초판발행 2020.09.25

철도서비스가 우리 경제와 사회생활, 그리고 관광 등에서 차지하는 몫과 영향이 커지고 있다. 이같이 철도가 우리 삶에 깊숙이 들어와 있는 만큼 철도를 운영하는 공사와 회사 등 운영자들도 승객에게 편안하고 안전한 철도서비스를 제공해야 하는 책임감을 가지지 않을 수 없는 시기이기도 하다. 철도의 이런 중요성에 걸맞게 전기동차를 직접 운전하는 기관사들 역시 전기동차의 내부 시스템과 장치의 기능에 대해 전반적인 지식은 물론 능숙한 운전기법을 갖추고 있어야 한다. 그래야만 경제적이고 안전한 운행이 가능하게 되는 것이다. 기관사들에게도 과학적 사고와 훈련이 요구되는 이유이다.
전기동차는 전기회로를 기반으로 설계된 차량이다. 그래서 전기회로에 대한 기초지식이 있어야 전기동차 구조 및 기능 과목을 이해하기 쉽다. 그러나 철도에 입문한 학생들은 전기회로의 ‘회’자도 모른다. 저자들은 학생들의 이러한 어려움을 너무나 잘 알고 있기 때문에 이 책에서는 각종 회로도에 다채로운 색깔을 입히고 그림을 삽입하여 알기 쉽게 정리해 보았다.

이 책에서는 전기회로가 적용되는 두 가지 회로, 즉 주회로와 고압보조회로(SIV: Static
Inverter)에 대해 하나하나씩 이해해 보기로 한다. 첫째, 주회로란 컨버터와 인버터를 거쳐 전동기까지의 회로를 말한다. 우선 교류구간을 보자. 주변압기(MT)를 통해 교류가 들어오면 컨버터에서 이 교류를 직류로 바꾸어 준다. 이 직류는 인버터로 들어가 교류로 나와 VVVF차량의 유도전동기를 돌려주는 에너지원이 된다. 한편 직류구간을 거쳐 들어온 직류는 곧바로 인버터로 진입하여 교류를 내보내면서 VVVF차량의 유도전동기와 아울러 고압보조장치(SIV)에까지 전원을 공급해준다. 주회로는 전기동차의 두뇌, 즉 브레인(Brain)이다. 주회로 구간(2차 측)의 소프트웨어, 회로, 그리고 장치들이 전기동차의 운행과 관련된 모든 지시, 통제, 제어를 종합적으로 실시하기 때문이다. 그래서 주회로를 전기동차의 심장이라고도 부르는 이유이기도 하다.

둘째, 전차선 전원으로 전동차의 저압회로에 바로 전원을 공급하면 큰일이 난다. 그래서 큰 전원을 받아 작은 전원으로 연결시켜 주는, 즉 중간 역할의 고압보조회로 및 장치가 필요한 것이다. 이 고압보조회로가 3차측인 것이다. 이에 따라 먼저 전차선의 전원으로 고압보조장치를 가동시켜 전압을 다운시킨 후 저압전원으로 변환시켜주는 장치가 필요하다. 이 장치가 바로 작은 인버터라고도 불리는 SIV이다. 고압보조장치가 제대로 작동을 못하면 공기압축기(CM)에 공기를 주지 못하므로 제동장치, 출입문제어, 운전제어가 원활하게 이루어지지 않는다. 아울러 SIV에 문제가 있으면 배터리를 충전시켜주지 못한다. 배터리는 전동차 기동 시뿐 아니라 각종 램프(등)의 필요한 영양소가 아닌가. 배터리가 제대로 작동하지 못하는 전기동차를 상상할 수 있겠는가?

저자들은 기존의 철도 관련학과에서 주교재로 쓰이고 있는 철도 관련 공사가 발간한 책의 긴 내용을 단락별로 축약시켜 요점 위주로 책을 구성하였다. 또한 책 전체의 구성 체계를 공사의 교재를 따르되 학생들이 전체 구도를 알기 쉽게 재구성했다. 아울러 혹시 학생들이 본문에서 놓친 주회로, 고압보조회로, 관련 회로도나 장치가 나타날 경우에 대비하여 마지막 장에 이해하기 쉽게 풀어서 제공해 보았다.
이 책은 저자들이 전기동차 구조 및 기능 과목을 강의하기 위하여 준비해 놓았던 PPT자료를 바탕으로 해서 틀을 잡아본 결과물이다. 실 한 올 한 올 뜨개질하듯 엮어보니 하나의 커다란 그물망이 만들어진 느낌이다. 이 책을 세상에 내놓는 데는 전채린 과장님의 끊임없는 격려와 독촉이 큰 힘이 되었다. 강의용으로 준비해 놓은 형형색색의 회로도 그림을 출간해 주시기로 결심한 임재무 상무님에게도 깊은 감사의 마음 전한다.

