[HEMU 특집 포스팅 3편] 차세대 고속열차 HEMU-430X. 동력분산형 고속열차의 특성 및 시제차량의 동력분산 구조 분석 (2)

[TC(Trailer coach with Cab: 운전제어객차) 특실 ]
서울방면 선두차인 TC 차량으로 말 그대로 무동력차 입니다.
주회로 설비가 단 하나도 탑재되지 않기 때문에, 이 차는 동력분산형도 동력집중형 차량도 될 수 없습니다.

객실부 앞쪽에는 운전실 파티션이 나누어져 있고 객실부에는 2×2배열 특실 좌석 22석이 배치되어 있습니다.
그리고 언더프레임 하면에 보조회로용 전장품이 탑재되는데, TC차량 언더프레임 하면에는 보조전원장치(APS), 축전지 충전장치(Battery Charger), 축전지 함(Battery Box), 공기압축기(Main Compressor) 등의 장비가 탑재되고 있었습니다.

[M1(Motor coach with Pantograph 1: 집전장치가 탑재된 동력객차) 특실 ]

집전장치(Pantograph)가 설치되어 가선으로 부터 AC 25,000v를 수전받아 편성 전체에 급전시키는 기능을 하는 집전장치 부 동력객차 입니다.

언더프레임 하단부에  주 변압기(MTF), 주 전력변환장치(MPS) 가 탑재되며, 전 후에 위치한 2조의 대차에는 각 축마다 1기씩 410kW급 3상 유도전동기(Induction Motor)이 들어가 량당 출력 1,640kW를 뽑아 냅니다.

객실 내부에는 2×1 배열 특실좌석 34석이 배치되고 서비스 공간으로 수유실, 일반 화장실, 수화물 보관대가 설치됩니다.


[M2(Motor coach 2: 동력객차) 시험계측실]

언더프레임 하단부에 주 전력변환장치(MPS) 가 탑재되며, 보조전원장치(APS)가 탑재되어 편성내 서비스전원 급전을 분할 공급 합니다.

M1차량의 주 변압기로 부터 출력되는 주회로 권선, 보조회로 권선에 의해 MPS, APS에 각기 제어전원이 들어가며, MPS는 대차에 설치된 4기의 유도전동기를 컨트롤 합니다.

객실 내는 시험계측실로 이루어져 있어 차량의 주요 장치에 대한 모니터링 시스템이 구축되어 있고 객실내 정원은 할당되지 않았습니다.

[M3(Motor coach 3: 동력객차) 스낵카 및 가족실]

기술적 사양은 M2차량과 완전히 같습니다.

차량내 차창이 2층으로 배치된 부분이 있어 참 멋스럽게 보이기도 하고, ‘2층객차가 아니냐’는 의혹을 불러 일으키기도 했던 차량인데요.

앞에 4개 차창부에는 3열씩 2개 좌석이 마주보도록 놓여진 컴파트먼트형 가족실이 위치하고 있고, 차창이 2단으로 배열된 부분에는, 스낵바와 라운지가 놓여 있습니다.

다른 편에서 소개할 날이 오겠지만, 이 차는 특히 다른 차량들과는 차체 단면 곡률이 상이합니다.

해무의 차체가 상단부로 말려 올라가면서, 둥글게 말아 올려지는 모양새를 가지고 있는데, 이 차에서는 2단 차창을 차체 곡률에 맞추어 끼워 넣다보니, 유리 자체를 곡면 유리로 성형하지 않고 차체곡률 자체를 일단면으로 놓인 유리에 맞추어 성형 시켰습니다.

 [M4(Motor coach with Pantograph 4: 집전장치가 탑재된 동력객차) 일반실 ]

차량 기능은 M1 차량과 역시 동일합니다.

차내에는 장애인 대응설비가 구출되어 있고 2×2배열 일반실 좌석 45석에 2×3 배열 일반실 좌석 10석이 배치되어 총 55석의 좌석이 배치되어 있습니다.

승객 서비스 설비로 장애인 대응 화장실이 설치되어 있습니다.


[MC(Motor coach with Cab: 동력운전제어객차) 동력실 및 검측실]
대망의 MC 차량입니다.

한눈에 봐도 위의 TC, M1~M4의 5량들 과는 사뭇 다른 포스를 내뿜는 모습이 범상치 않습니다.

해무가 동력분산식 고속열차 라고 했는데, 외관으로 볼 때 MC차량에 할당된 차내 공간이라고는 1/5 정도 밖에 확보되지 않은 것을 차창을 통해서도 알 수 있고 하나의 창을 제외한 나머지 네개분 차창은 막혀 있는 모습이 흡사 KTX의 동력차 방열구 형상과 닮아 있어 ‘동력집중식 제어차’ 가 아니냐는 의혹을 불러 일으켰던 말많고 탈많은 MC 차량입니다.

앞에서 잠깐 말을 꺼냈던 일본인 철도매니아의 억지주장이 바로 이것 입니다.

‘한국이 동력분산형 고속철을 완성시킬 기술력이 딸려서 어쩔 수 없이 한쪽에 동력집중식 동력차를 배치했다.’

라는 터무니 없는 이야기가 한-일 철도관련 포럼등에서 감히 떠도는데, 이런식의 근거없는 추측이 나오는 사태를 가만히 지켜볼 수가 없네요.

그것을 본 수많은 네티즌들. 개중에는 한국인도 있을텐데 앞에서 말한것 처럼 진실이 왜곡되어 발생하는 부정적인 영향을 생각한다면 어떻게든 이를 뒤엎을 수 있는 확실한 증거를 들이대어 반론을 해야겠습니다.

수년간 우리나라의 공학연구원 수백명이 매달려 만들어낸 소중한 자산을 근거도 없이 깎아 내리고 폄하하는 꼴을 어찌 두고 보겠습니까.

결론부터 말해서 MC차량이 동력집중식 차량은 절대로 될 수 없으며 기술력이 딸려서 이런 형태의 MC를 만든게 아니라, 지금 발전하고 있는 전력전자 기술력의 추세에 아주 잘 발을 맞추어 진보한 기술력을 시험하기 위해 탄생된 매우 뛰어난 성능의 차량이라는 것 입니다.

해무가 괜히 차세대 고속열차 라는 이름을 내걸지 않았다는 것이죠.

이 MC 차량에는 아직 국내에는 상용화 되지 않은 신기술이 들어갔습니다.

이 신 기술에 기반한 장비들이 탑재되다 보니, 어쩔수 없이 한량에 동력기기가 배치된 것이지, 기존의 주회로 시스템과 동등한 설정으로 맞춘다면, 현재 우리나라 기술력으로 MP-M 차량 유니트와 같은 방식으로 언더프레임 하면에 구동장치를 배치할 수 있습니다.

[MC차량의 동력설비 및 검측장비 탑재부]

측면에 있는 4개의 그릴 비슷한 물건은 통풍구로서 기계실 내 주회로 설비에 신선공기를 유입시키기 위해 배치 된 것입니다.

그리고 상부에 4개의 플레이트로 분할되며 열 두개로 나뉘어 있는 부분은 KTX, KTX-산천의 계보를 이어 장착된, 발전제동 방열구로 발전제동을 사용할때, 발생하는 열을 외부로 소산시키기 위해 설치한 것인데, 실제로 차량 제작 과정에서 발전제동 저항기가 빠져서 그 모양만 나 있습니다.

차내에 들어가 보지 않는 이상 내부에 어떤 계기가 놓여 있는지 알 수가 없는 상황 이었는데, 5월 16일 공개행사 때도 이 동력실은 출입이 통제 되었습니다.

일단 고압기기가 가득차 있는 곳이라 위험하기도 하고 굳이 기계설비가 탑재된 공간을 보여줄 필요도 없었겠지요.

이가 없으면 잇몸으로 살라고, 직접 눈으로 볼 수 없으면 돌아가면 되는 것이죠.

제한된 데이터를 가지고 어떻게든 그 비밀을 풀어내고야 말았습니다.

[운전실 내 DU화면]

사진은 운전실 내 견인 및 제동 공기압을 현시중인 디스플레이 모니터중 하나의 화면입니다.

