편리함을 추구하는 현 시대에 걸맞게 불편한 선 없이 충전이 가능한 무선전력전송의 상용화 범위가 하루가 다르게 점점 넓혀져 가고 있다. 여기서는 고속열차에 적용된 무선전력전송의 기술과 상용화 현황에 대해 알아본다.
무선전력전송을 위해 가장 기본적으로 갖춰야 할 것은 전력변환기인데, 전력변환기로 자기장을 형성시켜 집전장치에서 운동을 시킨 후 차량이 원하는 에너지로 전환하여 최종적으로 차량에 공급한다.
중요한 것은 무선으로 전력을 공급할 때 기존 유선으로 전력을 공급하는 것처럼 효율을 얻을 수 있느냐는 문제다. 효율과 관련된 식을 보면 상호인덕턴스 값과 주파수가 높으면 손실을 줄여 효율을 높일 수 있음을 알 수 있다.
무선전력전송 시스템을 철도에 적용할 경우 기존에 많이 적용했던 주파수는 20kHz 레벨이었는데, KRRI(한국철도기술연구원, Korea Railroad Research Institute)에선 60kHz 레벨로 정했다. 또한 철도의 경우 공극 레벨이 굉장히 작은데, 궤도 위를 달리는 차량이기 때문에 공극의 변화가 일정하기 때문이다. 그래서 원하는 만큼 최대한 공극 레벨을 줄여 시스템을 설계할 수 있다. 상호인덕턴스도 효과적으로 제어를 할 수 있으며 기존 유선인 판토 시스템의 경우 약 95%의 효율이 나오는데, 무선전력전송의 효율도 비슷한 레벨까지 올리는 것을 목표로 한다.
기존 전력공급 방식과 무선급전 방식
기존의 전력공급 방식은 일단 고압의 급전선이 있었다. 급전선이 열차에서 올라오는 판토시스템이 된다. 판토가 급전선과 접촉을 하면서 전력을 공급하면서 주행하는 전력공급 방식인데, 이 경우 고압의 전압을 변환시켜줘야 하기 때문에 차량 안에는 항상 변압기가 있어야 한다. 변압기에 의해 전압을 다운시켜 컨버터와 인버터를 통해 모터로 이동시키거나 보조전원으로 이동시킨다.
그래서 주변압기가 굉장히 크리티컬한데, 변압기의 무게가 굉장히 무겁기 때문이다. 변압기를 항상 차에 싣고 다녀야 한다는 문제점이 있고, 또 접촉을 하고 있기 때문에 전차선과 접촉되는 판토 쪽의 유지노선 문제가 항상 대두되고 있다.
한편 전차선과 접촉해 판토가 올라와 있기 때문에 판토에 의한 공기저항이 굉장히 높다. 그래서 속도를 올리기 위해서는 그런 공기저항을 감수를 하고 그 공기저항을 이겨낼 수 있을 만큼의 에너지를 더 공급해야 한다. 그래서 에너지공급을 위한 접촉에 의해 공기저항이 생겨 더 많은 에너지가 소모되기 때문에 그 부분이 손실로서 고려가 될 수 있다.
그에 반해 무선급전 방식은, 기본 시스템은 바닥에 급전라인을 깔고 급전라인에서 일정 전류를 인버터를 통해 공급하고, 급전선에서 올라오는 자기장에 의해서 집전모듈 에너지가 형성된다. 집전모듈에서 올라오는 전압을 추진 인버터에서 요구하는 전압 레벨에 맞춰준다. 그래서 주변압기가 빠져 무게가 굉장히 가벼워진다.
또한 판토시스템이 모두 제거된다. 그래서 추진 인버터를 기동할 수 있는 적절한 에너지만 공급되면 속도를 올리는 데 있어서 공기저항이 줄어들기 때문에 기존 전력공급 방식과 비교했을 때 상대적으로 에너지 손실이 적다는 장점을 갖고 있다.
적용사례
(1) 철도분야 (독일 자기부상열차)
철도분야에선 일단 Transrapid09에 무선급전 방식이 일부 적용됐다. 속도가 100km/h가 됐을 때 자기유도방식에 의해서 급전이 되고, 비접촉 공극의 간격이 4cm정도 된다. 독일 Emsland 시험선에서 시험운행을 완료한 상태다.
