스마트 모터 제어기로 복원력과 가동 시간을 극대화하는 방법

차세대 인더스트리 4.0 제조, 금속 및 기본재 가공, 광물 추출 및 채굴, 식수 및 폐수처리 공장 같은 중요 인프라에서는 기계의 복원력과 가동 시간을 극대화할 수 있는 스마트 모터 제어기가 필요합니다.

이러한 응용 분야에서의 모터 제어기는 75마력(HP)에서 700HP 사이의 모터를 제어하고 보호할 수 있어야 합니다. 안정적인 운영을 지원하려면 과부하 보호, 접지 오류 보호, 위상 불균형 보호 등 포괄적인 보호 기능이 필요합니다.

또한 가시적인 표시기를 통해 접점 마모 및 코일 과전압/저전압 감지에 대한 자가 진단 기능을 포함해 예측 유지보수를 지원해야 하며, 신속한 서비스를 위한 모듈식 설계로 가동 시간을 극대화할 수 있어야 합니다. 전기 장비가 손상 없이 고전류를 견딜 수 있고 안전한지 확인하기 위해서는 미국 전기 규정(NEC), UL 및 국제 전자기술 위원회(IEC)의 단락 전류 정격(SCCR)을 준수해야 합니다.

또한 이러한 모터 제어기는 모터 보호 스위칭 장치(MPSD), 순간 전용 모터 보호 스위칭 장치(IMPSD), 접촉기 계전기의 액추에이터 등 전기 기계 접촉기 및 스타터의 안전을 다루는 IEC 60947-4-1을 준수해야 합니다.

이 기사는 SCCR 요구 사항의 개요를 설명하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 모듈형 접촉기 및 과부하 계전기를 포함하여 Schneider Electric에서 최근에 개발한 스마트 모터 제어기 제품군에 대해 자세히 살펴보고, 보호 기능의 작동 및 자가 진단이 구현되는 방법을 자세히 살펴봅니다.

이러한 과부하 계전기가 IEC 60947-4-1의 요구 사항을 어떻게 충족하는지 살펴보고, 모듈식 설계로 예방적인 유지보수를 가속화하는 방법을 제시합니다. 마지막으로 두 개의 접촉기를 사용해 역전 조립품을 조립하여, AC 모터를 양방향으로 제어할 수 있는 방법을 살펴보는 것으로 마무리합니다.

SCCR은 전반적인 신뢰성을 높이는 데 기여하는 제어 패널을 지정할 때 필수적인 특성으로, 접촉기 및 컨덕터와 같은 전력 부품의 크기를 측정할 때 사용됩니다. IEC 60947-4-1에는 SCCR을 계산하는 세 가지 단계가 자세히 설명되어 있습니다(그림 1).

1. 각 보호 및/또는 제어 부품과 배전 시스템의 각 블록 및 요소의 SCCR을 식별합니다.
2. 각 분기 회로의 SCCR을 결정합니다. 이는 회로의 부품 값을 기반으로 합니다.
3. 전체 제어 패널의 SCCR을 결정합니다. 이는 회로의 값을 기반으로 합니다.

그림 1: SCCR 계산은 개별 부품 정격(노란색 상자)에서 시작하여, 분기 회로(빨간색 점선 상자)의 SCCR을 결정한 다음, 완성된 제어 패널(회색 직사각형)의 SCCR 요구 사항을 고려합니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

TeSys Giga 접촉기

TeSys Giga 접촉기는 3극(3P) 및 4극(4P) 구성 모두에서 115A ~ 900A의 정격으로 제공됩니다. 접촉기 측면의 표에 다양한 보호 장치 및 정격에 대한 세부 정보가 나와 있으며, 최대 100kA 및 480V 등급의 SCCR이 있습니다. 또한 4P 접촉기에는 AC-3 및 HP 모터 정격이 표시됩니다. 이 접촉기는 다음 두 가지 부하 범주에 사용할 수 있습니다.

• AC-1 - 역률이 0.95를 초과하는 AC 부하에 적용됩니다. 이러한 부하는 주로 비유도성 부하 또는 저항성 부하와 같은 약한 유도성 부하입니다. 아크가 끊어지면 아크 및 접촉 마모가 최소화됩니다.
• AC-3 - 모터가 정상적으로 작동하는 동안 파손되는 농형 모터에 적용됩니다. 닫혀 있는 경우 모터의 정격 최대 부하 전류의 최대 7배에 달하는 돌입 전류가 흐르며, 접촉기가 열리면 모터의 정격 최대 부하 전류를 차단합니다.

TeSys Giga 접촉기는 교류(AC) 또는 직류(DC) 제어 전압으로 공급될 수 있으며, 서지 억제기가 내장되어 있습니다. 접촉기에는 표준과 고급의 두 가지 버전이 있으며 표준 접촉기는 일반적인 용도로 설계되었습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• LC1G1154LSEN, AC-1 부하용 4P. 200V ~ 500V AC/DC 광대역 코일 사용 시 250A 정격
• LC1G225KUEN, AC-3 부하용 3P. 100V ~ 250V AC/DC 코일 사용 시 225A 정격

고급 TeSys Giga 접촉기는 더 다양한 코일 전압 선택, 더 낮은 코일 전력 소비, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 입력, 케이블이나 버스바 연결을 제거하지 않고도 유지보수가 가능한 케이블 설계 등의 추가 기능을 갖추고 있습니다.