좌측 세개의 게이지는 각기 주공기통/ TC차량 전방 및 후방 제동통 압력을. 중간은 가선 전압. 오른쪽은 MPS에 대한 부하전류계로 추정됩니다.

위에서 부터 차례로 내려다 보면, M1-MPS1 ,M2-MPS2, M3-MPS3, M4-MPS4 인데, MC에 MPS5 MPS6 MPS7 MPS8 로 무려 4개의 추진제어장치가 목록에 떠 있는것을 확인할 수 있습니다.

MC차량에 4대의 MPS가 들어간다.

저걸 보는 순간, 대체 체 뭘 하려고 주전력변환장치를 4개 씩이나 가져다 놓았는지 의문이 증폭 되었습니다.

여기에 간접적으로 도움이 된 것이 위에 올린 KTX, KTX-산천 VS HEMU 비교표 였습니다.

위에 1, 2, 3으로 표기한 세가지 정보가 MC 차량의 비밀을 푸는데 깨알같은 정보를 제공했습니다.

첫번째 박스친 4,350kVA 에 일단 주목해야 하고, 두 번째로 견인권선이 2권선(CI 2대) 라고 쓰여있는 부분에 초점을 맞춰야 합니다.

견인권선이 CI 2대라는것이 곧, M1 차량내 변압기가 M1-M2 차량내 MPS 2대와 APS 에 부하를 담당하고, M4차량내 변압기가 M3-M4 유니트와 M3및 TC차량의 APS 2대의 부하를 공급한다는 의미로 보면 됩니다.

가볍게 실증해 보아도, 2량 단위 유니트의 전동기 출력이 3,280kW. 이를 기반으로 하여 일반적인 유도전동기의 역률 특성(0.9 미만)과 IGBT 소자를 탑재한 PWM 컨버터의 효율 (근래에는 거의 1에 가까움) 을 바탕으로 MPS 1대에 공급되어야 할 부하를 계산해 보면, 약 1,900~2,000kVA 가 나옵니다.

계산법에 대해서는 다음편에서  전동기 역률 등의 수치를 정확하게 산정하여 주회로 설비의 용량을 역으로 계산하면서 자세하게 풀어나가 보도록 하고 여기서는 근사값에 가까운 결과치만 언급합니다.

1기의 MTF가 MPS 2대에 전력을 공급한다고 헀으니, 2대의 MPS로 보내지는 주회로 출력 용량만 3,800kVA(1,900*2)가 되어 4,350kVA급 변압기의 용량은 약 550kVA가 남습니다. 이 남은 550kVA 로 M차량과 TC차량에 탑재된 2기의 APS 에 보조전력 제어용 전원을 공급해야 하니, 2량분 변압기 출력이 4,350kVA 라는것은 MP-M의 2량 유니트의 주회로 전원과 인접한 MC혹은 TC의 APS 공급 전원을 제공하기에 딱 알맞게 산정된 수치임을 알 수 있습니다.

즉, MP 차량의 MTF가 MC차량 주회로에 추가로 공급할 만큼의 여력은 없다는 것이죠.

여기에서, MC차량 내에는 독립된 주회로시스템이 구성 된다는 것을 예측할 수 있습니다.

보는것이 믿는것이니 직접 눈으로 확인해 보는게 좋겠죠.

내부 탑재설비는 투시를 하지 않는이상 볼 수 없지만, 지붕에 탑재된 집전설비는 육안으로 관찰할 수 있는 부분이니까요.

(요즘엔 정보의 객관성에 대해 신경을 더 많이 쓰다보니, 가능하면, 모든 수단을 동원하여 2차 3차 검증을 거치고 그렇게 검증된 정보만을 엄선해서 올립니다.)

 [MC 차량 후방의 풍동커버부]

TC 차량과는 달리, 상단부 풍동커버 부분이 꽤 규모가 있는 것이 안에 뭐라도 있음직해 보입니다.

마치 잠재적인 팬터그래프라도 달려 있을것 같은 느낌 입니다.

[MP 차량 지붕의 집전장치 탑재부]

혹시 팬터가 달려 있을까 하는 기대와는 달리, 집전장치의 흔적조차 찾을 수 없습니다.

좌측 하단 모서리에 원통형으로 둥글둥글 솟은 물체는 주차단기(VCB) 입니다.

주차단기는 유사상황 발생시 특고압 교류전원(AC 25,000V)이 차내 주회로 설비에 지장을 초래하여 주요 기기의 심각한 손상을 방지하기 위해 설치된 회로 차단장치 입니다. MC 차량 상부에 독립된 VCB가 설치 되었다는 말은 곧, 바로 옆에 붙은 M1(MP)차량으로 부터 AC 25,000V가 루프케이블(지붕에 설치되어 차량간에 특고압 전력을 전달하는 고압 모선)을 타고 MC차량에 그대로 인가된다는 것을 뜻합니다.

만약 MP차량의 변압기로 부터 출력되는 주회로 전원이 MC차량에 그대로 인가된다면, MC 차량 상단에 VCB를 하나 더 놓았을 이유가 없습니다.

(변압기를 통해 출력되는 전압의 세기는 아무리 강력해 봐야 가선 전압의 1/10에도 못 미칩니다.)

다음은 세 번째로 제시된 ‘영구자석동기전동기’ 입니다.

영구자석 동기전동기 이야기는 차량이 개발되던 시즌부터 2011년 BEXCO에서 열렸던 제 4회 국제철도물류전 등에 차세대고속철 홍보를 하며 언급되었던 부분이라, 알고는 있었는데 알고보니 편성 전체에서 유독 MC차량내 견인전동기 4개에만 영구자석 동기전동기가 들어갔습니다.

이렇게 확보한 단서를 바탕으로 MC차량의 비밀을 풀 수 있게 되었습니다.

1. 무려 4개씩이나 탑재된 MPS.

2. 편성 전체 전력계통과 별개로 설치된 주 변압기

=> 1번과 2번을 통해 1C1M 제어를 실현 함을.

3. 영구자석 동기전동기

 => 3번까지 합하여 MC차량내 4개의 전동기가 모두 IPMSM 으로 구성되었음을 확증할 수 있습니다.

HEMU-430X 의 MC는 차세대 전동기로 각광받고 있는 IPMSM을 고속열차에 적용 시험하기 위해 탄생된 차량입니다.

IPMSM이란, Interior Permanent Maganet Synchronous Motor의 약자로 이를 우리말로 해석하면 ‘매입형 영구자석 동기전동기’가 됩니다.

3상 전동기의 회전자에 권선계자 대신, 견인전동기 외함 내에 영구자석을 두른것이 바로 IPMSM인데, 현재 가장 보편적으로 상용화 되어 있는 3상 유도전동기 보다 더욱 진보된 기술력을 근본으로 만들어 진 물건입니다.
이 영구자석 동기전동기에 대한 이야기는 후편에서 유도전동기와 비교해서 전격 해부를 시킬 것인데, 전동기 효율, 경량화 등 거의 모든 부문에서 유도전동기에 비해 월등한 성능을 지닙니다.

약간 스포일러가 될 수도 있는데. 아주 간략하게 어떤 부분이 우수한지 맛보기로 보여 드리자면, 일단. 통상적으로 전동차에 들어가는 200kW급 유도전동기의 효율이 90% 내외인데 비해 IPMSM을 적용한 200kW급 전동기의 효율은 96~97% 가량으로 직류직권 전동기에 필적하는 수준으로 우수하고, 출력에 대비하여 소형 경량화가 가능하며 냉각이 필요없기 때문에 견인전동기 냉각송풍기를 생략할 수도 있게 됩니다.

그리고 기본적으로 영구자석에 의해 발생하는 마그네틱토크 외에 릴럭턴스토크 까지 사용할 수 있어 고 토크화가 가능합니다.

이 영구자석형 동기전동기는 근래에 와서 실험단계에 있기 때문에 국내에선 아직 양산화에는 이어지지 못 했고 HEMU-430X 에서도 이러한 특성을 감안하여 편성중 4량의 동력차에는 국내는 물론 전 세계적으로 보급화 된, 유도전동기를 탑재하고

기술 개발 및 시험용으로 1량의 MC차량에 대해서만 IPMSM을 탑재한 것입니다.

