고강도 3상 AC 모터를 위한 전기 기계 모터 선택 및 적용 방법

작은 전압 신호를 사용하여 상대적으로 높은 전압 및 전류를 분리 전환하는 엔지니어는 일반적으로 계전기를 사용합니다. 기존 저전압 스위치는 고전압 전원 공급 장치를 켜기 위해 계전기를 작동합니다. 전기 기계 계전기(EMR)는 저렴하며 상대적으로 높은 전압을 처리할 수 있는 반면, 무접점 계전기(SSR)는 접촉 마모와 아크 현상을 제거합니다.

하지만 수백 볼트 전압과 수십 암페어 전류 또는 그 이상을 빈번하게 전환할 경우 두 유형 모두 어려움이 있습니다. 높은 부하에서 아크 현상은 EMR 접점을 마모시키고 SSR의 누설 전류는 과열을 일으킵니다. 설계자는 수요가 많은 이러한 응용 분야를 위한 대체 옵션이 필요합니다.

익숙하지는 않지만 전기 기계 접촉기(EMC)가 계전기를 강력하게 대체할 수 있습니다. 이 장치는 검증된 기술을 사용하며 신뢰할 수 있는 많은 제조업체에서 쉽게 구입이 가능합니다. 수십 가지 옵션이 있으므로 EMC 작동에 대해 자세히 알지 못한다면 선택하는 데 어려움이 있습니다.

이 기사에서는 EMR과 접촉기의 차이점과 접촉기의 작동 방법을 간략하게 설명한 다음, 성공적인 설계를 위한 첫 번째 단계로 주어진 응용 분야가 제품 선택에 미치는 영향을 중점적으로 살펴봅니다. IE3 전기 모터 구현에 사용되는 Siemens SIRIUS 3RT 계열 전력 접촉기를 기준으로 설계 선택을 보여줍니다.

전기 기계 계전기와 접촉기의 차이점

스위치를 사용하여 대형 3상 모터와 같은 고전력 장치를 켜고 끄는 것은 비현실적입니다. 닫힐 때 최대 회로 전류에 노출되기 때문입니다. 스위치는 누를 때 위험하게 아크가 발생하고 작동 중에 과열됩니다. 이에 대한 해결책은 일반적인 스위치로 켜고 끌 수 있는 저전력 회로를 사용하여 고전력 회로를 트리거하는 것입니다. 이것이 EMR이 추구하는 목적입니다.

EMR은 저전력 회로에 의해 동력이 공급되는 코일을 사용하여 자기장을 생성하며 이러한 자기장으로 인해 움직이는 코어에 임펄스가 공급되어 접점이 열리거나 닫힙니다(상시 폐쇄(NC) 또는 상시 개방(NO)). EMR은 최대 정격까지 AC 또는 DC 부하를 전환할 수 있습니다. EMR의 주요 이점은 장치의 유전체 정격보다 낮은 어떠한 인가 전압에서도 낮은 비용과 확실한 분리를 제공한다는 것입니다. ("특수 저잡음 무접점 계전기를 사용하여 EMI를 제한하고 중요 표준을 충족하는 방법" 참조)

하지만 EMR이 처리할 수 있는 전력에 제한이 있습니다. 예를 들어 부하가 몇 킬로와트(kW) 이상의 전력을 발생하는 3상 모터인 경우 EMR을 스위치로 사용하면 과도한 아크 현상이 발생하여 계전기가 빠르게 마모됩니다. 대안은 계전기에 상응하는 튼튼하고 견고한 산업용 장치인 EMC로서, 높은 부하를 수천만 주기 이상 안정적으로 전환하도록 설계되었습니다(그림 1).

