전기 기계 계전기와 접촉기 비교: 응용 제품에 맞게 유형을 선택하는 방법

대부분의 응용 제품은 높은 열분리 상태로 회로를 전환하거나 낮은 전력 제어 신호로 높은 전압과 전류를 전환할 수 있어야 합니다. 하지만 반도체 기반 솔루션이 적합하지 않은 경우도 있습니다. 이 경우 설계자는 전기 기계 계전기와 접촉기 중에서 선택하고 올바른 적용 방법을 알고 있어야 합니다.

전기 기계 계전기는 단 몇 볼트의 제어 신호로 상대적으로 높은 전류를 전환할 수 있으며, 제어 신호와 전환된 전력 간에 우수한 전압 분리를 제공합니다. 하지만 전류 부하가 많고 스위칭 전압도 매우 높기 때문에 스테로이드 기반 전기 기계 계전기인 접촉기가 필요합니다. 대부분의 설계 엔지니어는 리드 계전기부터 고강도 계전기까지 다양한 유형의 계전기에 익숙하지만, 산업용 전력 업계 외부의 엔지니어는 고전압 회로와 매우 높은 부하를 전환할 때 널리 사용되는 접촉기에 대해 알고 있는 경우가 드뭅니다.

이 문서에서는 계전기와 접촉기의 차이점과 각 유형에 가장 적합한 응용 분야에 대해 설명합니다. 또한 다양한 계전기 및 접촉기 솔루션에 대해 소개하고, 각 유형을 사용하는 데 유용한 설계 팁을 제공합니다.

계전기와 접촉기 비교

계전기와 접촉기 모두 전자기 솔레노이드를 사용하여 하나 이상의 접점 쌍을 작동하는 전기 기계 장치입니다. 단극 계전기 또는 접촉기에는 한 쌍의 접점이 있습니다. 쌍극 계전기와 접촉기도 있으며 접점 수가 매우 많을 수 있습니다. 접점은 상시 개방되거나 상시 폐쇄될 수 있습니다. 일부 계전기와 접촉기는 상시개접점과 상시폐접점을 결합하는 쌍투 접점을 가집니다.

계전기는 상대적으로 낮은 전압에서 저전류 부하와 중전류 부하를 전환하는 데 적합하며, PCB에 납땜하도록 설계된 플러그인 및 기판 실장 버전을 비롯한 다양한 폼 팩터에서 사용할 수 있습니다. 접촉기는 고전류 및 고전압 부하에 사용하도록 설계되었습니다.

어떤 유형의 계전기와 접촉을 선택하는가의 문제는 주로 전환 중인 부하의 유형에 따라 달라집니다. 다음은 다양한 유형의 부하와 이러한 부하를 처리하는 데 유용한 팁을 요약한 내용입니다.

• 저항 부하 - 전력이 처음 공급될 때 전류 서지가 발생하지 않습니다. 저항 부하의 가장 일반적인 예로는 간단한 히터가 있습니다. 지정된 전류 소모가 10A인 경우 10A 계전기로 안전하게 전환할 수 있습니다. 실제 환경에서는 순수 저항 부하가 거의 없습니다. 대부분의 부하는 두 가지 이상의 부하 유형이 결합됩니다.
• 램프 부하 - 전력이 처음 공급될 때 높은 전류를 소모합니다. 백열 전구 필라멘트는 온도 계수가 높습니다. 냉각 상태에서는 필라멘트 저항이 뜨거운 램프 저항의 5%에 불과하여 램프가 과열된 이후에 비해 냉각 상태에서는 20배 더 많은 전류를 소모할 수 있습니다. 75W 백열 전구는 정상 작동 중에 0.5A보다 약간 높은 전류를 소모하지만, 처음 켤 때는 냉각 상태인 필라멘트에서 13A의 유입 전류를 소모합니다. 이 전류 서지는 약 0.1초 동안만 지속되지만, 백열 전구 부하를 구동하는 계전기 접점에서는 고 유입 전류를 처리해야 합니다.
• 모터 부하 - 역시 전력이 처음 공급될 때 높은 전류를 소모합니다. 단상 110V AC, 1/3마력 동기식 모터는 일반적으로 4A보다 약간 더 높은 전류를 소모합니다. 시동 시나 구속 회전자를 사용할 경우 동일한 모터가 24A 이상의 전류를 소모할 수 있습니다. 기계 부하가 모터에서 해제되어 무부하로 실행될 경우 모터에서 6A를 소모할 수 있습니다.
• 정전 용량 부하 - 커패시터에서 정전압을 유지하려고 하므로 전원을 켤 때 고전류 서지가 발생합니다. 전압을 비전하 커패시터로 전환하는 것은 단락 회로를 잠깐 구동하는 것과 같습니다. 전원을 켤 때 이러한 높은 전류로 인해 계전기 접점이 용접되어 차단될 수 있습니다. 일반적인 정전 용량 부하는 DC 전원 공급 장치 출력과 기타 필터링된 전원을 포함합니다.
• 유도성 부하 - 전력이 공급될 때 부하 전류가 느리게 상승하므로 부드럽게 켜집니다. 하지만 인덕터에서 항상 정전류를 유지하려고 하므로 부하가 꺼진 상태에서 계전기 접점을 통해 유도성 전압 스파이크가 발생합니다. 유도된 전압 스파이크가 커서 계전기 접점을 통해 아크 현상이 발생할 수 있습니다. 그러면 전원을 껐다가 켤 때마다 접촉 표면이 녹아서 파이게 되므로 접점의 성능이 저하됩니다. 따라서 아크 현상을 방지하기 위해 일부 계전기에는 코일을 따라 다이오드 진공 제어장치가 통합되어 있습니다. 높은 유도 용량 부하에는 솔레노이드 액추에이터, 전동 밸브, 계전기 등과 같은 유형이 있습니다.