일찍이 2010년 모습을 드러냈던, 차세대전동차(AUTS) 에 IPMSM 기술이 도입되어 지금도 계속해서 성능시험 단계에 있고 세계적으로도 최근에 들어서 IPMSM을 양산차량에 적용하려는 시도가 곳곳에서 행해지고 있습니다. 대표적으로 얼마전 개통한 이태리 NTV의 AGV에 IPMSM이 들어가 상용화 되었고, 일본에서도 차세대 신칸센용 전동기 기술력 강화를 위해 IPMSM를 시험운용한 전력이 있습니다.

(아마 지금쯤이면, 상용화가 되어 최신 차량에는 탑재 되었을만 한데, N700系 이나 E5系에서 소식이 없네요. 소리 소문 없이 남몰래 채택해서 쓰고 있는건지..)

MC차량에는 차세대 전동기인 IPMSM이 탑재 되었고, MC차량에 탑재된 4대의 IPMSM의 수량에 맞추어 MPS 4기가 배치 되었습니다.

여기에 들어간 MPS와 MTF는 개별 장비의 용량 및 성능이 MP 차량에 탑재된 것과는 상이하며, 이것들은 MC차량의 1C1M(1 Control 1 Motor) 제어를 실현시키기 위해 별도로 제작된 것입니다.

속편에서 1C1M 이야기도 IPMSM에 대한 보다 자세한 이야기와 함께 풀어놓게 될 텐데, 차량당 MPS 1기가 탑재되어 1기의 MPS가 해당 차량내 4개의 유도전동기를 제어하는 1C4M 방식의 M-MP 차량 유니트와는 달리, 1기의 MPS가 1개의 IPMSM 을 붙잡아 개별제어 한다는 의미입니다.

차량에 MPS 1대를 통짜로 놓는것 보다 손이 많이 가는 기술이고 유지보수성이 떨어진다는 점을 빼고는 이점이 많은 방식이고 고속철에 적용했을 때, 초고속 대역에서 큰 효능을 기대할 수 있기도 합니다.

부득이 MC차량의 언더프레임 하면에 주회로 설비가 배치된 이유는 IPMSM 시험차가 MC차량 단 1량으로 배정되었기 때문에 어쩔수가 없는 일 입니다. 만약 편성 전체 전동기를 IPMSM 으로 하였다면, 분산 탑재가 될 수도 있었겠지만, 기본적으로 유도전동기-1C4M 제어방식을 바탕으로 한 편성 열차 일부에 IPMSM-1C1M 을 끼워 넣다보니 어쩔 수 없이 MC차량의 객실부에 기기를 싣어야 하는 상황이 온것입니다.

위에서 HEMU-430X의 기본 2량단위 유니트 사진을 보여드렸죠. 해당 사진을 통해 주회로 설비를 소형화 제작하여 차체 하부에 모두 탑재할 수 있는 기술력을 확보했음을 증명해 드렸습니다.

MP차량에는 팬터그래프, 주변압기, MPS, 견인전동기가 모두 탑재되는데도 객실 공간을 완벽히 확보했습니다.

MC차량 이라고 못할것은 없죠. 다만, MP차량에는 없는 APS와 공기압축기가 선두차 언더프레임 하면에 설치되고 또, IPMSM들을 개별제어 하기 위해 MPS 유니트를 4대분으로 쪼개어 싣다보니, 탑재공간의 문제로 인해 차체 상면에 이들이 배치되었을 뿐 입니다. 그리고 알려진 바로는 MC차량이 검측차의 기능을 동시에 갖고 있는데, 방열구로 가려진 부분 전체에 주회로 설비가 배치된 것이 아니라는 것입니다.

그리고 사진으로 보셧듯이 MC차량에는 팬터그래프가 없기 때문에, 독립적으로 움직일 수 없습니다.

엄연한 동력분산식 차량이라는 것이죠.

감히 누구 마음대로 저건 동력집중식 이다. 한국 고속철은 여전히 TGV의 굴레를 못 벗어났다 라고 험담을 합니까.

일본의 고속철 기술을 부정하는건 아닙니다. 분명 신칸센 기술은 전세계 최고수준으로 공인을 받았고, 이 글을 쓰는 저도 신칸센의 우수성에 대해 동경하는 마음은 갖고 있습니다.

그렇다 하더라도 신칸센을 베껴 만들었다는 것 부터 시작해서 여전히 TGV의 변종이라고 해대는 것을 눈 뜨고 지나치기가 힘드네요.

저번 포스팅에도 이야기 햇듯이 저도 일본이라는 나라를 좋아하고 일본의 철도기술력에 대해 항상 동경하는 마음을 갖고 있습니다.

하지만, 일본을 동경하기에 앞서 대한민국 국민이기에 무엇보다도 가장 우선적으로 우리나라의 과학기술에 경의를 표합니다.

누구나 아는 명언이지만, 펜은 칼보다 강한 법입니다.

이것으로 MC차량에 대한 오명이 깨끗하게 풀리길 바랍니다.

더 이상 동력집중식의 모양새를 가지고 있다고 부끄러워 할 필요 없습니다. 이제 MC차량의 본질을 알았으니, 자국 고속철 기술력을 자랑스러워 해야 합니다.

 [HEMU-430X 시제편성 편성조감도 및 차량별 주요 장치 탑재현황]

 지금까지의 내용을 정리하여 위와 같은 표를 그려 보았습니다.

6량 시제편성을 일러스트로 완벽에 가깝게 구현한다고 무지 애를 먹은 기억만 남는군요.

좋아해서 하는 일인데, 뭐 하나라도 대충 할 수는 없죠.

이렇게 하여 HEMU-430X의 동력장치 구조와 어떤식으로 동력분산식을 이루어 내었는지 모두 설명 했습니다.

3장에서는 동력분산형 고속열차의 장점에 대해 논해 보도록 합시다.

2-3. 동력분산형 고속열차로서 갖게 되는 특장점과 단점

동력집중식 고속열차와 동력분산식 고속열차의 편성 비교 (HEMU-430X VS KTX-산천]

<클릭하셔서 가로 픽셀 1920의 원본 사이즈로 감상 하시기 바랍니다.>

본격적으로 KTX 산천 10량편성과 HEMU-430X의 8량 양산형 편성을 놓고 비교하는 일러스트를 그려 보았습니다.

HEMU-430X의 양산형 편성은 8량부터 10량 12량 등으로 늘어 나갑니다만, KTX-산천의 10량 편성과 비교 하기에는 8량 편성이 가장 적합합니다.

①. 객실 내 가용 공간 확보로 수송력 증대.
차량내 공간을 주회로 설비 탑재공간으로 활용하는 집중식 차량 제어차와는 달리 동력분산형 동력객차는 객실내 거의 모든 가용면적을 승객 탑승용 공간으로 활용할 수 있습니다. 10량편성 KTX-산천과 비교 할 때, 차체 길이 자체가 길어 8량만으로 기존 고속열차 10량의 길이와 근접하기도 하지만, 편성 량수는 2량이 줄었음에도 KTX 산천 10량편성의 정원인 363석에 필적하는 362석을 확보 할 수 있습니다.

위에 제시한 PRESS 용 자료를 보아도 8량편성시 최대 456석을 배치할 수 있다고 쓰여 있으니, KTX-산천과 거의 동등한 기준에서 승객을 25% 가량 더 탑승시킬 수 있는 셈입니다. 다만, 20량편성 KTX와 비교한다면 약간 딸릴 수가 있는데 HEMU-430X의 양산편성을 중련하면 길이가 384m로 20량편성 KTX의 20m 급 길이에 필적합니다. 동일한 기준으로 중련편성을 기획하였을 때, 456*2=912석으로 935석의 KTX 보다는 약간 밀리는데 8+8량 중련 편성이라서 그렇지, 마음먹고 단일편성으로 16량을 기획하면 KTX보다 분명 더 많은 인원을 태울 수 있게 됩니다.

1번 항목의 요점은 동력차내 승객 탑승 공간이 확충되어 더 많은 인원을 탑승시킬 수 있다는 점 이었습니다.