그림 1: 전기 기계 접촉기는 고강도 스위칭 응용 분야에서 계전기를 대체합니다. (이미지 출처: Siemens)

EMC는 많은 전류를 소비하는 장치에 안전하게 연결될 수 있으며, 일반적으로 고부하 상태에서 전환할 때 생성되는 아크를 제어 및 억제할 수 있도록 설계되었습니다. 이 장치에서는 계전기와 동일한 전원 인가 코일/움직이는 코어 활성화를 사용하며, NC 접점을 사용할 수 있지만 거의 대부분 NO 접점만 장착되어 있습니다. NO 접점의 경우 EMC에 대한 전력이 차단되면 접점이 개방되어 전류 소모량이 높은 장치에 대한 전류 공급이 차단됩니다. 이 장치는 '극'이라고 하는 접점을 하나 또는 여러 쌍 지원합니다.

EMC 선택

EMR에 비해 EMC를 선택하는 것은 상대적으로 간단합니다. EMC는 더 고가이지만 고부하 응용 분야에 사용할 수 있는 유일한 옵션입니다. EMC가 필요한 경우 업무에 가장 적합한 EMC를 선택하는 것은 더 어렵습니다. 먼저 응용 분야의 작동 전압에서 피크 부하 전류(최대 부하 전류(FLA)라고도 함) 요구 사항을 결정하는 것이 좋습니다. 그런 다음 필요한 접촉기의 전류 부하 용량을 결정합니다.

예를 들어 3상 모터의 경우 일반적으로 제조업체의 규격서에 작동 전압과 FLA가 지정되어 있습니다. 하지만 해당 정보를 사용할 수 없는 경우 엔지니어는 다양한 공칭 전력 및 입력 전압 3상 모터에 대한 FLA를 자세히 규정하는 미국 국가전기코드(NEC) 차트와 같은 관련 자료를 참조할 수 있습니다. 모터는 국제 전자기술 위원회(IEC) 모터 분류에 따라 분류됩니다. 예를 들어 작동 전압이 110V인 375W 3상 모터의 FLA는 4.4A이고, 작동 전압이 220V인 1.1kW 모터의 FLA는 6A입니다.

그런 다음 엔지니어는 EMC에 필요한 제어 전압을 결정해야 합니다. 이 전압은 연결된 모터를 구동하는 데 사용된 것과 동일한 전압이지만, 안전상의 이유로 더 낮은 전압이 사용되는 경우도 있습니다. 일반적으로 EMC 제어 전압은 항상 250V AC 이하입니다.

그런 다음 응용 분야에서 모터를 사용하는 방법을 고려해야 합니다. 예를 들어 두 응용 분야에서 동일한 사양의 3상 모터를 사용할 수 있습니다. 하지만 모터를 켜거나 끈 상태로 장시간 유지해야 하는 응용 분야에서는 자주 켜고 끄는 응용 분야와 다른 EMC가 필요합니다. 후자의 경우 반복 전류 부하가 적용되므로 더 강력한 제품이 필요합니다.

IEC 활용 범주 또는 '코드'는 주어진 응용 분야에 적합한 EMC를 선택하는 데 유용한 가이드입니다. 예를 들어 EMC가 "AC-3"로 코딩된 경우 모터를 주기적으로 켜고 끄는 응용 분야의 ‘농형’ 전기 모터(전기 유도 모터의 일반적인 유형)에 적합하고, "AC-20"은 제로 전류 상태에서 부하를 연결 및 연결 해제하는 데 적합합니다. 잘못 지정된 IEC 코딩 EMC가 주어진 응용 분야에서 작동할 수도 있지만 올바르게 코딩된 EMC보다 수명이 훨씬 단축될 수 있습니다.

IEC 코드는 부하 종류(저항 또는 유도)를 고려하는 데에도 유용하며, EMC를 선택하는 데에도 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 전기 모터는 유도 부하이지만, 히터는 저항성 부하를 제공합니다.

또한 단일 EMC에 필요한 극 수와 NO 또는 NC 여부를 고려해야 합니다. 예를 들어 응용 분야에서 전기 모터의 각 위상에 대해 NO 접촉기를 사용하는 세 개의 극이 필요하고, 모터를 나타내는 LED를 켜기 위한 추가 NC 쌍은 전력을 소비하지만 회전하지 않습니다.

