다. 힘들다. 또한 동력 장치의 숫자가 집중식에 비해 많기에 정비 할 곳도 더 많다. 개발도상국 철도에서 동력분산식을 거의 찾기 어려운 이유는 위의 비싼 가격과 이 문제 때문이다.
  • 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 한 번 시도했으나 병결 운행 시 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.
  • 중량 증가
동력분산식은 동력차가 여러 대 있기 때문에 동력차 하나만 본다면 모를까 열차 전체를 봤을 때엔, 중량 증가라는 문제점을 가지고 있다. 중량 증가는 곧 저항을 많이 받고 에너지 효율성이 낮다는 걸 의미하기 때문에 문제가 된다. 그렇기 때문에 동력분산식 열차를 만들 때엔 가벼운 소재를 이용해 중량 증가를 최소화하려고 하는데, 이 때 설계가 미숙하다면 열차가 많이 흔들릴 수 있어 승차감이 떨어지는 문제점을 야기시킬 수 있다.
  • 승차감 문제
차 밑에서 모터나 엔진이 돌아가기 때문에 진동이 심하다. 이런 이유로 동차 천국 일본에서도 그린샤(=특실)은 거의 전부 무동력차로 들어가며[5], 특히 차 안에서 누워 자야 하는 침대특급 같은 열차는 아직도 기관차 견인 방식을 이용한다.[6] 특히 국내의 경우에도 구형 전동차(초저항 등)을 탑승해보면 꺼어억 하는 변속 소리가 난다. 물론 지금은 소음 문제가 상당히 개선되었지만, 모터카를 탄 경우에는 모터음과 브레이크 소리 등이 상당히 거슬린다.
  • 낮은 점착력[7]
장점에서 서술한 가벼운 축중이 양날의 검으로 작용하는 사례. 기관차같이 무거운 구성품이 집중되어 있으면 차륜과 궤조의 점착력이 높다. 알기 쉽게 마찰력 공식 f = μN을 생각하자. 즉 잘 붙어서 덜 미끄러지기 때문에 그만큼 동력 효율이 높다. 그러나 전차의 경우 총 중량은 많아도 각 차량에 구성품이 분산 되어 그만큼 한 차량의 점착력은 떨어진다. 이러한 문제 때문에 초기의 신칸센 차량인 0계의 경우 전 동력차(16M)로 하여 점착력을 높이는 효과를 부여했다. [8]
  • 2층열차 구성에 어려움이 존재
동력분산식 열차는 편성 안에 2층열차를 구성하는 것이 동력집중식 열차보다 어렵다. 동력집중식은 모든 장치가 기관차에 존재해, 객차 부분에 동력 장치나 전장품이 없거나 적다. 그래서 객차 전 차량을 2층열차로 구성해도 어려움은 없다. 그러나 동력분산식은 동력 장치를 소형화 하여 열차에 분산시키는 방식이므로 객차 부분에도 동력 장치와 전장품이 존재한다. 따라서 열차 하부까지 공간으로 활용하는 2층열차를 동력분산식 열차에 구성할 경우 동력 장치와 전장품을 더욱 압축 시켜야 하는 애로사항이 존재한다. 따라서 동력분산식 열차는 편성 안의 부수차(동력차가 아닌 차량) 1~2량만을 2층열차로 사용하거나, 차량 성능의 저하나 차량 비용의 상승을 감내하고서 그 이상의 차량을 2층열차로 사용한다. 또, 이런 점 때문에 같은 길이의 동력분산식 열차와 동력집중식 전 2층열차 편성의 열차를 비교했을 때 동력분산식 쪽의 여객 수송력이 떨어지는 경우도 있다. 대표적인 사례 동력분산식인 AGV와 동력집중식의 TGV 듀플렉스. 전자가 500명을 수송할 때 후자는 600명을 수송할 수 있다.
  • 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 대처하는데 애로 사항이 핀다. 기관차 편성일 경우는 기관차만 교체하면 계속 운행할 수 있지만, 동력분산식편성의 경우는 객실 내 전원 공급이 가능하다면 편성째로 구원 기관차에 연결하거나, 이것도 불가능하다면 고장 열차 승객을 수용할 수 있을 만큼의 열차를 찾아서 투입 시켜야만 계속 운행이 가능하기 때문이다.[9] 동력집중식 동차 역시 같은 문제점을 안고 있다.[10]
  • 동력 전달 장치에서 기인하는 저항이 크다. 특히 가속시나 고속 주행시의 손실이 크다. [11]
  1. ↑ 전후 동력차에 장착된 디젤 엔진으로 전기를 생산하여, 객차 하부에 장착된 전동기를 구동하는 독특한 구조를 취하고 있다.
  2. ↑ PP 제외
  3. ↑ 다만 동일 편성, 동일 출력일 경우 동력분산식이 집중식에 비해 불리하다. 분산식의 경우 동력장치에서 발생하는 동력손실이 집중식에 비해 크기 때문이다.
  4. ↑ 직선 선로 상에서 정지 상태일 때, 선로에 가해지는 열차 바퀴 좌우 한 쌍의 무게
  5. ↑ 우리나라에 있던 EEC만 봐도 알 수 있다! 당시 6M4T였는데 선두차 2량(1,10호차), 식당(6호차), 특실(7호차)이 무동력차였다.
  6. ↑ 예외로 583계 전동차와 선라이즈 이즈모/세토는 동력분산식이다.
  7. ↑ 바퀴와 레일 접촉면 사이의 마찰력. 이것이 낮으면 바퀴와 레일이 서로 미끄러져서 레일과 차륜에 손상이 생긴다.
  8. ↑ 하지만 편성 전체로 보면 동력분산식이 점착력 면에서 훨씬 유리하다. 특대형 디젤이 견인하는 10량 짜리 일반 열차와 5M5T의 전동차를 비교해보자. 동륜총 중량이 견인력 측면에서 아주 중요한데 일반 열차의 경우 125톤, 전동차의 경우 동력차를 40톤으로 잡아도 (물론 이거보다 더 무겁다) 200톤이다. 신칸센 0계의 경우 차량 총 출력의 향상을 위해 16M으로 구성했다.
  9. ↑ 이게 운영 주체 측에서는 굉장히 난감한 문제인 게, 대체 열차가 없거나 멀리서 끌어와야 한다면 망... 또 승객들에게 하차 후 승차를 시켜야 한다는 점 역시 부담이 있다.
  10. ↑ 이건 경우에 따라 다른데, 새마을호 PP동차의 경우는 선두나 후부의 동력차만 교체하면 상관없었다.
  11. ↑ 출처: 위키피디아 일본어판 '動力分散方式'(동력분산방식)-단점에서