중련 이야기는 4번 항목에서 더 하겠습니다.

②. 편성내 동륜 비율 증가로 가속성능 향상.
동력분산식 차량은 대체로 편성내 윤축의 50% 이상이 동륜으로 이루어집니다. 특히 고속철도차량에서는 동륜의 비율이 높아 평균적으로 70-80%가 동륜으로 구성되기도 하고 차종에 따라서는 100% 동력차로만 구성되기도 합니다.
100%의 케이스에 해당하는 극단적인 예로 JR 서일본의 신칸센 500계와 같은 경우가 있죠.

이렇게 동륜의 비율이 높으면, 가속시 구동차륜이 많기 때문에 주행점착력 향상에도 도움이 되고 일단 발이 많으니 일시에 강한 세기의 기동견인력을 얻기 때문에 탁월한 가속성능을 지닐 수 있게 됩니다.

가속도 얘기를 하기전에, 동력집중식 차량의 경우에도 차종에 따라서 기동가속도가 동력분산식 차량과 비슷하게 제법 높은 경우가 있는데 반드시 이 때의 수치가 ‘기동’ 가속도 임에 유의해야 합니다.

이것은 대체로 시속 100km 이내의 저속에서 발휘되는 가속도이고 주행속도 대역에 따라 점차 떨어지는데, 동력집중식 차량은 가속력이 떨어지는 폭(격차)이 분산식보다 크게 됩니다.

이러한 것은 차량 성능 그래프를 그려보면 쉽게 체감할 수 있는데, KTX의 기동가속도가 1.2km/h/s 이고 KTX-산천의 기동가속도가 1.6km/h/s 라고 한들 이것은 어디까지나 발차 초기에만 적용되는 사안 일뿐 이라는 점에 유의해야 합니다.

0-80km/h 속도 대역에서 빠르게 가속했다 잠시 후 제동을 잡는 통근형 전동차와는 달리 고속열차는 300km/h 의 고속대역까지 꾸준히 속도를 끌어올리는 것이 관건입니다.

차량의 주행속도가 오르면 오를수록 공기저항, 마찰저항등의 갖가지 주행저항류의 영향을 피할 수 없고 고속 대역으로 진입할 수록 차량의 추진성능 특성도 변화하기 때문에, 속도별로 가속도 수치가 다르게 추산됩니다.
동력분산식 고속열차 특성상 0-100km/h의 저속대역 까지는 높은 수준의 가속성능을 보장할 수 있습니다. 이 때의 가속도 수치를 기동가속도 라고 하는데, 여기서의 기동가속도가 최종 가속성능을 좌우합니다.

추진성능 특성이 변화한다고 했는데, 100km/h 의 속도를 넘어서 120~150km/h 의 사이 구간에서 견인전동기 출력이 점차적으로 증강되어 최대치에 달하며 그 이후부터는 전동기가 최대치로 회전하게 되고 부하전압은 계속 올라가다가 준고속 대역인 200km/h 전후에서 부하전압의 세기 역시 최대치에 도달합니다.

저속대역에 비교하여 속도가 붙어 준고속~고속 주행 대역에 접어들 수록 전동기의 견인력(Traction Power ; kN)과 회전력(Torque)는 점진적으로 떨어집니다. 이 상태를 전후로 하여 가속도 수치가 그 이전과 비교하기에 눈에 띄게 줄어 거의 절반값에 가깝도록 줄어듭니다.

동륜의 개수가 많은 동력분산식 고속철도차량은 저속대역에서 탁월한 가속성능을 기대할 수 있고 미미하긴 하지만, 고속대역 에서도 동력집중식 차량보다 우수한 가속성능을 보장할 수 있게 됩니다.

제가 가속성능을 2번 항목으로 점친 이유는 실질적으로 한국의 고속선 환경에서는 이러한 것이 특히 도움이 될 수 있기 때문입니다.
역간거리가 무척 짧은 우리나라 고속철도에서 각역정차 열차에 동력분산식 고속철도차량을 넣을 경우 운행시간 단축 효과를 극대화 시킬 수 있습니다.

경부1단계 고속선에서 완행급 KTX의 운행시분을 바탕으로 표정속도를 구해볼 때, 광명-천안아산구간에서 그나마 200km/h로 달리고 5분 이상 300km/h로 땡길 수 있는 구간이 잘 나옵니다.

이후로 천안아산-오송, 오송-대전(고속선 구간만)에서의 표정속도는 약 150~160km/h 정도이기 때문에 사실상 최고속도로 달리는 시간이 많지는 못한것이 현실입니다.

실질적으로 KTX와 KTX-산천, HEMU-430X 의 가속성능을 간단히 비교해 보겠습니다.
언론 보도를 통해 공개된 HEMU-430X의 가속성능은 정지상태에서 300km/h 까지 가속하는데 233초가 걸린다고 하였습니다.
300km/h에 도달할 때 까지 차량의 평균가속도 수치를 말로 풀어 설명한 것인데, 어찌보면 가장 정확한 가속도 수치를 제시하였다고 볼 수 있습니다.

KTX는 공차상태 기준으로 0-300km/h이 368초 걸립니다. KTX-산천 같은경우 305초 정도 나오구요.

이 수치를 바탕으로 300km/h 까지 가속하는데 들어가는 평균 가속도 값을 환산해 보면, 해무는 약 1.29km/h/s 이 나옵니다. 언뜻 보아서는 별것이 아닌것 같아 보일텐데, ‘평균 가속도’ 라는 것에 유의해야 합니다. 같은 방법으로 계산해 보면 KTX는 0.81km/h/s, KTX-산천은 0.98km/h/s 이 나옵니다.

여전히 ‘에이 별 차이도 안 나네’ 하고 생각 되거나 감이 잘 안 오실수도 있는데, 이해를 돕기 위해 KTX, KTX-산천, HEMU-430X의 평균가속도 수치를 바탕으로 정확하고 공신력있는 가속성능의 비교를 위해 그래프를 하나 그려 놨습니다.

 위의 계산값을 바탕으로 간단히 t-v 그래프를 그려 봤습니다.
가로축은 초 이고 10분(600초) 까지 기재, 세로축은 300km/h를 m/s 단위로 환산한 83.8m/s 를 기재해 놓았습니다.
그림에 다 써 놨듯이 적색이 HEMU, 녹색이 산천, 청색이 KTX 입니다.

그래프를 보면 HEMU-430는 3분 53초만에 300km/h에 도달. KTX-산천은 5분 5초가 걸리고 KTX는 6분 8초가 걸립니다.

각각의 차량이 정지상태에서 300km/h 까지 쉬지 않고 가속을 한다고 할 때, 10분 (600초) 동안 차량의 주행거리를 비교해 보면, 가로축이 시간 (초) 이고 세로축이 거리(m) 이니 가로축 수치와 세로축 수치를 계산하여 그래프 아랫 면적을 구하면 해당 시간동안의 이동거리가 도출됩니다.

(물리학에서 역학의 가장 기본되는 개념이고 평균치를 구하는 것이기 때문에 직선 아래 면적만 간단히 구하면 됩니다.)

HEMU는 가속 하는 동안 9,704m를 달리고 300km/h를 유지하며 남은 시간동안 달려 10분동안 40,270m 약 40km를 주행하게 됩니다.
KTX-산천도 같은 방법으로 계산해 보면, 같은 조건하에 10분동안 37km를 달리게 되고, KTX는 가속하는 동안만 15,327m를 주행하고 최종 34km를 달리게 됩니다.
수치상으로는 고작 2~3분 차이가 어떻다고. 라고 하기 쉽지만, 1분에 5km를 달리는 고속열차에게 가속력을 끌어올려 운행시간을 단 1분이라도 단축하는 것은 무척 중요합니다.

운행중 정차하는 시간이 한번, 두번 늘어나면 늘어날 수록 절약되는 시간은 불어납니다.

정차역이 10개라고 가정해 보면, 같은 300km/h를 최대로 계산하고 달려도 10~15분이 쉽게 절약되는 셈입니다.

