전력 계전기 - 기본 사항에 대한 이해

계전기는 본질적으로 전자 회로 내 다른 스위치의 작동을 제어하는 스위치로 작동합니다. 저전력 입력 신호를 사용하면 고전력 회로에 대해 명령을 내릴 수 있습니다. 계전기의 저전력 신호가 활성화되면 전자석에 동력이 공급되어 전기자가 움직이기 시작합니다. 이 동작은 전기 접점이 닫히도록 지시하므로 제어된 회로에 대한 전력 전송을 용이하게 합니다.

이 설계의 중요한 장점 중 하나는 고전력 회로에서 저전력 제어 신호를 분리하는 능력에 있습니다. 이 분리는 잠재적 위험으로부터 작업자를 보호할 뿐만 아니라 장비에 대한 잠재적 피해를 차단합니다. 또한, 이 방식은 장치 또는 시스템에 대한 원격 제어를 용이하게 하여 먼 거리에서도 작동시킬 수 있습니다.

전기 기계 계전기의 기원은 1835년으로 거슬러 올라가며 수년 간에 걸쳐 해당 부품 및 다양성이 크게 개선되었음에도 불구하고 기본적인 기능은 지속되고 있습니다. 역사상 가장 잘 알려진 계전기 중 하나는 전력 계전기입니다. 모든 전기 계전기가 본질적으로 전력을 제어하기는 하지만 모든 계전기를 '전력 계전기'라고 부르는 것은 올바르지 않습니다. 이 기사에서는 이점, 구성, 주요 선택 기준을 포함하여 전력 계전기에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

전력 계전기에 대한 기본 사항

전력 계전기는 수 암페어부터 훨씬 더 큰 규모에 이르는 고수준 전류 스위칭을 관리하는 특화된 역량으로 알려져 있습니다. 전력 계전기의 더욱 강력한 구성과 확대된 크기는 전력 계전기 접점이 상당한 크기의 전류를 견딜 수 있도록 하므로, 통상적으로 10A를 초과하는 전류를 요구하는 응용 제품에 이상적인 옵션이 될 수 있습니다.

이 장치는 모터, 솔레노이드, 전원 공급 장치 및 전자 밸러스트와 같이 높은 초기 전류 서지를 특징으로 하는 자동차 시스템, 엘리베이터 제어, 밸브 액추에이터, 다양한 장치를 포함한 다양한 산업에 걸쳐 사용이 증대되었습니다.

다른 전기 부품과 마찬가지로 계전기는 안전하게 관리할 수 있는 전력과 관련하여 내재적인 제한이 있습니다. 각 모델에는 최대 전력 정격이 할당되어 있어 전구 같은 저전력 개체부터 대형 모터 같은 견고 기계까지 다양한 부하 범위와 효율적인 정합을 보장합니다. 그러나 지정된 전력 정격을 초과하면 계전기에 영구적 피해를 가져올 수 있습니다.

추가적으로, 접점이 잘못 정렬된 경우, 계전기 접점이 열려 있어도 서로 가까이 있으면 릴레이 접점 간의 공극을 통해 전류가 흐르는 접점 아크가 발생할 수 있습니다. 이 현상은 접점 부식 및 원치 않는 전기 방해 발생을 비롯하여 스파크 및 열발생 이상의 위험을 제기하므로 가까이에 있는 장비에 손상을 줄 수 있습니다.

그림 1: 전기 기계 계전기 접점 아크. (이미지 출처: Same Sky)

히터, 모터, 조명 어레이, 산업용 장비와 같은 고전류 장치의 전기 부하를 다루도록 특별히 설계된 전력 계전기로 들어가 보겠습니다. 전력 계전기의 향상된 전류 및 전압 정격은 대개 일반 계전기에 사용되는 스위치 접점 재료와는 완전히 다른 스위치 접점 재료 활용에서 기인합니다. 이러한 재료는 고전력 응용 제품의 엄격한 조건을 견딜 수 있어 까다로운 산업 환경에서 신뢰할 수 있는 작동 및 수명을 보장하기 위해 선택되었습니다.

전력 계전기 접점 재료

계전기 접점을 통해 전류가 흐르면, 접점의 크기와 재료 구성에 따라 달라지는 저항과 마주하게 됩니다. 향상된 저항은 계전기 내에서 손실되는 전력을 증폭시킬 뿐만 아니라 열 발생도 증가시킵니다. 접점 저항을 완화시키는 한 가지 접근 방식은 접점 재료를 신중하게 선택하는 것입니다.

전통적인 계전기는 일반적으로 계전기 구성에서 늘 존재했던 금속인 은 니켈로 제작된 접점을 가집니다. 은 니켈 접점은 전류와 전압이 서로 동위상인 스위칭 저항성 부하에서 뛰어난 성능을 나타냅니다.

반대로, 더 높은 부하에 대해 설계된 계전기(예: 전력 계전기)는 은산화 카드뮴, 은산화 주석 또는 금 합금과 같은 재료에서 만든 접점을 선택할 수 있습니다. 이러한 재료는 상당한 전류 또는 전압 스파이크를 발생시킬 수 있는 비동기 전류 및 전압을 특징으로 하는 유도성 부하를 처리하는 데 이상적입니다. 은산화 카드뮴 접점 및 은산화 주석 접점 모두 감소된 전기 저항을 제공하고 높은 유입 전류로 인한 접점 용접의 위험을 완화시킵니다. 특히, 은산화 주석을 사용할 경우 카드뮴 기반 합금과 관련된 환경적 문제를 회피할 수 있으므로 특정 국가에서 유지하는 규제 표준에 부합됩니다.