또한 EMC는 상대적으로 높은 전압 및 전류를 전달하므로 장치의 분리 정격이 응용 분야의 모든 안전 기준을 충족하는지 확인해야 합니다.

생성되는 전력의 상당 부분이 모터에서 소비되므로 미국과 유럽 연합에서는 모터가 최대한 효과적으로 작동하도록 보장하기 위해 법률을 제정했습니다. 유럽 연합의 에너지 효율성 레벨은 국제 에너지(IE) 효율성 등급으로 표시됩니다(그림 2). 전류 규정에 따라 모터는 정격 전력과 기타 특성에 따라 IE2(높은 효율), IE3(프리미엄 효율) 또는 IE4(슈퍼 프리미엄 효율) 레벨에 도달해야 합니다. EMC는 전기 모터 효율에 영향을 주므로 제어 시스템을 유럽 연합에서 사용하려면 적절한 IE 효율 등급으로 설계해야 합니다. 미국에서 모터는 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) 프리미엄 효율성 프로그램을 준수해야 합니다. 이 프로그램에서는 IE3에 지정된 것과 같은 표준을 준수하도록 요구합니다. 오스트레일리아의 요구 사항은 미국과 비슷합니다.

그림 2: 전기 모터에 대한 IE 효율성 요구 사항은 저전력 모터에 대한 효율성이 얼마나 개선되었는지 보여줍니다. IE1 및 IE2 모터는 미국 및 E.U. 규정에서 더 이상 허용되지 않습니다. (이미지 출처: Siemens)

상업용 제품

거의 모든 고부하 응용 분야에 사용 가능한 다양한 고품질 EMC가 있습니다. 예를 들어 Siemens Sirius 3RT2 범위 EMC는 전기 모터 스위칭 및 기타 응용 분야를 위한 최신 제품의 기능을 보여줍니다. 이 장치는 높은 작동 신뢰성, 높은 접촉 신뢰성, 높은 작동 온도, 높은 사용 수명을 충족하도록 설계되었습니다. 이 전력 접촉기는 부하 경감 없이 최대 60°C에서 사용 가능하며, 이는 나란히 실장된 경우에도 마찬가지입니다. 이 범위에는 AC-1(비유도 또는 약유도 부하, 예: 히터), AC-3(자주 켜고 끄는 농형 전기 모터) 및 AC-4(농형 전기 모터: 시동, 연결, 인치) 작업용으로 분류된 EMC가 포함됩니다. 모든 SIRIUS 3RT2 제품은 IE3 및 IE4 모터 작업용으로 설계되었습니다.

SIRIUS 3RT2 범위의 3RT20152AP611AA0은 S00 크기 접촉기가 있는 NO 3극 EMC이며 AC-3 응용 분야에 사용하도록 코딩되었습니다. 제어 공급 전압은 220VAC ~ 240VAC입니다. 이 장치는 400V 또는 690V 출력 전압을 지원하며, 최대 전류는 400V에서 7A 또는 690V에서 4.9A이고 공칭 최대 전력은 400V에서 3kW 또는 690V에서 4kW입니다. 접점은 35ms 이내에 닫히고 14ms 이내에 열립니다.  시간당 750주기의 부하에서 최대 스위칭 주파수를 제공합니다. 사용 수명은 3000만 주기이며 고장률은 1/100,000,000입니다. 이 EMC를 사용할 경우 연결된 3상 모터의 FLA는 4.8A(480V 정격 모터) 및 6.1A(600V 정격 모터)이며, 이는 2.2kW(480V) 또는 3.7kW(600V) 모터를 구동하는 데 충분합니다(그림 3).