JR 동해의 신칸센 N700계 (JR 서일본 N700계 3000번대ㆍN700계 7000번대, JR큐슈 N700계 8000번대)의 경우 16량 편성은 14M 2T, 8량편성은 8M으로 구성되어 무려 2.6km/h/s의 무시무시한 기동가속도를 지니기로 유명하죠.
N700계는 정말 타다보면, 속도가 붙는느낌을 온몸으로 체감할 수 있습니다. 가속할때 뒤에서 톡 쏘는 느낌이 있더군요.
그리고 신칸센 500계의 시험차인 WIN350X 같은경우는 특수한 상황에서 비상가속도로 3.5km/h/s 이상의 속도로 가속 할 수 있는 스펙또한 지니기도 합니다.

아직 HEMU-430X의 기동가속도 데이터가 공개되지는 않았습니다만, 거의 통근형 전동차 수준의 기동가속도 수치를 기대할 수 있을것으로 예상됩니다. 0-120km/h 까지 2.6km/h/s의 기동가속도를 자랑하는 JR 도카이의 신칸센N700계는 300km/h 까지 가속하는데 226초(2분 46초)가 걸린다고 합니다.

우리나라 해무와 9초 차이가 나는데, 차량 성능에 따라 중속 이상에서 속도가 얼마나 빠르게 올라가는지에 대해 전동기 성능 특성과 편성 전체 출력에 대비하여 정밀하게 비교 계산을 한 수치는 아니더라도 주행 초기의 추진성능을 결정하는 편성내 동륜비를 바탕으로 비교해 보면 N700계는 14M2T로 64개 윤축중 56개가 구동차륜으로 구성되어 87.5%가 동륜으로 이루어져 있습니다.

5M1T인 HEMU-430X는 약 83%의 동륜을 가지고요.
동륜 개수가 많으면 초기에 주행점착력이 대폭 향상되는 효과를 기대할 수 있기에 못해도 N700계에 필적하는 2.4~2.5km/h/s 정도의 기동가속도를 충분히 확보할 수 있으리라 기대해 봅니다.

③. 축당중량 감소로 선로에 미치는 부담 저하. 시설 유지보수성 향상.
다음으로 축중 감소 이야기를 해봅시다.
축중(Axle Weight) 이란, 철도차량 1량의 중량을 해당 차량내 총 윤축의 개수로 나눈 값을 의미합니다.

차량의 하중이 선로에 주는 중량에 대한 영향에 대해, 량당 중량을 축의 개수로 분담한 만큼의 압력이 선로에 가해지게 됩니다.

예를 들어 특대형 디젤전기기관차의 정비중량이 132ton(124) 인데, 대차가 CO-CO타입으로 배열되어 축 개수가 총 6개이니 해당 차량의 축중은 132/6 = 22ton 이 됩니다. 국내 최대 중량의 동력차였던, 6200호대 같은경우는 축중이 무려 24.6ton에 달하죠.

동력집중식 고속철도차량인 KTX의 동력제어차 중량은 약 68ton. 축중은 17ton 이 됩니다.
경부고속철도 부설 당시 국내 고속선의 축중 한계를 17ton 으로 제한해 놓았는데, 위의 22ton 짜리 특대형 기관차에 비해 많이 가볍긴 하지만, 300km/h 이상으로 주행하는 고속열차 이기 때문에 말이 달라집니다.

차량의 하중은 중력방향으로 쏠리는데, 이와 수직방향으로 고속으로 주행하다 보면, 하중의 수직ㆍ수평 벡터방향 성분크기가 부가됩니다.
결국 기존선보다 탄력있게 건설된 고속선 선로와 노반에 하중부담을 주게 되고 선로 보수비용이 늘어날 수 밖에 없습니다.

이러한 축중은 고속여객용 차량에게는 낮을수록 좋습니다만, 느린 속도로 주행하는 화물용 기관차에게 있어서는 어느정도 높은 세기의 축중이 요구됩니다.
단두동력식 기관차의 경우 강력한 견인력을 동력차에 집중시키기 위해 점착견인력이 높아야 하는데, 이 때의 점착견인력이 선로와 차륜간의 점착계수와 축중의 곱으로 결정되기 때문에 필요에 따라 높일 필요가 있기도 합니다.

빠른 속도가 중요한 고속철에 있어서는 가벼울 수록 좋긴 하지만, 너무 가벼울 경우 점착견인력의 세기가 작아지게 되기에 지나친 다이어트는 피하는게 좋습니다.

동력분산식 고속철차량인 HEMU-430X 시제차량은 주요 전장품을 편성 전체에 분산 배치하면서 축당 중량을 약 13~14ton 정도로 크게 줄였으며, 각각의 부수차량의 중량이 모두 비슷하다보니 하중이 고르게 분포되어 선로에도 안정적인 영향을 미칠 수 있게 됩니다.

여기서 안정적 이라는 말은, KTX같은 경우는 동력제어차 축중은 17ton 이나, 중간객차의 경우 공차중량이 약 32ton.(KTX-산천) 축중 8ton 으로 동력제어차와 거의 두배 차이가 납니다. 이렇게 될 경우 동력제어차가 선로를 누르는 힘의 세기와 부수객차가 선로를 누르는 힘의 세기에 차등이 생기게 되고 윤중부담이 다르다 보니 선로와 침목간의 체결구에 좋지 않은 영향을 미치게 됩니다.

고속선에는 하루에도 수백편의 고속열차가 오고가기 때문에, 선로 피로도가 증가하면 증가할 수록 야간에 선로 작업을 통해 보수해야 하는 개소가 늘어나게 되고 결국 시설 보수비만 불어나게 될것입니다. 고속철차량 자체는 길어야 20-30년을 쓰지만, 선로는 한번 깔면 반세기 이상 사용하기 때문에 장기적으로 보았을 때 선로와 같은 필수 인프라에 지장을 덜 주는 방향으로 차량을 설계하려는 노력이 필요하겠죠.

④. 유연한 편성 조성이 가능

그 다음은 편성 증결(감차)가 자유로워 조성이 유연하다는 장점입니다.

KTX-산천의 경우 10량 편성으로 고정된 편성 량수를 가지는데, 이 상태로 중간 부수차를 중결하기가 참 애매한 일이 되어 버립니다.

왜 그러냐, 바로 애시당초 열차 편성을 기획할 당시에 책정했던, 동력제어차 출력 때문이죠.
동력분산식 고속열차는 편성전후에만 동력차가 위치하기 때문에, 향후 편성량수를 증량하기가 애매합니다. 반대로 객차를 빼서 줄인다 해도 정량적으로 계산된 출력은 변화가 없는데, 객차만 줄어드니 낭비되는 출력량이 생기게 됩니다.

물론, 여기에 대고 KTX-산천은 그럴줄 알고 중련편성을 고려하지 않았냐 라는 반론이 나오기 쉽지만, 어차피 여객 수요를 고려한다면 중련편성 보다는 같은 량수의 단일 편성을 기획하는게 훨씬 경제적이고 효율적일 수 있습니다.

산천이 양산될 당시에 주된 투입 대상 노선이 경부선이 아닌 ‘호남고속철도 기존선 구간 투입’ 을 위함 이었음을 잊지 맙시다.

앞서 도입된 19편성에 지금 추가로 발주된 5개 편성도 경전선 및 전라선 고속철도에 고속철 증편 투입을 목적으로 발주된 것이며 2009년에 KTX-산천 반입이 진행되던 당시에 코레일은 차기에 경부고속철도 수요 증가에 대응하기 위해 20량 단일편성 KTX-산천의 도입을 고려하기도 했습니다.

일단 편성단위로 중련을 하게되면, 불필요한 동력제어차만 두대가 더 붙고요. 아시다시피 동력제어차에는 승객을 탑승시킬 수 없습니다.

결과적으로 편성 전체 승객 정원도 단일편성으로 20량을 기획하는 것에 비해 훨씬 적게 됩니다.

KTX-산천 20량의 정원이 726석인데, 20량 단일편성 KTX의 승객 정원은 935석이죠.

200석 이상 차이가 나는데, 비교가 안됩니다.

물론, 승객 입장에선 KTX보다 시트피치를 개선하고 승차감을 고려한 산천이 더 좋겠지만. 운용주체 입장에서는 적게 돈들여 한번에 많이 태우려 하는게 당연한것 아니겠습니까.