2020년 바다에 맞닿아 있는 마을 월곶면에서
저자 씀

원제무
원제무 교수는 한양공대와 서울대 환경대학원을 거쳐 미국 MIT에서 도시공학 박사학위를 받고 KAIST 도시교통연구
본부장, 서울시립대 교수와 한양대 도시대학원장을 역임한 바 있다. 그동안 대중교통론, 철도계획, 철도정책 등에 관한
연구와 강의를 해오고 있다. 요즘에는 김포대학교 석좌교수로서 도시철도시스템, 전동차구조 및 기능, 운전이론 강의
도 진행 중에 있다.

서은영
서은영 교수는 한양대 경영학과, 한양대 공학대학원 도시 · SOC계획 석사학위를 받은 후 한양대 도시대학원에서 ‘고
속철도 개통 전후의 역세권 주변 용도별 지가 변화 특성에 미치는 영향 요인 분석‘으로 도시공학박사를 취득하였다. 그
동안 철도정책, 철도경영, 철도마케팅 강의와 연구논문을 발표해 오고 있다. 현재는 김포대학교 철도경영학과 학과장
으로서 철도경영, 철도 서비스마케팅, 도시철도시스템, 운전이론 등의 과목을 강의하고 있다.

제1부 주회로 장치

제1장 주회로 장치란?
제1절 교류 주회로와 직류 주회로… ……………………………………………………………5
1. 4호선 교류 주회로와 직류 주회로 _ 5
2. 과천선 교류 주회로와 직류 주회로 _ 8
제2절 교류유도 전동기………………………………………………………………………… 10
1. 유도전동기 회전원리 _ 10
2. 4호선 및 과천선 주회로 _ 21
제3절 4호선 전기동차 주회로 및 제어………………………………………………………… 33
1. 주회로 기기 및 작용 _ 33
2. 제어회로(4호선 제어회로)의 구성 _ 43
3. 4호선 VVVF 동력운전 제어 _ 46
4. GCU 기동(전원공급) _ 47
5. 동력운전 제어(4호선) _ 48
6. 4호선 회생제동 제어 _ 60
7. 4호선 전기제동 신호계전기(ELBR: Electric Brake Signal Relay) 여자 _ 60
8. 4호선 회생제동 지령선(10선) 가압 _ 62
9. 4호선 제어회로의 구성 및 작용 _ 63
제4절 과천선 VVVF 전기동차 주회로 및 제어… …………………………………………… 67
1. 과천선 주회로 기기 및 작용 _ 67
2. 과천선 역행운전 제어회로 _ 78
3. 과천선 역행운전 시 주회로 제어절차 _ 102
4. 과천선 회생제동 제어회로 _ 108

제2장 주회로 핵심주제 요약

제1절 유도전동기……………………………………………………………………………… 115
1. 유도전동기 원리 _ 115
2. 유도전동기 특징 _ 115
3. 컨버터와 인버터 _ 118
제2절 4호선 주회로 기기……………………………………………………………………… 119
1. 주회로 기기(교류구간) _ 119
2. 주회로기기(직류구간) _ 120
3. 제어회로 구성 _ 120
4. 보호회로 _ 121
5. 4호선 동력운전 _ 121
제3절 과천선 주회로 기기……………………………………………………………………124
1. 주회로기기 _ 124
2. 과천선 동력운전 _ 125

제2부 고압보조장치

제1장 VVVF 전동차 고압보조장치(SIV) 개요

제1절 VVVF 전동차 고압보조장치(SIV:Static Inverter)란?… ………………………………131
제2절 SIV 전원공급……………………………………………………………………………134
1. 4호선 교직류구간 SIV 전원 흐름 _ 134
2. 과천선 교직류구간 SIV 전원 흐름 _ 135