그림 3: 3RT20152AP611AA0 EMR은 세 개의 NO 극을 지원하므로 3상 모터를 켜고 끄는 데 적합하도록 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

SIRIUS 범위의 반대쪽에는 3RT20261AP60이 있습니다. 이 제품 또한 NO 3극 EMC이고 AC-3 응용 분야에 사용하도록 코딩되어 있지만 S0 크기 접촉기를 포함합니다. 제어 공급 전압은 220VAC ~ 240VAC입니다. 이 장치는 400V 또는 690V 출력 전압을 지원하며, 최대 전류는 400V에서 25A 또는 690V에서 13A이고 공칭 최대 전력은 두 출력 전압 모두에서 11kW입니다. 연결된 3상 모터의 FLA는 21A(480V 정격 모터) 및 22A(600V 정격 모터)이며, 이는 11.2kW(480V) 또는 14.9kW(600V) 모터를 구동하는 데 충분합니다.

Siemens SIRIUS 3RT2 EMC는 다양한 응용 분야에 적합하지만 IE3 또는 NEMA 프리미엄 효율성 준수 모터 스위칭에 최적화되었습니다. 이 규정 준수 부품은 모터 제어 시스템의 효율적인 부품으로 EMC가 필요합니다. 이 요구 사항을 충족하기 위해 EMC는 코일 전력 소비를 줄이고 전자 코일 제어를 위한 영구 자석과 같은 기능을 지원하도록 설계되었습니다. 그러면 접촉기를 닫힌 상태로 유지하는 데 사용되는 유지 전력을 최소한으로 줄일 수 있습니다. EMC의 고유 전력 손실을 이전 장치에 비해 92% 줄였습니다.

예를 들어 EMC의 출력 전압에 따라 2.2kW ~ 7.5kW 3상 모터를 전환할 수 있는 3RT20171BB41 전력 접촉기는 전기 모터에 최대 전력을 공급할 때 극당 1.2와트 손실(총 3.6와트 손실)을 지원합니다.

EMC를 사용하여 IE3 모터 시동

모터 구동렬은 안전하고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 여러 부품으로 구성됩니다. 예를 들어 포괄적인 설정은 다음과 같은 부품으로 구성됩니다.

• 보호 장치(예: 모터 보호기 시험용 키트 및/또는 과부하 계전기)
• 시동 장치(예: EMC)
• 컨트롤러(예: 모터 관리 시스템)
• 제어 장치(예: 주파수 컨버터)
• 전기 모터
• 기어 박스
• 배선
• 구동 기계

SIRIUS 3RT2 EMC는 DIN 레일(또는 나사로 고정)에 다른 부품과 함께 실장되는 모듈식 장치로 설계되었습니다. EMC는 자매 모듈과 함께 실장되어 원하는 모터 구동렬 제어 섹션을 구축하도록 설계되었습니다(그림 4). 모듈식 설계는 캐비닛에 필요한 배선의 양의 제한하는 데 유용하며 스프링 부하 접점을 통해 연결되므로 특수 공구가 필요하지 않습니다.

그림 4: SIRIUS 3RT2 계열은 모터 제어 시스템을 간단히 구현하도록 해주는 모듈식 장치입니다. 여기서는 24V DC 신호로 스위칭되는 3RT20171BB41 EMR을 보호 장치 및 과부하 계전기와 함께 사용하여 컨베이어 모터를 제어합니다. (이미지 출처: Siemens)

EMC를 신중하게 선택하면 제어 시스템의 플러그 앤 플레이 요소가 됩니다. 3RT2 전력 접촉기는 1kW ~ 15kW 범위에서 IE3 전기 모터를 켜고 끄도록 최적화되었으며 DOL(direct-on-line) 및 가역성 시동 응용 분야에 대한 추가적인 제약 없이 사용할 수 있습니다. 하지만 IE3 유형보다 IE2 전기 모터에 더 친숙한 엔지니어의 경우 3RT2 EMC를 사용할 때 몇 가지 중요한 설계 고려 사항이 있습니다. IE3 모터용 제어 시스템 설계에 영향을 주는 특성으로는 낮은 정격 전류, 높은 시동 전류 비율, 높은 유입 전류가 있습니다(그림 5).