그리고 효율적이라고 했는데, KTX-산천을 중련해 놓으면 편성 출력이 17,600kW가 됩니다.
KTX의 20량 편성시 출력이 13,560kW인데, 베이스가 동일한 차량을 놓고 4,000kW만큼의 출력량에 대한 전력소모가 추가로 발생한다는 것입니다.

HEMU-430X의 경우 양산편성은 8량 혹은 10량 기준으로 예상되고 있는데, 양 단의 선두차가 무동력차가 되고, 중간차는 모조리 동력차로 구성됩니다.
여기서 위에 구획한 UNIT단위 구조로 두량씩 중간부수차를 끼워 넣는 구조를 가집니다.
양산편성에서는 중간부수차 증량 단위를 바꾸어 3량단위 유닛으로 할지 4량단위로 할지 모를 일이지만, 지금 계획된 대로 나간다면 2량씩 늘려 충분히 증결이 가능합니다.

이런 구조로 8량, 10량도 가능하지만 계속해서 늘려나가 12량 14량 16량 18량 20량도 무리는 없습니다.

이쯤되서 태클이 들어올만 한데, 동력차만 그리늘려 놓으면, 그만큼 늘어난 보조전원 출력 부하는 어찌 감당하냐고 하실텐데요. 해무는 TC차량 외에 M 차량에 보조전원장치가 추가로 들어갑니다.

보조전원 장치 얘기는 다음편에서 주회로와 함께 언급합니다.

사실 이렇게 징그럽게 늘릴 필요도 없을 것이 해무는 산천과 달리 중련편성을 해도 손실이 크게 없습니다.

천이야 동력제어차가 차지하는 공간만 늘어나 승객 탑승정원이 줄어들이지만 해무는 모든 구성차량에 승객탑승용 공간이 마련되어 있죠.

아무리 그래도 운전실 파티션이 차지하는 공간을 무시할 수가 없기 때문에, 승객 정원을 고려한다면 단일편성으로 구성할 때 보다 많은 승객을 태울 수 있게 되겠습니다만. 선두차 2량을 중간차로 대체한다고 해도 추가로 확보되는 좌석량은 많아야 40석 미만이 될 겁니다.

(지금 HEMU-430X의 선두차 및 중간차 좌석 배치 형태를 바탕으로 계산 할 때)

다만 천과는 반대로 해무는 중련운행을 하는게 운용하는 입장에서는 효율적이 됩니다.
두개를 붙여 16량을 기획 하더라도 단일편성은 14량의 동력차에 2개의 부수차가 붙을텐데, 중련편성은 12량의 동력차와 4개의 부수차(운전제어차)가 붙으면 그만 이거든요. 같은 량수에 동력차 2량분 (3,280kW) 의 출력이 절감되니 이정도면 꽤 쓸만하다 하겠죠?

노파심에 한마디 덧붙이는데, 만약 해무가 현재의 2량단위 유닛으로 구성된 8량 혹은 10량을 넘어서 16량정도의 장대편성을 기획한다고 한다면, 구성차량에 T차량이 새로이 등장할 가능성이 높습니다. 지금의 상태로 장대편성을 조성하면, 다분히 과다출력이 되는 계산이 나오는군요.

⑤. 충분한 전기(회생)제동력의 확보가 가능.
다음은 회생제동 이야기 입니다.
모든 철도차량은 기본적으로 공기제동장치를 가지고 있습니다.
이러한 공기제동장치는 압축공기를 이용하여, 차륜답면에 직접 물리적 외력을 가하거나(답면 제동), 차륜 표면 및 차축에 압입 설치된 디스크에 압력을 가하여 속도를 줄이는 마찰 제동입니다.

모든 철도차량은 이와같은 마찰제동을 상용 제동(Service Brake)으로 사용합니다.

여기에 동력화 된 철도차량의 경우에는 해당차량의 구동특성을 역으로 이용한 비 마찰 제동이 하나 이상 붙게 됩니다.
디젤차량의 경우 액체식은 유체변속기 특성을 역으로 이용한 액압제동과 전기방식 디젤동력차의 경우 엔진-발전기-전동기의 구동특성을 역으로 이용한 발전제동을 사용하고 해무와 같은 전기차량의 경우 제어장치-전동기 간의 특성을 반대로 활용한 전기제동을 기본으로 사용합니다.
이 전기제동(Electric Brake) 의 원리는 크게 복잡하지 않습니다.

철도차량의 견인전동기는 전력을 공급받아 기계적 토크를 발생시켜 차축을 돌리는 회전체 입니다.
이 구동체에 전력이 공급되지 않으면, 열차는 타력으로 주행하는 상황이 되고 관성에 의해 달리던 힘을 그대로 떠안고 달려 나가게 됩니다.
이러한 상황에서 견인전동기 부하에 계자 전원만을 공급시켜 주면, 관성에 의해 회전하고 있는 차축과 함께 견인전동기 회전자가 주행 반대 방향으로 구동하게 됩니다.

역행시와는 반대의 상황으로 인해 견인전동기 내부에서는 전자기 유도현상에 의해 전기가 발전되고 이렇게 발전된 전류는 주전력변환장치에 공급됩니다.
이 때, 주전력변환장치로 통칭되는 주 제어기의 성능에 따라, 발생하는 전류를 가선으로 회생시킬 수 있으면, 팬터그래프를 통해 가선으로 회귀 전류를 돌려 보냅니다.

이것을 회생제동(Regenerative Brake)이라 합니다.

반면, 가선으로 전력을 돌려 보낼 수 없거나 (일반적으로 가선 전원이 29kV 초과시) 제어장치의 성능상 회생전력을 방출하지 못할 경우에는 전동기로 부터 발전된 전력을 열 에너지로 변환한 뒤, 열로 방출하는 것을 발전제동(Dynamic Brake)라고 합니다.

이러한 보조제동을 사용하는 가장 큰 이유는 무엇일까.
일반적인 여객열차의 동력차 에서는 (특히 기관차 견인) 편성 전체의 공기제동 장치를 취급하기 위해 필요한 압축공기를 기관차 한량에 설치된 공기압축기 내에서 생산시키게 됩니다.

그런데, 공기압축기를 통해 공기가 생성되는 시적 제한이 있고 압축공기를 저장하는 공기통의 용적에도 한계가 있기 때문에, 공기제동을 연속해서 사용하다 보면, 일시적으로 공기가 부족하여 제동을 체결할 수 없는 상황이 오게 됩니다.

흔한 예로 태백선에서 연속 하구배 운전시 8000호대가 온 산등성이를 뒤흔들어 놓을듯한 괴성을 지르며 발전제동을 사용하여 지속적이고 일정한 제동력을 얻으며 내려오는 것이 그 이유입니다.

일반적으로 전기차량의 경우 전기제동과 공기제동을 병용하거나, KTX-산천 이후부터 진보된 제동제어시스템을 얹으면서 상황에 알맞게 전기제동과 공기제동을 최적의 효율로 혼합하여 취급하는 전기-공기 블랜딩 제동을 채택 했습니다.

이 전공-블랜딩은 고속에서 회생제동을 사용하다가, 중속 대역부터 상용 제동이 취급 가능한 영역에 진입 할 때 부터 회생제동력을 조금씩 가감하고 가감된 제동력 만큼을 공기제동으로 보충시키다가, 저속 대역에서 회생제동력이 끊기는 교차 시점에서 회생제동력은 끊고 전 공기제동으로 대체하는 시나리오를 통해 이루어 집니다.

고속철도차량에서는 이러한 전기제동의 개념을 조금 다른 시각으로 바라보아야 합니다.
고속열차는 저속으로 달리기 보다 200km/h 이상의 고속으로 주행하는 시점이 많아집니다.

앞서 언급한 공기제동과 회생제동의 특성에 대해 언급하자면, 열차의 속도가 붙으면 붙을수록 각종 주행저항의 방해와 열차 자체의 운동에너지의 균형이 깨어지기 때문에 제동력을 확보하기가 어려워 집니다.

보통 이러한 제동력의 약화가 150km/h , 200km/h 의 속도를 기점으로 떨어지기 시작하는데, (이전 까지는 보통 평균적 제동력을 얻음.)