계전기 세부 사항

중요 계전기 사양으로는 코일 전압, AC 또는 DC 코일 작동, 접점 정격 전류 및 구성(상시개접점, 상시폐접점, 다극), 접점 수, 작동/릴리스 시간 등이 있습니다. 계전기가 안정적으로 작동하려면 지나치게 낮은 전류 전환을 방지해야 합니다. 계전기 접점이 제대로 작동하려면 어느 정도의 지정된 최소 전류 전환이 필요하며 이 전류는 계전기 접점에 축적될 수 있는 트레이스 오염 물질을 연소시키므로 와이핑 전류라고도 합니다.

안정적으로 전환될 수 있는 계전기 전류의 하한값은 접점 소재, 접점 기하 구조, 접촉 표면의 기계적 슬라이딩 등과 같은 다양한 요소에 따라 달라집니다. 이러한 모든 요소가 계전기의 최소 스위칭 전류 사양에 포함됩니다. 금도금 접점을 가진 계전기와 두 갈래(분할) 접점을 가진 계전기는 최소 10mA 전류를 안정적으로 전환할 수 있습니다.

리드 계전기와 수은 습식 리드 계전기는 낮은 수준의 스위칭 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, TE Connectivity Potter and Brumfield Relays의 JWD 및 JWS 리드 계전기는 5~24V DC의 폭넓은 코일 전압 범위와 다양한 단극 및 이중 극 구성으로 사용할 수 있습니다.

가령, TE Connectivity의 JWD-171-10 리드 계전기에는 일체형 다이오드 진공 제어장치를 포함한 24V 코일과 20V에서 최대 500mA 전류를 전환할 수 있는 등급의 상시 개방 접점 1개가 있습니다. JWD 계열 리드 계전기는 회로 기판에 실장하도록 설계되었으며, 핀 수가 8개 밖에 없지만(그림 1) 실장 면적이 14핀 DIP 집적 회로와 동일합니다.

그림 1: TE Connectivity Potter and Brumfield Relays의 JWD 계열 리드 계전기(14핀 DIP 실장 면적)는 다양한 코일 전압 및 접점 구성으로 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity Potter and Brumfield Relays)

리드 계전기는 일반적으로 고부하 전환용으로 분류되지 않으므로 더 높은 전류 접점을 수용하기 위해 물리적으로 더 큰 패키지가 필요합니다. 예를 들어, Omron Electronic Components의 G2R-1-DC24 범용 계전기는 24V에서 10A를 전환하도록 등급이 지정되었습니다. 또한 24V DC 코일 및 단극 쌍투 접점 배열을 가집니다. 이 계전기는 TE Connectivity의 JWD 계열 리드 계전기보다 다소 크지만, 인쇄 회로 기판에 실장하도록 설계되었습니다(그림 2).

그림 2: Omron Electronics의 PC 기판 실장형 G2R-1-DC24 범용 계전기는 24V에서 10A를 전환하도록 등급이 지정되었습니다. (이미지 출처: Omron Electronics)

또한 Omron은 소켓형 플러그인 응용 제품용으로 설계된 유사한 G2R-1-SND-DC24(S) 계전기를 제공합니다. DIN 레일, 패널 실장 및 스루홀 회로 기판 실장과 호환되는 버전으로 이 계전기 스타일과 일치하는 여러 컴패니언 소켓이 있습니다.

접촉기 세부 정보

접촉기는 계전기에 상응하는 고강도 산업용 기기이며 공장 및 산업 응용 분야의 표준 부품입니다. 접촉기는 계전기보다 더 견고하며 일반적으로 표준 DIN 레일에 쉽게 실장하도록 설계되었습니다. 일부 접촉기에는 평평한 표면에 볼트로 직접 고정할 수 있도록 추가 마운트 홈이 있습니다. 이러한 접촉기는 분수형 및 다중 마력, 다중 위상 모터, 대형 열부하, 산업/상업용 조명 등과 같은 높은 부하를 전환하도록 설계됩니다. 결과적으로 접촉기는 대형 고전류 전선을 수용하도록 설계됩니다.

계전기 코일과 마찬가지로 접촉기 코일은 AC 또는 DC 사양으로 제공됩니다. 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)에 의해 구동되도록 설계된 접촉기에는 보통 24V DC 솔레노이드 코일이 있지만, AC 선간 전압용 코일 구동 정격도 일반적입니다.