그림 5: 유입, 시동 및 정격 모터 전류는 3상 AC 모터용 EMC를 선택할 때 고려할 주요 파라미터입니다. (이미지 출처: Siemens)

IE3 전기 모터의 높은 효율성에는 낮은 정격 모터 전류가 핵심적인 역할을 합니다. 하지만 IE3는 전기 모터 출력 범위 전체에서 효율성이 선형적으로 증가하지 않습니다. 대신 IE2 유형과 비교할 때 저전력 전기 모터의 효율이 고전력 장치보다 훨씬 더 높아야 합니다(위의 그림 2 참조). 즉, 저전력 전기 모터의 경우 정격 모터 전류가 IE2 유형에 비해 훨씬 낮습니다. 작동 전압을 높여서 동일한 전력을 유지합니다.

모터의 효율성을 높이려면 정격 전류는 줄이고 시동 전류 비율(시동 전류/정격 전류)은 높입니다. IE3 모터의 시동 전류가 더 낮지만, IE2 및 IE3 등전력 모터 간 차이가 시동 전류의 경우 정격 전류만큼 뚜렷하지 않습니다. 전력 효율이 낮은 모터의 경우 전력 효율이 높은 모터보다 시동 전류 비율이 더 높습니다.

높은 시동 전류 비율의 영향으로 유입 전류가 증가합니다. 유입 전류는 기본적으로 유도 부하(예: 모터) 연결, 모터 래미네이트 코어의 동적 전류 과도 및 포화 효과와 같은 요소에서 기인하는 동적 보정 이벤트입니다. FLA보다 최대 5배 더 높은 유입 전류로 인해 모터와 기타 시스템이 손상될 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 유입 전류는 효과적인 모터일수록 더 높으며, 저전력 장치에 유용합니다. 제어 시스템을 적절히 설계하여 이 효과를 완화할 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

다른 모듈식 제어 부품과 함께 3RT2 EMC를 "YΔ" 시동 시스템에 사용하여 유입 전류를 제한할 수 있습니다. 장치의 Y 권선에서 최대 선간 전압으로 모터를 시동하여 선간 전압의 약 58%가 각 모터 위상에 도달함으로써 전류가 절감되고 유입 전류가 낮게 유지됩니다. 모터가 정격 속도에 도달하면 Δ 모드 작동으로 전환됩니다. 이 모드에서는 유입 전류의 위험 없이 최대 전압이 적용되고 모터가 최대 출력을 생성할 수 있습니다.

이 배열에서는 과부하 계전기를 모터 피더 케이블 U1, V1, W1에 직접 배치해야 합니다(그림 7). 그러면 세 EMC 모두에 대해 효과적인 과부하 보호가 보장됩니다. 전체 구현에는 계전기와 세 3RT2 EMC가 필요합니다.

그림 7: YΔ 회로는 모터 시동 중 전원 전환을 위한 세 EMC와 모터 피드 케이블의 과부하 계전기로 구성됩니다. (이미지 출처: Siemens)

작동 중에 K1 및 K3 EMC를 함께 닫으면 시퀀스의 Y 부분이 작동됩니다. 모터 최대 속도의 약 80%에서 사전 설정된 시간이 경과하면 타이머는 모터에 최대 출력을 적용하기 위해 K3를 열고 K2를 닫아서 델타 부분을 시작합니다.

결론

3상 AC 모터와 같은 고전력 부하를 전환할 때 EMR 대신 EMC를 사용해도 좋습니다. EMC는 수천만 회 이상의 스위칭 작동에도 높은 신뢰성을 유지하도록 설계되었습니다. 이 장치는 수 킬로와트에서 수백 킬로와트까지 다양한 모터 출력에 사용할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 Siemens SIRIUS 3RT2 EMC는 2kW ~ 25kW 범위에서 3상 AC 모터를 전환하는 데 적합하며, 모듈식 설계를 적용하여 제어 시스템에 쉽게 설치할 수 있습니다. SIRIUS EMC는 상대적으로 설치하기 쉽지만 과도한 유입 전류로 인해 모터가 손상되는 것을 방지하기 위해 제어 시스템 구현에 주의해야 합니다.