공기제동의 경우 200km/h 이전까지는 일정 수준의 제동력을 얻다가 200km/h 이후에서 제동력의 토크가 일순간에 반감되어 버립니다.
이 때, 반감 된다는 것이, 이 전 까지는 직선형 그래프를 그리다가, 한 순간에 그래프 y축 높이가 뚝 떨어진다는 말입니다.
답면제동의 경우에는 150km/h 이 한계이고 그 이후에서는 제동력이 거의 미약해 지고요.

회생제동도 마찬가지로 선로와-차륜간에 주행 반대방향 토크를 이용해 차를 세우기 때문에, 속도가 올라가면 올라갈 수록 그 특성이 약화됩니다.

다만, 직접적인 기계적 매커니즘이 아니라, 견인전동기의 전기적 특성의 영향을 우선 받기 때문에, 고속으로 진행할 수록 저하되는 견인전동기 토크(N.m)값이 줄어드는 감도의 영향으로 공기제동과 비교할 때는, 다소 완만한 기울기의 포물선 형태로 제동력이 서서히 감쇄됩니다.

현행 고속철의 상용 및 회생제동 (특히 TGV)의 특성은 시속 320km/h 범위에서 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 한선에서 설계되어 있기 때문에 이를 넘어서는  속도 범위에서는 특단의 대책이 요구됩니다.

HEMU-430X는 영업속도 370km/h 을 목표로 하고 있는데, 초고속 주행을 하는데 있어 기하급수적으로 불어나는 주행저항을 이겨내고 최적의 제동력을 확보하기 위하여 제동력의 향상이 요구됩니다.

대표적으로 고속주행시 제동력을 얻을 수 있는 와전류 (Eddy-current)제동이 있는데, 국내에 상업용 차량에 채택된 사례는 전무하며 2002년 부터 HSR350X에 장착되어 시험했다가, 우리나라의 인프라 환경에서는 도무지 쓸 수가 없어서 기술만 개발해 놓고 양산화에 이어지지 못 했습니다.

전자기 유도현상을 발생시켜 제동력을 얻는 와전류 제동장치의 특성상, 우리나라 고속철도의 궤도신호에 지대한 악영향을 미쳐 도무지 정상적인 상태로 제동장치를 취급할 수가 없었습니다.

자세한 것은 위 링크에서 제동장치 관련한 탭을 확인하시기 바랍니다.

전 세계적으로도 350km/h 이상의 속도로 증속을 꿈꾸는 철도차량 대부분은 기존에 주어진 상용 및 전기제동 외에 별도의 제동장치를 구상했습니다.

일단, 독일 ICE는 해당 차량이 주행하는 선로의 신호체계가 궤도회로가 아닌 궤도와 수직으로 고밀도 교차 유도선을 깔아 놓았기 때문에 와전류제동장치를 사용해도 자기장에 의한 교란을 걱정할 필요가 없어 와전류 제동장치를 기본으로 깔고 있고 TGV 에서도 일부 차종은 와전류 제동장치를 갖고 있습니다.

그럼, 해무에게는 과연 무엇이 있을까.

동력분산형 고속철인 해무에게는 제 3의 제동장치를 확보하려 하지 않아도 회생제동력 만으로 초고속 주행에서 원하는 만큼의 제동력을 확보할 수 있습니다.

회생제동력은 개별 동륜의 점착 특성을 역으로 활용하기 때문에, 구동축이 많을 수록 높은 전기제동력을 얻을 수 있게 됩니다.

해무는, 시제편성의 경우 6량중 5량, 양산편성의 경우 최대 10량중 2량이 동력차로 이루어져 있어 다량의 동력차에서 회생제동력이 동시에 발휘되어

370km/h 급 고속철을 기획 하더라도, 공력브레이크나 와전류브레이크를 채용하지 않고도 회생제동력 만으로 요구되는 제동력을 확보하여 일정수준의 제동거리를 확보 할  수 있게 되리란 것 입니다.

⑥. 분산 동력 채용으로 운행 안정성의 향상.

이야기를 하기 앞서 위의 그림으로 다시 돌아가서 한번 봐 주시기 바랍니다.

이 이야기를 하기 위해 일러스트에 유닛별로 구분을 해 놨습니다.

KTX-산천은 양쪽 PC 차량의 유닛의 기능이 독립되어 있습니다.

편성내 전력공급은 한쪽 PC차량에서만 AC 25kV를 받고 이를 반대편 동력차에 공급하여 나눠 쓰는 구조이고 양쪽 동력차가 독립적으로 운전됩니다.

만약, 사고로 한쪽 동력차의 기능이 마비되어 해당 동력 유닛을 차단해야 할 경우 해당 동력차의 출력인 4,400kW을 그대로 차단 해서 운행해야 하기 때문에, 정상 상태의 50% 의 출력으로 10량 편성 열차를 견인해야 합니다.

물론, KTX-산천은 동력차내 설비에 주전력변환장치(Motor Block)내 1대의 컨버터-인버터가 2조의 견인전동기를 구동하는 1C2M 제어방식을 채택하고 있기 때문에 하나의 인버터만 맛이 갈 경우에 25%의 출력을 제 한 75% 의 출력으로 구동이 가능하지만, 이런 예외조항이 있는 경우를 논외로 하고 동력차 한량이 그자체로 맛이 간다면 별 수 없이 절반의 동력으로 차를 끌어야 합니다.

이럴 경우 정상적인 전도운전을 기대하기 힘들고 출력 자체가 정상상태의 절반으로 떨어진데다, 앞 또는 뒤의 동력차만 살아 있다보니 기관차+객차 편성과 같은 단두동력형 상태가 되어 정상적인 상태의 절반에도 못 미치는 성능으로 운행을 하게 됩니다.

다음으로, HEMU-430X를 봐 주시기 바랍니다.

8량 편성중 6량의 동력차를 3개의 UNIT로 구분해 놓은것이 보이실 겁니다.
만약 주행중 동력차에 이상이 생기면 유닛 단위로 컷하고 운행하기 때문에 운행자체에 큰 지장이 생길염려가 줄어듭니다.

이게 복불복인데, 만약 1번, 3번, 5번 동력객차에 해당하는 MP(Motor Coach with Pantograph)차량이 죽었을 경우 해당 유닛 전체의 주 회로 전력 공급이 차단 됩니다.

하지만, 2번, 4번, 6번 동력객차에 해당하는 M(Motor coach)차량이 죽었을 때 에는 그 차만 죽이고 운행하면 됩니다.

6량편성 시제차 에서는 동력차 하나만 차단하면, 80% 동력으로 전도 운전이 가능하고 8량 양산편성 에서는 하나를 차단해도, 87.5%의 동력으로 운행이 가능합니다. 10량에서는 무려 90%가 나오죠.

지금까지 동력분산식 고속철도의 특장점에 대해 나열해 봤습니다.

좋은점이 있는 만큼 단점도 있는 법인데, 이런 단점을 덮어두고 무턱대고 찬양만 하는건 공학도로써 지녀야할 올바른 자질이라 할 수 없겠죠.

이렇게 훌륭한 동력분산형 고속철 에도 치명적인 단점이 존재합니다.

다음으로 부터 순차적으로 언급합니다.

①. 동력차에서 올라오는 소음과 진동
해무와 관련한 보도자료를 읽어보면, 근근히 소음과 진동을 은근히 까는 기사가 나옵니다.
저도 해무를 타봤지만, 정숙성 면에서는 산천보다 어느정도 떨어집니다.

진동까지는 잘 모르겠는데, 어느정도의 구동 소음은 발생합니다.
워낙 전동차에 익숙해서 그런건지 잘 의식되진 않았는데, 미약하게나마 느껴지는듯 했습니다.

이러한 소음+진동은 대부분 언더프레임 하면으로 부터 올라오는 것 인데, 차량당 2조씩 붙은 대차장치의 전동기와 감속기로 이루어진 치차기구로 부터 주행 진동이 발생합니다.

