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'''계자첨가 여자제어'''(界磁添加勵磁制御, {{llang|en|field added excitation control}})란, [[직권 정류자 전동기]]를 사용하면서, 여자제어용 전원을 별도로 설치하여 계자전류제어로 회생제동을 구현하는 철도차량의 속도 제어 방식이다.

== 개요 ==
=== 배경 ===
<div style="float: right; width: 300px; border: solid 1px gray; background: #f5faff; font-size: 80%; padding: 0.3em; margin: 0.3em;">
<div style="text-align: center; background: #cedff2; font-size: 120%;">'''위상제어와 초퍼 제어'''</div>
* 위상제어 - [[교류]]의 전압을 제어하는 방법의 하나. [[사이리스터]] 등  스위칭 작용이 있는 [[반도체 소자]]에 의해 전류를 흘리는 시간을 바꿔 교류파형의 일부를 떼어내, 평균전압을 제어한다.
* 초퍼 제어 - 위상제어의 방식을 [[직류]]에 적용한 것으로, 전류를 흘리는 시간을 바꿔 전압을 제어한다. 파워 일렉트로닉스가 발달하지 않았던 시기에는 위상제어에 비해 회로가 복잡하고 고가였다.
[[파일:Phase and chopper control.png|섬네일|280px|center|위상제어와 초퍼 제어]]
</div>

[[일본국유철도]](현 JR 그룹)는 [[1970년대]] [[유류 파동]]으로 인해 에너지 절약형 전동차를 개발하고 있었다. 기존의 [[저항제어]] [[전동차]]는 가속시에 [[모터]]의 전압을 제어하면서 [[저항]]기로 전력의 일부가 열로 손실되며, 제동시에도 운동에너지를 열로 버리는 방식이었다. 일본국철은 이를 개선하기 위해 [[1979년]]에 [[전기자 초퍼 제어]] 방식 [[일본국유철도 201계 전동차|201계 전동차]]를 개발, 연속 전압제어를 통해 열 손실을 해소하고 제동시 운동 에너지를 전력으로 변환하여 가선으로 되돌리는 [[회생제동]]을 실용화했다. 그러나 당시는 [[전력 전자공학]]이 발달하지 않아 에너지 절약 효과는 있지만 제어회로가 고가가 되어 기존의 저항제어 방식을 대체할 정도는 되지 않았다.

한편 당시 [[사유 철도|사철(민간 철도)]]에서는 비싼 [[전기자 초퍼 제어]] 대신 [[계자 위상제어]]와 [[계자 초퍼 제어]]가 개발되어 있었다. 기본적인 구조는 기존의 저항제어를 이용해 값싼 [[계자 조정기]]를 이용하여 회생제동을 가능케 한 것이다. 즉 비싼 모터의 전압 제어는 기존의 방식을 그대로 사용하고, 비교적 저렴한 계자 조정기를 통해 구현한 회생제동에만 에너지 절약 효과를 기대하는 방식이었다. 가속시의 열 손실이 있기는 했지만, 코스트 퍼포먼스가 뛰어나 이 방식이 널리 보급되었다. 한편 이 방식은 [[복권전동기]]를 필요로 했다. 복권전동기는 기존의 [[직권전동기]]보다 구조가 복잡하고 부하나 전압의 변동에 약하며 보수 작업도 더 많이 필요로 하는 것이 과제였다. 사철과는 격이 다른 대량 도입과 광범위한 규격화를 전제로 해야 하며, 또 [[1960년대]] 이후 노동 문제의 격화가 표면화된 일본국철에서 비용도 보수도 제약이 따르는 복권전동기의 채용은 이에 따른 장점과 비교해도 정책적으로 문제가 있는 것이었다.

=== 특징 ===
이러한 배경 아래, [[1980년대]]에 일본국철(현 JR)이 개발한 것이 '''계자첨가 여자제어'''이다. 특징은 다음과 같다.

* [[전압 제어]]는 기존의 [[저항제어]], 직병렬 조합 제어가 기본
* [[계자 제어]]는 새로운 기술을 도입, 낮은 비용으로 [[회생제동]]을 구현
* 구조가 단순하며 신뢰성이 있는 [[직권전동기]]를 사용

[[계자 초퍼 제어]]와 같은 코스트 퍼포먼스를 노리면서 구조가 단순하고 견고한 직권 전동기로 제어가 가능한 점이 본 방식의 이점이다. 당시의 차세대 근교형 차량([[일본국유철도 211계 전동차|211계 전동차]])용으로 개발되어, [[일본국유철도 205계 전동차|205계 전동차]]에 처음 탑재된 이후 일본국철 말기부터 JR초기에 걸쳐 새로 제조하는 전동차에 이용되었으며 사철에서도 일부 채택되었다.