제2장 4호선 VVVF 전기동차 고압보조회로

제1절 4호선 VVVF 고압보조회로(SIV)… ……………………………………………………137
제2절 4호선 VVVF 정지형 인버터(SIV) ……………………………………………………139
1. SIV 주요 사항 _ 139
2. SIV 구성 _ 139
3. SIV 구성회로 _ 141
제3절 전동공기 압축기(CM:Compressor Motor) ……………………………………………147
1. 전동기압축기 개요 _ 147
2. CM구동 및 고장 시 조치 _ 149
제4절 냉난방 장치… …………………………………………………………………………152
1. 냉방장치 _ 153
2. 난방장치(Heater) _ 155
3. 객실 송풍 및 환풍 장치 _ 161
제5절 연장급전…………………………………………………………………………………163
1. 연장급전의 개요 _ 163
2. 연장급전 취급의 경우(연장급전은 어느 경우에 필요한가?) _ 164
3. 연장급전 취급 방법 _ 165
4. 연장급전 취급 후의 현상 _ 165
5. 연장급전 회로 _ 167

제3장 과천선 SIV

제1절 VVVF 고압보조회로 전원의 흐름… …………………………………………………170
1. 과천선 VVVF 보조회로 전원의 흐름 _ 170
제2절 과천선 SIV의 개요………………………………………………………………………172
1. 고압보조회로 _ 172
2. 고압보조회로에 전원공급 시 동작되는 주요 구성기기 _ 172
3. 과천선 VVVF차량에서 주요 기기 역할 _ 173
제3절 과천선 고압보조회로의 기기……………………………………………………………173
1. 보조전원용 정지형인버터(SIV) 전원 생성 과정 _ 173
2. 과천선 정지형 인버터의 주요 구성장치 _ 174
3. SIV 전원 공급(과천선) _ 177
제4절 SIV 고장 시 조치(과천선)………………………………………………………………178
1. 과천선 SIV 경고장 _ 178
2, 과천선 SIV 중고장 _ 178
3. 과천선 SIV 중고장(SIVFR) 여자 조건 _ 178
제5절 과천선 CM(전동공기압축기)……………………………………………………………180
1. CM 정상구동 _ 180
2. CM 구동용 인버터 고장 시 직결(By-Pass)구동 _ 182
3. 동기구동 회로 _ 182
4. CM 정지 시 복귀 _ 185
제6절 과천선 송풍기… ………………………………………………………………………188
제7절 과천선 VVVF 냉난방 장치… …………………………………………………………189
1. 난방장치 _ 190
2. 냉방장치 _ 190
제8절 과천선 연장 급선(Extension Supply)(과천선VVVF차량)… …………………………191
1. 연장급선취급의 경우 _ 191
2. 연장급선 취급 후의 현상 _ 192

제4장 고압보조장치(SIV) 핵심주제 요약
제1절 4호선 SIV… ……………………………………………………………………………202
1. SIV구성 _ 202
2. 고압회로 및 SIV기기 _ 202
3. SIV중요 구성기기 _ 203
4. SIV보호회로 _ 204
5. CM(전동공기압축기) _ 204
6. 냉난방 _ 205
7. 연장급전 _ 206
제2절 과천선 SIV………………………………………………………………………………207
1. SIV 기기의 특징 _ 207
2. SIV 공급전원 _ 207
3. 연장급전 _ 209

제5장 SIV 및 CM 관련 고장 시 조치방법

제1절 SIV 관련… ……………………………………………………………………………210
1. SIV고장 원인 _ 210
2. SIV고장시 현상 및 조치사항 _ 210
3. 보조적용계전기(AMAR: Aux. Machine Applicable Relay)의 역할은? _ 211
4. 연장급전 방법은? _ 211
5. 연장급전이 안 되는 경우는? _ 211
6. IVCN(NFB for “Inverter Control” 인버터제어회로차단기) OFF하는 이유는? _ 211
7. 연장급전 시 POWER등이 점등되나? _ 211
8. SIV 입출력전압은? _ 212
9. SIV 전원사용처는? _ 212
10. 전류평형용저랑기(EqRe)란 무엇인가? _ 212
제2절 CM 관련… ……………………………………………………………………………213
1. 주공기 압력 상승 불능 시 조치 _ 213
2. TC차 이외 차량 내 공기누설 시 조치 _ 213
3. 주공기압력 9kg/m2 이상 상승 시 조치 _ 213
4. 차 간 MR누설 시 조치는?(MR압력 저하) _ 213
5. 제습기 누설 조치는?(MR압력 저하) _ 214
6. CR공기 누설 시 조치는?(MR압력 저하) _ 214
7. BOU(Brake Operating Unit)함 내 누설 시 조치는?(MR압력저하) _ 214
8. MRPS의 역할은 무엇인가? _ 214
9. PBPS의 기능은 무엇인가? _ 214
10. MR의 주공기 압력 저하 시 현상 및 조치는? _ 214
11. TC차 2지변 이후 MR누설 시 조치는? _ 215