고급 모델은 다음 섹션에서 살펴볼 원격 마모 진단(RWD) 모듈(선택 사항)과도 호환됩니다. 고급 접촉기의 예는 다음과 같습니다.

• LC1G115BEEA, AC-3 부하용 3P. 24V ~ 48V AC/DC 코일 사용 시 115A 정격
• LC1G800EHEA, AC-3 부하용 3P. 48V ~ 130V AC/DC 코일 사용 시 800A 정격

모든 TeSys Giga 접촉기에는 전면 패널에 고장 상태를 신속하게 평가할 수 있는 진단 LED가 있습니다(그림 4).

그림 2: 장치 상단 중앙에 진단 LED를 갖춘 통상적인 TeSys Giga 접촉기. (이미지 출처: DigiKey)

TeSys Giga 접촉기에는 다음과 같은 여러 가지 통합 진단 기능이 있어 안정성을 개선하고 예방적 유지보수를 지원합니다

접점 마모 진단 및 RWD

접점은 전원 회로에서 전류를 차단할 때마다 마모가 발생하며 접점에 장애가 발생하면 모터 제어 기능이 손실됩니다. TeSys Giga 컨트롤러의 접점 마모 알고리즘은 접점의 남은 사용 수명을 지속적으로 계산합니다. 잔여 수명이 15% 미만이면 경고가 발생하여, 예방적 유지보수를 예약할 수 있습니다.

• 접촉기 전면의 진단 LED에 로컬 경고가 표시됩니다.
• 고급 접촉기와 함께 RWD 모듈을 사용할 수도 있습니다(선택 사항).

제어 전압 진단

제어 전압은 저전압 및 과전압 상태를 모니터링합니다. 진단 표시는 원격 장치 관리(RDM) 모듈(선택 사항)을 사용하는, 부품 번호가 LSEMC로 끝나는 장치에서 원격으로 사용할 수 있습니다. 저전압은 공급 전압이 최소 사양의 80% 미만이고 과전압은 최대 사양의 110%를 초과하는 것으로 정의됩니다.

내부 기능 진단

진단 LED가 계속 깜박이는 것은 제어 회로에 내부에 오작동이 있음을 의미합니다.

모터 보호 스위칭 장치

TeSys Giga 접촉기와 같은 스마트 모터 제어기는 인더스트리 4.0 설비의 중요한 부분입니다. 생산성과 가용성을 극대화하기 위해 MPSD를 사용할지 여부도 중요한 고려 사항입니다.

IEC 60947-4-1에서, MPSD는 과부하 상태로부터 모터를 보호하기 위해 지연이 있도록 설계된 장치를 말합니다. 두 번째 유형의 장치인 IMPSD는 과부하가 감지되면 즉시 작동하는 특정 유형의 MPSD입니다. IMPSD는 일반적으로 AC 모터 보호와 관련이 없습니다.

응용 제품에 따라 모터 시동은 몇 초 또는 수십 초가 걸릴 수 있습니다. 불필요한 트립을 방지하면서 안전에 대한 응용 제품 요구 사항을 충족하도록 MPSD를 지정해야 합니다.

특정 응용 제품의 요구 사항을 충족하기 위해, IEC 60947-4-1은 여러 클래스의 과부하 계전기를 정의합니다. 트립 클래스는 과부하가 발생했을 때 계전기가 열리는 데 걸리는 최대 시간을 나타냅니다.

북미와 IEC 트립 클래스 간에도 차이가 있습니다. 예를 들어, 클래스 10은 과부하 전류 설정의 600%를 감지한 후 4초 ~ 10초 이내에 과부하를 트립하는 북미 트립 클래스입니다. 클래스 10A는 과부하 전류 설정의 720%를 감지한 후 2초 ~ 10초 이내에 과부하를 트립하는 IEC 트립 클래스입니다(표 1).

표 1: 정격 전류(Ir)를 기준으로 한 열 과부하 계전기 등급의 예입니다. (표 출처: Schneider Electric)

트립 클래스 10A 및 10은 일반 모터에 적합합니다. 불필요한 트립을 방지하기 위해 고강도 모터에는 클래스 20이 권장됩니다. 클래스 30은 매우 긴 시동 모터에 사용됩니다.

TeSys Giga 과부하 계전기

TeSys Giga 열 과부하 계전기는 유연성이 뛰어나며, AC 모터용으로 설계되었습니다. 접지 고장 보호, 위상 불균형 보호 및 트립 클래스(5, 10, 20, 30)에 대한 설정은 전면 패널에서 구성할 수 있습니다. 전면 패널에는 알람 및 상태 LED도 있습니다. 이 제품은 조정 가능한 열과부하 보호 범위가 넓어, 4가지 중복 모델이 28A ~ 630A의 응용 제품을 지원할 수 있습니다(그림 3).