{| class="wikitable" style="font-size:80%; text-align: center; margin-left: 1em;"
|+ 직류전동기를 이용한 에너지 절약형 전동차의 제어방식
|-
!style="font-weight:normal; width:10em;"|제어 방식
!style="font-weight:normal; width:10em;"|전기자 초퍼 제어
!style="font-weight:normal; width:10em;"|계자 초퍼 제어
!style="font-weight:normal; width:10em;"|계자 위상 제어
!style="font-weight:bold; width:10em;"|계자첨가 여자제어
|-
!style="font-weight:normal"|전동기
|직권전동기
|colspan="2"|[[복권 정류자 전동기|복권전동기]]
|style="font-weight:bold;"|[[직권 정류자 전동기|직권전동기]]
|-
!style="font-weight:normal"|전압제어
|초퍼 제어
|colspan="3"|저항제어·직병렬 조합 제어
|-
!style="font-weight:normal"|계자제어<br />회생제동
|약계자제어<br />전기자 초퍼
|분권계자의<br />초퍼 제어
|분권계자의<br />위상제어
|style="font-weight:bold;"|계자의 위상제어
|}

== 장점과 단점 ==
; 장점
:* [[전기자 초퍼 제어]]에 비해 장치가 소형이다
:* 감속시, 이 방식은 보조전원에 의해 계자전류를 제어하므로(의도적으로 외부로부터 전류를 가한다), 가선 전압에 좌우되지 않고 안정된 제동력을 얻을 수 있다. 때문에, [[회생제동]] 사용 차량에 있어서는 [[회생실효]]가 잘 발생하지 않는다. 직권전동기를 사용할 수 있는 것도 그것에 기여한다.
:* 계자 초퍼 등의 복권전동기에 비해 구조가 단순하고 직권전동기를 사용하므로 보수가 용이하다.
:* 회생제동을 사용할 수 있다.
:* 주전동기를 시작으로 [[저항제어]] 차량으로부터 유용할 수 있는 부품이 많아, 기존의 저항제어 차량을 베이스로 저렴하게 개조할 수 있다.
:
; 단점
:* [[계자 초퍼 제어]]와 마찬가지로 저항제어의 발전형이며, 기동에서 저항제어의 최종단까지는 캠 축 제어나 직병렬제어가 이루어지기 때문에, 진단(進段)이나 회로 변환에 의한 전후충동이 발생한다.
:* 회생제동도, 계자 [[초퍼 제어]]와 마찬가지로 저속역에서의 효용 범위가 좁다. (20km/h 정도에서 실효)
:* 종래와 마찬가지로 [[직류전동기]]를 사용하기 때문에, 보수상 약점이 되는 브러시가 여전히 남게 된다.

== 채용례 ==
; [[일본국유철도]] (현 JR)
:* [[일본국유철도 205계 전동차|205계 전동차]]([[1985년]]. JR동일본·JR서일본에 승계)
:* [[일본국유철도 211계 전동차|211계 전동차]]([[1985년]]. JR동일본·JR서일본에 승계)
:* [[일본국유철도 213계 전동차|213계 전동차]]([[1987년]]. JR서일본에 승계)
:
; [[동일본여객철도]] (이하 JR동일본)
:* 205계 (일부는 [[가변 전압 가변 주파수 제어]](VVVF)로 개조)
:* 211계
:* [[동일본 여객철도 215계 전동차|215계 전동차]]([[1992년]])
:* [[동일본 여객철도 251계 전동차|251계 전동차]]([[1990년]])
:* [[동일본 여객철도 253계 전동차|253계 전동차]]([[1991년]]. 현존 차량은 VVVF 제어로 개조)
:* [[동일본 여객철도 651계 전동차|651계 전동차]]([[1988년]]. 일본에서 유일한 교류직류양용 계자첨가 여자제어 차량)
:
; [[도카이 여객철도]](이하 JR도카이)
: JR 도카이의 계자첨가 여자제어는 보조전원이 직류이기 때문에, 첨가여자제어에는 [[사이리스터 위상제어|위상제어]] 회로가 아닌 DC-DC 컨버터가 사용된다. DC-DC컨버터는 직류의 보조 전원을 인버터에 의해 단상교류로 변환한 뒤 강압(降壓)·정류하여 직류 첨가전류를 얻는다. 인버터에는 파워 트랜지스터를 사용하고 있다.<ref>星野栄雄, 大堀豊, 井上一夫『東海旅客鉄道（株）向け213系直流電車システム』 富士時報　第62巻第8号（1989年）, 525-529頁</ref>
:* 211계(5000번대・6000번대)
:* 213계(5000번대）
:* [[도카이 여객철도 311계 전동차|311계 전동차]]([[1989년]])
:* [[도카이 여객철도 371계 전동차|371계 전동차]]([[1991년]])
:
; [[서일본여객철도]](이하 JR서일본)
:* 205계 전동차(1000번대)
:* 211계 전동차(쿠로모 211형・모로 210형, 폐차)
:* 213계 전동차
:* [[서일본 여객철도 221계 전동차|221계 전동차]]([[1989년]])
:
; [[도부 철도]]
:* [[도부 철도 200계 전동차|200계 전동차]]([[1991년]]. 도요 전기 제조제)
:
; [[후지 급행]]
:* [[후지 급행 6000계 전동차|6000계 전동차]](JR동일본 205계의 불하 차량)
:
; [[한신 전기 철도]]
:* [[한신 전기 철도 2000계 전동차|2000계 전동차]]([[1990년]] 개조, 전차량 폐차)

== 같이 보기 ==
* [[초퍼 제어]]
* [[계자 초퍼 제어]]
* [[전기자 초퍼 제어]]
* [[계자첨가 여자제어]]
* [[가변 전압 가변 주파수 제어]]

== 참고 문헌 ==
<references />

[[분류:철도차량공학]]