동적 제동

동적 제동 또는 다이내믹 브레이크(dynamic braking)는 전기 기관차나 디젤 전기 기관차와 같은 차량의 속도를 줄일 때 전기 견인 전동기를 발전기로 사용하는 방식이다. 생성된 전력이 브레이크 그리드 저항기에서 열로 소산될 경우 "레오스태틱"이라 하고, 전력이 공급 라인으로 반환될 경우 "회생 제동"이라고 한다. 동적 제동은 마찰력 기반 제동 부품의 마모를 줄이고, 회생 제동은 순 에너지 소비를 줄인다. 동적 제동은 동력분산식 열차의 철도 차량, 경전철, 노면전차, 트롤리버스, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에도 사용될 수 있다.

작동 원리
전력량을 회전축의 역학적 에너지(전동기)로 변환하는 것은 회전축의 역학적 에너지를 전력량으로 변환하는 것(발전기)의 역과정이다. 둘 다 (상대적으로) 움직이는 외부 자기장과 전기자 권선의 상호 작용을 통해 이루어지며, 전기자는 전원 공급 장치(모터) 또는 전력 수용 장치(발전기) 중 하나를 가진 전기 회로에 연결된다. 전기/기계 에너지 변환 장치의 역할은 어떤 인터페이스(기계적 또는 전기적)가 에너지를 제공하거나 받는지에 따라 결정되므로, 동일한 장치가 모터 또는 발전기 역할을 수행할 수 있다. 동적 제동에서는 견인 모터를 발전기 역할로 전환하기 위해 공급 회로에서 수용 회로로 전환하고, 자기장을 생성하는 계자 코일에 전류를 인가한다(자기 여기).

회전축에 가해지는 저항량(제동력)은 전력 생성률에 약간의 효율 손실을 더한 것과 같다. 이는 계자 코일의 전류에 의해 제어되는 자기장 강도와 바퀴의 회전 및 동력축 대 바퀴 회전 비율에 따라 결정되는 전기자와 자기장이 서로에 대해 회전하는 속도에 비례한다. 제동력의 양은 계자 코일의 전류량을 통해 자기장의 강도를 변화시켜 제어한다. 전력 생성률과 역으로 제동력은 동력축이 회전하는 속도에 비례하므로, 속도가 감소함에 따라 제동력을 유지하려면 더 강한 자기장이 필요하며, 계자 코일에 인가할 수 있는 전류에 따라 동적 제동이 효과적일 수 있는 하한이 있다.

동적 제동 중에 생성된 전기를 관리하는 두 가지 주요 방법은 아래에 설명된 대로 레오스태틱 제동과 회생 제동이다.

영구 자석 모터의 경우, 모터 단자를 단락시키면 동적 제동이 쉽게 이루어지며, 모터가 빠르게 급정지한다. 그러나 이 방법은 모든 에너지를 모터 자체에서 열로 소산시키므로, 무선 전동 공구와 같은 저전력 간헐적 응용 외에는 냉각 제한으로 인해 사용할 수 없다. 이는 견인 응용에는 적합하지 않다.

레오스태틱 제동
모터에서 생성된 전력량은 온보드 저항기 뱅크(제동 그리드라고 함)에 의해 열로 소산된다. 저항기를 손상으로부터 보호하기 위해 대형 냉각 팬이 필요하다. 최신 시스템에는 열 모니터링 기능이 있어, 뱅크의 온도가 과도해지면 자동으로 차단되고 제동은 마찰 제동으로 전환된다.

회생 제동

전철화된 시스템에서는 회생 제동 방식이 사용되어 제동 중에 생성된 전류가 열로 낭비되는 대신 다른 견인 장치에서 사용될 수 있도록 전력 공급 시스템으로 다시 공급된다. 전철화된 시스템에서는 회생 제동과 레오스태틱 제동을 모두 통합하는 것이 일반적이다. 만약 전력 공급 시스템이 "수용적"이지 않아 전류를 흡수할 수 없다면, 제동 효과를 제공하기 위해 시스템은 레오스태틱 모드로 전환된다.

현재는 에너지 저장 시스템을 온보드에 장착하여 열로 낭비될 에너지를 일부 회수할 수 있는 조차 기관차가 제공된다. 예를 들어 그린 고트 모델은 캐나디안 퍼시픽 철도, BNSF 철도, 캔자스시티 서던 철도 및 유니언 퍼시픽 철도에서 사용되고 있다.

AC 인버터가 장착된 최신 여객 기관차가 충분한 객차 전원 공급 장치 (HEP) 부하를 가진 열차를 견인할 때, 전철화 시스템이 수용적이지 않거나 심지어 선로가 처음부터 전철화되지 않은 경우에도 제동 에너지를 회생 제동을 통해 열차의 온보드 시스템에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있다. 최신 여객 열차의 HEP 부하는 매우 커서 ALP-46과 같은 일부 신형 전기 기관차는 전통적인 저항 그리드 없이 설계되었다.