물론, 이렇게 발생하는 진동을 그냥 냅둘리가 없죠. 동력차에서 발생할 수 있는 진동을 최대한 잡아내기 위해, 대차장치의 현수장치를 엄청나게 보강 시켰습니다. HEMU-430X의 대차의 기본 현가 특성은 KTX-산천의 것을 약간 응용하긴 했으나, 사이드프레임 등 주요 부재의 형상이 상이하고 이정도면 개별적인 부품이라도 봐도 될만큼 많은 부분에 새로운 설계가 시도 되었습니다.

[주행시 발생하는 진동을 최대한 억제할 수 있도록 현가강성이 강화된 HEMU-430X의 대차]

(대차에 대해서는 역시 후편에서 따로 다룹니다. 세미액티브 제어부터 해서 할 말이 적잖이 있습니다.)

진동에 대해서는 이를 최대한 개선하려는 노력이 기울여 지긴 했는데, 문제는 소음입니다.

고속철도차량이 고속주행시 외부로 부터 유입될 수 있는 소음원은 다양합니다.

사실 그런것들은 어쩔수가 없고 객실을 보다 밀폐형으로 설계하여 기밀도를 향상시키는 방법으로 대처해야 합니다.

문제는 안 그래도 빠르게 달리면 밖에서 부터 저런것들이 귀찮게 구는데, 차 자체에서 소음이 올라오는것 까지 고려해야 합니다.

고속열차 치고 고속주행시 소음이 상당히 양호하다고 할 수있는 수준이라 보이긴 합니다만,

위에 제시한 표에 일반사항 탭에 ‘소음’ 부문을 보면, 개활지에서 객실 소음이 KTX와 KTX-산천은 66dB(A) 이하인 반면 해무는 72dB(A) 라고 나오네요.
소리의 세기로 따지면 66DB와 72DB는 거의 5~6배 차이가 나지만, 데시벨은 기본적으로 소리의 에너지를 의미하는 것이기에 우리가 체감하기엔 큰 차이를 느끼기 어렵습니다. 72dB(A)면 휴대전화 벨소리정도의 소음원 이라는데, 일반적으로 알려진 전동차 구동소음이 약 80dB(A), 여객열차 (디젤견인)이 지나갈 때의 평균 소음이 110dB(A)를 초과합니다.

데이터가 보여주듯 정숙성만 보았을 때에는 산천보다 떨어지지만, 그렇게 신경쓰일 수준은 아니란걸 알 수 있습니다.

그래도 단점은 단점이고.. 동력분산식 차량에게 떠안아야 하는 가장 치명적인 단점이 바로 소음과 진동 문제입니다.

②. 차량 제작비용의 증가
당연한 얘기가 되겠습니다만, 동력집중식 차량에 비해 개별 동력차 제조비용이 들어가고, 현재 개발된 KTX-산천과는 별도로 거의 모든 부품을 새로 설계해야 하기 때문에, 개발비와 양산차량 제작 단가가 올라갑니다.

그리고 개별 부품을 분할해 탑재한다고 하지만, 결국 들어가는 구동장치에 대한 최종 견적은 더 나올 수 밖에 없습니다.

3.5 인치 1TB 짜리 하드디스크 하나에 저장할 데이터를, 2.5인치 250GB급 하드디스크 4개로 분할하여 저장한다고 생각해 봅시다.

부품의 용량이 정확하게 분할된다 한들, 해당 장치의 중량 및 크기 까지 정확히 재단되는건 아니죠.

가격또한 정확히 1/4로 나뉘는게 아니구요. 오히려 작고 컴팩트하게 만들면서 기능은 다 구겨넣는게 돈이 더 들어갈 수 있습니다.

주회로 설비만 쪼개면 그 부품만 여러개가 되는게 아니라, 변압기나 주전력변환장치, 견인전동기의 냉각을 위한 송풍기나 오일펌프까지 함께 배치해야 합니다. 이래저래 손이 많이 안갈래야 안 갈수가 없습니다.

분산형 차량은 전차량에 걸쳐 동력장치가 고루 탑재되기 때문에 차량 설계 면에서 방금전에 말한 개발비가 더 들게 되죠

차라리 한두개 유니트로 크게 만들어 싣는게 경제적으로는 부담이 덜 될것입니다.

이것 하나에 크게 신경 쓸필요가 없는것이 어차피 초기 투자비용 문제입니다.

고속철도차량이 편성당 수백억 (KTX-산천이 330억)을 호가하긴 하지만, 한번 도입하면 30년씩 원없이 굴려 먹는 다는것을 감안하면 크게 문제삼을 부분은 아니라고 해도 되겠습니다.

비용문제와 관련해 장기적으로 신경이 쓰이는건 세번째 항목이 되겠죠.

③. 비슷한 기준에서 전력소모량 증가

동력분산형 고속철은 집중형 차량에 비해 전력소모가 좀 더 큰 편입니다.

1편에서 제가 속도 이야기를 하면서 신칸센과 TGV 의 1KG 당 출력을 계산한 적이 있었죠.

전 라인업이 동력분산형 차량으로 이루어진 신칸센의 경우 21~25kW/ton 인데 비해 AGV 를 제외한 모든 경우가 동력집중식인 TGV 계열 고속철의 중량대비 출력은 16~21kW/ton 이라고 하였습니다.

철도차량의 출력은 차량의 성능과 전력소모량에 있어 가장 효율적인 선상에서 결정되기 때문에,

이렇게 전기를 더 먹는건 2번에 살짝 언급한 개별 전장품 문제와 연관이 있습니다.

KTX-산천과 HEMU-430X 의 중량대비 출력을 비교해 보아도 그 차이는 여실히 드러납니다.

지난 1편에서 계산했으니 결과만 가져오면 KTX-산천은 21.62kW/ton 이고 HEMU-430X는 24.47kW/ton 이 됩니다.

다만, 전편에서 반전이라면서 논했듯 신칸센은 전기를 좀 더 먹긴 하지만, 차량 사이즈가 워낙에 커서 수송력 자체가 방대하기 때문에 저정도 전력소모는 가볍게 무시할 수 있는 수준이라는 것을 보여드렸죠. (자세한건 HEMU 특집 1편 본문의 1-1 ① 항목을 참조하시기 바랍니다.)

해무도 사실상 산천에 비해서는 좌석을 최대로 배열 했을 때(456석)는 전력소모량에 대비해 100명 이상의 승객을 탑승시킬 수 있어 효율적이라 할 수 있지만, 362석 모델을 바탕으로 하면 같은 인원을 채우고도 산천보다 전기를 더 먹는 셈이 되어 버릴겁니다.

이것 역시 동력분산식 차량이기 때문에 어쩔수가 없는 고질적인 문제라 하겠습니다.

④. 정비시 유지보수 개소의 증가
다음으로 도입후 차량 정비시 더 많은 손이 간다는 것입니다.

철도차량의 정비를 할 때, 다른 부분 보다 특히 더 주기적으로 신경써야 하는 것이 바로 주회로 계통 설비입니다.

전기차에서는 한번 싣으면 폐차 할 때 까지 반영구적으로 사용하거나, 전 내구연한을 통틀어 절반시기에 시행하는 (고속철은 15년 주기) HLO 정비 시즌에 주회로 설비를 새것으로 교체하거나 하는데, 이럴 때에 분산형 차량은 개별 차량의 동력차를 모두 신경 써야하고 부품교환과 보수를 해야할 개소가 늘어나기 때문에, 손이 많이 가게 됩니다.

동력분산식이 가지는 특장점 6개를 먼저 소개했고 이렇게 좋은 동력분산형 차량이 피할 수 없는 단점으로 지목될 수 있는 사항 4개를 언급했습니다.

사실상 단점에서 1번 항목을 제외하고 나머지는 모두 시간 및 돈 문제인데, 원래 뭐든 질 좋은건 돈이 많이 드는 법 아니겟습니까?

소음 진동만 빼면 성능이 월등하게 좋은것이 동력분산형 고속열차 인데 말입니다.

여기까지 3-3장 내용을 마치고 동력분산형 고속열차라는 것에 초점을 두어 풀어간 HEMU-430X 특집포스팅 2편을 마무리합니다.

조만간, HEMU-430X 특집포스팅 3편에서 다시 인사 드리겠습니다.

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