LR9G115, 28A ~ 115A로 조정 가능

LR9G225, 57A ~ 225A로 조정 가능

LR9G500, 125A ~ 500A로 조정 가능

LR9G630, 160A ~ 630A로 조정 가능

그림 3: TeSys Giga 과부하 계전기의 전면 패널에는 상태 LED와 보호 조정 기능이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

열 과부하

열과부하 보호는 단상 및 3상 비동기 모터에 사용됩니다. 열과부하 보호를 위한 전류 레벨은 사용 중인 과부하 계전기의 모델에 따라 조정될 수 있으며 트립 클래스 및 관련 지연도 조정할 수 있습니다. 열과부하 보호는 자동 또는 수동 재설정을 위해 설정될 수 있습니다.

위상 손실

위상 손실 보호는 3상 비동기 모터를 과열로부터 보호하는 데 사용됩니다. 과부하 릴레이는 각 위상에서 전류를 지속적으로 모니터링합니다. 위상 중 하나에서 전류 값이 정격 전류(Ir)의 0.1보다 낮고, 다른 위상에서 전류 값이 0.8 Ir보다 크면 4 ±1초 이내에 과부하 계전기가 트리거됩니다. 위상 손실 보호 기능은 비활성화할 수 없으며, 수동으로 재설정해야 합니다.

위상 불균형

위상 불균형은 비동기 모터의 과열을 유발합니다. 일반적인 원인으로는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 긴 메인 공급 라인
• 인커머 스위치의 접점 불량
• 불균형한 네트워크

불균형 비율이 40%를 초과하면 5 ±1초 내에 과부하 계전기가 트리거됩니다. 위상 불균형 보호는 수동으로 재설정해야 합니다.

접지 고장

접지 고장 보호는 3상 비동기 모터를 보호하는 데 사용됩니다. 접지 고장은 진동, 습기 또는 기타 요인으로 인해 부하 회로의 절연이 효과가 없을 때 발생합니다. 과부하 계전기는 접지 전류(Ig)를 모니터링합니다. Ig가 Ir의 10%를 초과하면 1 ±0.2초 내에 계전기가 작동합니다. 접지 고장 보호는 수동으로 재설정해야 합니다.

모듈성

TeSys Giga 접촉기의 모듈식 설계는 과도한 접점 마모가 발생하거나 과부하 또는 기타 비정상적인 작동 조건으로 인해 컨트롤러가 손상된 경우에 특히 유용할 수 있습니다. 또한 제어 모듈은 다양한 코일 전압에 맞도록 교체될 수 있으며, 스위칭 모듈은 마모된 극을 교체하기 위해 교체될 수도 있습니다.

케이블 메모리 기능을 옵션 키트로 구현하면 신속한 유지보수를 지원할 수 있습니다. 제어 또는 스위칭 모듈은 일단 설치되면 케이블을 제거하지 않고도 빠르게 교체할 수 있습니다.

역방향으로 진행

역방향 접촉기는 컨베이어, 엘리베이터, 포장 라인과 같은 응용 분야에서 AC 모터의 회전 방향을 변경하는 데 사용됩니다. 이는 연결의 극성을 반대로 하여 모터가 반대 방향으로 회전하도록 하는 방식으로 작동합니다.

역방향 접촉기는 기계적으로 연동되는 두 개의 표준 접촉기를 사용하여 만들 수 있습니다. 인터로크는 접촉기가 동시에 켜지는 것을 방지합니다(그림 6).

그림 4: 두 개의 TeSys Giga 접촉기가 연동되어 AC 모터용 역방향 접촉기를 구성합니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

예를 들어, 다음 부품을 사용하여 100-250V AC/DC 코일로 460V에서 200HP 정격의 역방향 접촉기를 제작할 수 있습니다(그림 6).

• LC1G265KUEN, TeSys Giga 모터 컨트롤러, 2개 필요
• DZ2FJ6, 접촉기 러그 키트
• LA9G3612, 스프레더
• LA9G3761, 리버서 바
• LA9G970, 기계적 인터로크

요약

TeSys Giga 접촉기와 과부하 계전기는 다양한 응용 분야에서 복원력과 가동 시간을 극대화할 수 있는 매우 다기능적인 장치입니다. 접촉기의 정격은 3P 및 4P 구성에서 115A ~ 900A입니다. 최대 100kA 480V의 SCCR을 지원하며, 모듈식 설계로 유지보수 속도가 빠릅니다.

프로그래밍 가능한 과부하 계전기는 작동 전류 범위가 넓으므로, 적은 수의 장치로도 많은 응용 제품의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 마지막으로, 기계식 인터로크 시스템으로 두 개의 TeSys Giga 접촉기를 연결하면 양방향 모션 제어를 실현할 수 있습니다.