(2) 철도분야 (독일 경전철)
독일의 경전철은 국내의 경전철과 같은 개념이다. 부산, 의정부 경전철이 있는데 같은 레벨의 차량이다. 여기에선 주파수가 약 20kHz, 공극간격이 60~100㎜ 정도 된다. 세 가닥의 선이 꼬여서 바닥에 깔려있는 삼상방식을 적용했고, 인버터도 삼상 인버터를 사용한다. 픽업은 차량에 한 개씩 장착이 되어 있는데, 픽업들이 분리되어 있지 않기 때문에 픽업을 제어하는데 굉장히 용이하다. 독일 Bautzen 및 Augsburg 시험선에서 시험 중인데 상용화 레벨까지 다가간 상태이다.
(3) 철도분야 (한국 무가선트램)
우리나라는 60kHz를 택하고 있고, 공극 간격은 3cm이다. 픽업에 들어가는 코어와 선로에 달린 코어 간의 간격이 아니라, 순수하게 눈으로 보이는 면대면의 간격이 3cm라는 의미다. 실제 코어 간격으로 본다면 5cm정도 된다. 문제없이 지속적으로 기동이 되고 있는 상태이며 용량은 180kW이다. 그래서 각 면을 보면 60kW짜리 픽업 3개가 바닥에 장착이 돼서 기동이 되는 시스템으로, 오송 시험선에서 시험 중이다.
무가선트램 무선전력전송 시스템
무가선트램에 들어가는 전체 시스템 구성으로는, 차량용 추진장치, 레귤레이터, 픽업 모듈, 급전선로, 인버터, 변전실 등이 있다. 변전실에서 DC750V가 인버터로 공급되고, 인버터에서 AC60kHz를 만들어 전류를 흘려준다. 흘려주는 전류는 차량에서 당겨쓰는 부하 용량에 따라서 레벨이 결정이 되고, 자기장이 형성되어 픽업 모듈 쪽에 전압이 유도된다. 전압이 정류기를 통해 DC로 바뀌고, 차량에서 요구하는 DC800V를 공급한다. 앞의 인버터에서 올라오는 전압 레벨이 흔들리기 때문에 레귤레이터를 써서 DC800V를 항상 일정하게 공급하도록 구성되어 있다. 그러므로 가장 전형적인 무선전송시스템의 대표적인 시스템 구성이라고 말할 수 있다.
무선급전시스템에서 가장 중요한 부분이 인버터다. 인버터가 에너지를 공급하는 원천이기 때문에 인버터가 불안정하고 흔들리면 그 뒤에 있는 선로, 픽업이 아무리 잘 산재되어있어도 DC800V의 양질의 전압을 일정하게 차량에 공급할 수 없다. 차량에서는 전력을 많이 쓸 때도 있고, 적게 쓰는 경우도 있어 부하 변동이 심하다. 추진을 할 때는 급격하게 많은 에너지를 단시간 안에 써야 한다. 그럴 경우에 대응하여 요구하는 에너지를 공급하는데 딜레이가 있어서는 안 되는데, 이 때 인버터의 역할이 중요하다. 그래서 급전 인버터는 일반 인버터로는 안 되고 능동적으로 필요로 하는 에너지를 감지하여 단시간 안에 에너지를 공급해줄 수 있는 능동형 인버터를 사용해야 한다.
무가선트램의 인버터 제어 방식을 최초에는 PWM으로 설계를 했다가 PAM으로 바꾼 이유도 빠르게 대응할 수 있는 방식이 PAM 방식이기 때문이다.
기대효과 및 향후 연구방향
•무선전력전송 장치 적용에 따라, 전차선과 판토그래프를 제거함으로서 마모에 의한 유지보수비를 절감하고 소음을 저감시킬 수 있다. 또한 터널 단면을 20% 축소할 수 있으며 공사비를 15% 절감하며 도시미관을 개선할 것으로 기대된다.
•60kHz 고주파 전원을 사용함으로써 집전모듈의 크기 및 무게가 감소, 비용 절감을 통한 경제성이 향상할 것이다.
•온라인 전기버스와 비교하면 운전 주파수, 집전 단위모듈 용량, 집전 단위모듈 사이즈 모두 향상할 것이고, 무선전력전송 적용 트램이 접촉식 트램에 비해 유지보수비용이 절감할 것이다.
•향후 소형화 및 최적화, 경량화, 비용저감(가선 : 15억/km, 현재 무선급전 : 25억/km, 향후 실용화 시 : 15억/km), 공극증대(3cm→8cm)를 중점으로 무선급전 실용화 연구에 더욱 힘써야 할 것이다.
이준호 한국철도기술연구원 박사
신아현 인턴기자 (tls2246@hellot.net)
