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1 개요
차량에서 운전 중 운동 에너지를 회수, 저장하여 제동하는 방법. KERS와 거의 동일하다. 발전제동하고는 앞까지는 똑같은데 뒤로는 달라지는 점 주의. 발전제동은 저항기를 통해서 그냥 날려버리는데(...) 아이고 아까워라 회생제동은 이걸 전기로 회수해 오는 것이 차이점이다. 여기서는 통상적인 전기식 회생제동 시스템을 언급한다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드와 같은 차량 및 "통상적인" 전기 기관차는 보통 둘 중에 하나의 전동기 토플로지를 사용하게 된다. 사실 이 토플로지 말고 선택할 꺼리가 없는것도 한 몫을 하지만, 효율성도 좋고 오래 사용되어온 특성상 제어 안정성도 뛰어나다.
IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor. 매입형 영구자석 동기전동기.
AFPMSM : Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor. 수직자계 영구자석 동기전동기.
IDASM : Induction Asynchronous Motor. 유도형 비동기전동기.
이 3종류의 전동기는 통상적인 경우 전동기로서의 기능을 매우 잘 사용하지만, 역으로 축을 회전시킬 경우 발전기로서의 기능성도 매우 뛰어나다. 이는 구조적인 특성상 높은 자기밀도를 유지하기 때문이며 이 발전 전류를 제어함으로서 전동기가 발전기로서의 작동중 축에서 발생하는 백토크를 사용해 제동을 하게 된다. 따라서 회생 제동을 사용하기 위해선 대체로 위 3종의 전동기를 사용한 경우가 가장 유리한 회생제동 조건을 보여준다.
1.1 회생 제동이 불가능한 전동기
일부 전동기는 회생 제동이 불가능하다. 원인은 2가지 정도로 추려지는데, 발전기로 사용시 제어가 복잡하거나 발전기로 구성해도 전력이 많이 나오지 않아 제동력이 낮은 경우이다.
- Series Circuit DC Motor : 직류직권 연결시 회생제동을 하면 발전전력이 나오긴 한다. 하지만 평상시 이 발전전력의 큰 특징이 존재하는데, 전기자와 회전자가 직렬 연결이기 때문에 부하가 증가할수록 엄청나게 높은 전압이 튀어나오는데다 부하 변동에 따른 전압x전류의 관계가 선형이다보니 제어가 매우 어렵다.
- Brushed PM DC Motor : 발전 전력이 낮아서 백토크가 낮다.
2 회생 제동의 제동력은 어느정도인가?
회생 제동의 제동력은 전동기 토폴로지에 따라 달라진다. 단순 발전제동의 토폴로지로 보면 직류 브러쉬 전동기가 제동토크는 가장 높지만, 회생 제동을 사용해야 하는 경우에는 인버터의 플라이휠 다이오드를 통해 정류해 내는 전력이 많을수록 제동력이 상승한다. 이 경우 별도의 유도전력 없이도 기전력을 야기하는 영구자석 동기전동기 계통이 가장 발전전류가 높다. 그 다음으로는 공간백터 제어를 통해 인버터가 무효전력을 모터에 던져주면 모터가 운동에너지를 사용해 유효전력으로 바꿔서 인버터가 받아먹는 유도 전동기 계통의 제동력이 높다. 즉
영구자석 동기전동기의 제동력은 교류 유도전동기의 제동력보다 높다.
그리고 제동력은 전기적으로 거의 정확하게 산출되는데, 인버터나 모터 컨트롤러에서 직류 공용 버스로 흐르는 전압x전류x(1/모터손실)에 정확하게 비례한다. 이 때 발전전력을 조절할 수 있으므로 적절한 제동력을 얻는 것 역시 가능하다.
그러나 회생 제동의 제동력에는 큰 한계가 있는데, 그것은 전동기로서의 최대 출력 토크 이상의 제동력을 발생시키진 못한다는 것이다. 만약 가속력이 30km/h/s^2 인 차량이 전동기를 통해 가속할 경우 이상조건에서 제동속도 역시 30km/h/s^2 가 되어야 한다. 그러나 실제로는 전기를 다 변환하더라 하더라도 충전장치나 전력 소모가 이를 따라가지 못할 경우 제동력에 제한이 발생하는데 이걸 회생실효라 한다. 회생실효가 발생하면 순간적으로 제동력을 상실하기 때문에 자동적으로 공기제동등의 마찰제동으로 전환한다. 특히 열차가 없는 구간에서는 아예 저항기를 충분하게 달고 발전제동으로 전환하는 브레이크 쵸퍼와 같은 기능도 있다.
3 통상적인 회생 제동 토폴로지
통상적으로 다음의 컴포넌트가 회생 제동을 위해 사용된다.
- 회생제동이 가능한 유도/동기 전동기
- 회생제동이 가능하게 셜계된 IPM 으로 설계한 인버터
- 인버터에서 나온 회생제동 전류를 승압시키는 DC-DC 컨버터
- 빠른 속도로 제동할 때 빠른 속도로 전기를 저장하는 캐퍼시터 뱅크
- 공통 직류 버스와 연결되는 베터리 관리 모듈. 적절하게 충전의 역할을 한다.
- 기타 직류 버스의 다른 장치들.(cf. 에어컨 컴프래셔 등)
이들 장치에 의해 회생 제동시 발생한 전력은 전지나 캐퍼시터에 저장하여 다시 출발할 때 재사용되기도 하고 기본적으로 차량 유지에 소요되는 전력으로 사용되기도 한다.
4 회생 제동이 이루어지는 모습을 보자.
- 2번째 제동에서 제동하는순간 백열등에 불이켜지는것을 볼수있다.
이전 문서에서는 7600호대가 회생제동을 사용하기 때문에 예시를 들었으나,7600호대는 공기제동,답면제동을 제외하면 발전제동을 사용한다! 그 발전제동에서 DB저항에 안때려붓고 DC 버스로 던지면 그게 회생제동이라고 생각없는 철덕들아!! 실제로 던져진다고!
중간에 전력을 저장하는 뱅크가 있는 경우, 플러그인 하이브리드 차량이나 전기차의 경우에는 해당 전력 중 운영전력을 뺀 나머지를 고스란히 베터리에 저장하게 된다. 전기 기관차의 경우 회생제동이 가능한 전기 기관차는 CVCF인버터의 출력을 주 변압기로 보내 송전선으로 되돌려보낼 수 있다. 하지만 이미 편성 자체가 전기를 와구와구 먹으므로 편성에 몰빵하는게 정신건강에 이롭다. 한국전력공사님이 이 글을 싫어합니다