계전기와 마찬가지로 접촉기의 전자기 솔레노이드 코일은 액추에이터 또는 플런저를 자기적으로 끌어당겨서 한 쌍 이상의 접촉기 고강도 전기 접점을 물리적으로 연결합니다. 계전기와 달리 접촉기는 모듈식으로 조립되므로 솔레노이드 코일을 변경하여 전압을 손쉽게 변경할 수 있습니다. 계전기는 일반적으로 모듈식으로 제작되지 않으므로 계전기의 구성을 변경하려면 일반적으로 전체 계전기를 교체해야 합니다. 접촉기는 모듈식 구조로 제작되어 사용자가 작동 접점의 배열을 수정할 수 있습니다.

접촉기에는 보통 여러 접점 세트가 있습니다. 고전류 접점만 통합된 접촉기도 있지만, 접촉기에서 각각 전력과 신호 회로를 동시에 전환하는 데 사용되는 고전류 접점과 저전류 접점을 혼합할 수 있습니다. 저전류 접점을 보조 접점이라고도 합니다. 두 접점 유형의 차이점은 고전류 접점이 더 높은 부하 전류를 공급하기 위해 저전류 접점보다 더 크다는 것입니다. 3상 모터를 구동하도록 설계된 접촉기에는 모터 전력을 공급하는 고전류 접점 3개와 모터의 작동 상태 신호를 보내는 보조 접점 1개가 있을 수 있습니다.

예를 들어, Omron Automation & Safety의 J7KNA-AR-31 24VS 접촉기에는 24V DC 솔레노이드 코일 1개와 4극 단투 접점 배열 1개가 있습니다(그림 3). 접점의 정격 전류는 10A이고 최대 스위칭 전압은 600V AC입니다. Omron의 J7KNA-AR 계열은 모듈식이므로 코일 전압, 접점 배열(4, 6 및 8극 버전 사용 가능), 실장 방법을 비롯한 다양한 옵션을 지정할 수 있습니다.

그림 3: Omron Automation and Safety의 J7KNA-AR-31 24VS 접촉기에는 24V DC 솔레노이드 코일 1개와 4극 단투 접점 배열 1개가 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation and Safety)

기계적으로, 접촉기는 시간이 흐름에 따라 진화를 거듭하여 이제 접촉기를 기계적으로 조합하여 다양한 방식으로 동시에 작동하거나, 접촉기가 작동 중일 때 인접한 접촉기가 작동하지 않도록 기계적으로 차단할 수도 있습니다.

접촉기는 고전류, 고전압을 처리하므로 절대적으로 필요한 것보다 더 높은 전류 용량을 가진 접촉기를 지정하면 접촉기의 사용 수명을 연장할 수 있습니다. 접점이 클수록 더 거대한 구조와 두꺼운 도금으로 인해 작동 흔적이 많이 남지 않습니다.

TE Connectivity Aerospace Defense and Marine의 EV200AAANA는 고전류 접촉기의 한 예입니다. 이 접촉기는 900V 부하를 전환하고 500A를 전달하거나, 주 전력 접점을 통해 320V DC에서 2,000A 부하 전류를 차단할 수 있습니다. 보조 접점 세트에는 30V DC에서 2A 또는 125V AC에서 3A 전류가 흐를 수 있습니다. EV200AAANA 접촉기에는 12V DC 솔레노이드 코일이 있습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 이 접촉기에는 밀폐형 비모듈식 설계가 사용됩니다. 이 접촉기의 일반 응용 분야로는 배터리 교환 및 백업, DC 전력 제어, 회로 보호 등이 있습니다.

그림 4: TE Connectivity의 EV200AAANA 밀폐형 비모듈식 접촉기는 12V 제어 입력으로 500A를 전환할 수 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

또한 특정 응용 분야에는 특수 접촉기를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 많은 산업용 및 상업용 접촉기 응용 분야에서는 일반 접촉기의 접점을 용접할 수 있는 고 유입 전류를 가진 조명 부하를 전환해야 합니다. 그런 고 유입 요구 사항의 부하로는 금속 할로겐 조명이 있습니다. 전원 공급 장치를 전환해도 높은 초기 유입 전류를 소모하고 비슷하게 높은 정전 용량 부하를 나타냅니다. 처음에 전류를 부하에 맞게 제한하는 NTC 유입 서미스터를 통합하여 접점이 용접되지 않도록 전류 유입을 차단하는 특수 접촉기가 있습니다. 또는 접촉기 외부의 고전류 NTC 유입 서미스터를 전원 회로에 추가해도 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.

결론

계전기와 접촉기는 올바르게 지정할 경우 즉, 올바른 코일 전압(AC 및 DC)을 가져오고 접점의 크기를 올바르게 지정할 경우 전력을 전환하는 매우 효과적인 부품입니다. 계전기는 많은 폼 팩터에서 사용할 수 있는 반면, 더 표준화된 산업용 부품인 접촉기는 더 균일한 폼 팩터에서 사용할 수 있습니다. 전환하려는 부하에 따라 선택할 수 있으며 부하(저항, 정전 용량, 유도) 유형 또한 고려해야 합니다.