블렌디드 제동
섬네일|오른쪽|175px|2006년 런던 블랙프라이어스 역에 정차한 코넥스 사우스 이스턴 클래스 466 EMU. 동적 블렌디드 제동이 장착되었다.

동적 제동만으로는 기관차를 멈추기에 충분하지 않다. 왜냐하면 약  이하로 속도가 떨어지면 제동 효과가 급격히 감소하기 때문이다. 따라서 항상 공기 제동과 같은 다른 형태의 제동과 함께 사용된다. 두 가지 제동 시스템을 동시에 사용하는 것을 블렌디드 제동이라고 한다. 리튬 이온 전지는 열차를 완전히 정지시키는 데 사용할 에너지를 저장하는 데에도 사용되었다.

블렌디드 제동은 동적 제동과 공기 제동을 모두 결합하지만, 결과적인 제동력은 공기 제동만으로 제공되는 것과 동일하게 설계된다. 이는 동적 제동 부분을 최대화하고 공기 제동 부분을 자동으로 조절함으로써 달성된다. 왜냐하면 동적 제동의 주요 목적은 필요한 공기 제동의 양을 줄이는 것이기 때문이다. 이는 공기를 절약하고 과열된 바퀴의 위험을 최소화한다. 한 기관차 제조업체인 일렉트로 모티브 디젤(EMD)은 블렌디드 제동 동안 동적 제동이 제동력의 50%에서 70%를 제공한다고 추정한다.

플러그 제동
세 번째 전기 제동 방법은 플러그 제동 또는 '플러깅'으로, 짧은 시간 동안 역방향 토크를 가하는 방식이다. 이는 전기 제동 중 가장 빠른 형태이지만, 모터와 기계 부품에 상당한 과도 응력을 가하는 단점이 있다. 일반적으로 갑작스럽고 '울컥거리는' 현상이 발생하며, 앞으로의 움직임에서 '조그'와 유사한 제동 효과를 낸다. 플러그 제동은 전기 견인 응용에는 사용되지 않는다. 그럼에도 불구하고 직류 및 교류 전원 오버헤드 트래블링 크레인의 장거리 및 횡단 이동 드라이브와 같은 응용 분야에 널리 적용되었다. 이러한 크레인의 호이스트 드라이브는 일반적으로 레오스태틱 제동을 사용한다. (의도적인) 플러그 제동을 사용하는 역전 드라이브는 일반적으로 가속을 위해 레오스태틱 제어를 사용하며, 플러그 제동이 적용될 때 역방향(제동) 토크를 제한하기 위해 항상 모터 회로에 저항을 포함한다. 플러깅은 일반적으로 컨트롤러를 짧게 반대 방향의 첫 번째 단계로 이동한 다음 꺼짐 위치로 되돌려서 이루어진다. 제로 속도에 도달하면 드라이브가 역회전하는 것을 방지하기 위해 플러깅을 중단해야 하며, 이 기능은 '플러깅 릴레이'에 의해 자동으로 제공될 수 있다. 플러깅은 인버터 제어 드라이브와 잘 맞지 않으며, 점점 덜 일반적이 되고 있으며, 최신 크레인 작동에서는 적극적으로 권장되지 않는다.

자체 부하 테스트
브레이크 그리드를 동력계 또는 부하 뱅크의 형태로 사용하여 기관차의 전력 출력을 자체 부하 테스트할 수 있다. 기관차가 정지된 상태에서 주 발전기(MG) 출력은 견인 모터 대신 그리드에 연결된다. 그리드는 일반적으로 엔진의 전체 전력 출력을 흡수할 만큼 충분히 크며, 이는 MG 전압 및 전류 출력으로 계산된다.

유체 제동
유압 변속기가 장착된 디젤 기관차에는 유체 제동 장치가 장착될 수 있다. 이 경우 토크 컨버터 또는 유체 커플링은 감속기 역할을 하며 수력 브레이크와 동일한 방식으로 작동한다. 제동 에너지는 유압유를 가열하고, 열은 (열교환기를 통해) 엔진 냉각 라디에이터에 의해 소산된다. 제동 중에는 엔진이 공회전(열을 거의 생성하지 않음)하므로 라디에이터는 과부하되지 않는다.

 같이 보기 
 역압 브레이크
 감속기 (기계공학)
 와전류제동

 각주 

 외부 링크 

 블렌디드 제동 
 회생 제동으로 친환경성 강화 , 레일웨이 가제트 인터내셔널 2007년 7월