전력 계전기와 신호 계전기의 비교

전력 계전기 및 신호 계전기는 계전기 영역 내에서 널리 사용되는 두 가지 유형입니다. 전력 계전기는 더 높은 전압 및 전류 처리에 우선 순위를 두지만, 견딜 수 있는 수명 주기가 적습니다. 반대로, 신호 계전기는 더 높은 수명 주기 수를 위해 설계되었지만 더 낮은 전압 및 최소한의 전류에서 작동합니다.

전력 계전기에 사용된 접점 재료는 고전력 시나리오를 관리하는 데 능숙하지만 저전력 스위칭에는 이상적이지 않습니다. 이는 낮은 전압에서는 접점 재료보다 접점 압력 및 청결도와 같은 요소에 따라 접점 간의 물리적 연결이 가장 중요하다는 사실에서 비롯됩니다.

또한 전력 응용 제품에 신호 계전기를 사용하면 내재된 위험이 수반되어 잠재적으로 과전압 또는 과전류로 인한 치명적인 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 계전기가 견뎌낸다 하더라도 아크 방지 및 접점 자동 세척과 같은 중요 기능이 부족하므로 장기적 신뢰성이 저하됩니다.

전력 계전기와 신호 계전기 중 결정을 내리는 과정에서 기본적인 지침을 준수하는 것이 매우 중요합니다. 즉 항상, 스위칭되는 전력 수준을 계전기의 전력 정격에 맞추세요. 이렇게 하면 최적의 성능이 보장되고 실패 위험이 완화되며 계전기 및 연결된 시스템의 무결성 유지할 수 있습니다. 신호 계전기에 대한 자세한 내용은 Same Sky의 다른 기사 신호 계전기 - 기본 사항에 대한 이해에서 확인할 수 있습니다.

전력 계전기 유형

일반 계전기 같은 전력 계전기는 전기 기계 및 무접점의 두 가지 기본 유형으로 제공됩니다.

전기 기계 전력 계전기는 장치에 대한 전력 전달을 규제하는 전기 코일, 자기장, 스프링, 가동 전기자, 접점의 조합에 따라 달라집니다.

반면, 무접점 계전기는 가동 부품을 활용하지 않습니다. 대신, SCR(실리콘 제어 정류기), TRIAC(교류를 위한 3극 진공관) 또는 AC 전류 및 DC 전류를 모두 스위칭하는 스위칭 트랜지스터와 같은 반도체 장치를 활용합니다. 무접점 계전기는 전기 기계 계전기와 비교하여 스위칭 속도 향상 및 신뢰성 개선과 같은 장점을 제공합니다. 그러나, 견고한 전력 반도체와 관련된 높은 비용과 추가적인 열 관리 부품 포함으로 인해 전력 수요가 상승함에 따라 비용 효율이 감소됩니다.

그림 2: 방열판이 통합된 무접점 계전기의 예. (이미지 출처: Same Sky)

일반적인 구성 및 정격

비전력 계전기와 매우 흡사하게 전력 계전기도 동시에 제어할 수 있는 장치 수를 나타내는 접점 구성에 따라 분류됩니다. 일반적인 분류에는 다음이 포함됩니다.

• SPST(단극 단투)
• DPDT(쌍극 쌍투)
• 3PDT(3극 쌍투)
• SP3T(단극 3투)

계전기 접점은 계전기에 전력이 인가되지 않을 때의 상태에 따라 상시 개방(NO) 또는 상시 패쇄(NC)로 지정됩니다.

계전기 정격은 계전기에서 효율적으로 안전하게 스위칭할 수 있는 최대 전력을 나타냅니다. 이러한 정격은 일반적으로 AC 전류 및 DC 전류에 대해 암페어로 표시됩니다. 안전 마진을 고려하여, 계전기의 정격이 스위칭되는 장치의 정격을 넘어서는 것이 중요합니다.

비전력 계전기와 유사하게 전력 계전기도 '유형(Form)'을 사용하여 설명할 수 있습니다. '1 유형 A' 또는 '2 유형 C'와 같은 표현은 계전기의 특징을 나타냅니다. '유형(Form)' 앞에 오는 숫자는 계전기에서 제공되는 접점 개수를 나타냅니다. '유형 A'는 상사 개방 계전기를 '유형 B'는 상시 폐쇄 계전기를 나타냅니다. '유형 C' 및 '유형 D'는 PDT 계전기에 적용되며, 각각 어느 접점이 상시 폐쇄 접점인지와 계전기가 브레이크-메이크인지 또는 메이크-브레이크인지 나타냅니다. 이 밖에 다양한 유형이 있지만, 다음 4가지 유형이 가장 일반적으로 사용됩니다.

• 유형 A - 상시 개방
• 유형 B - 상시 패쇄
• 유형 C - 브레이크-메이크 SPDT 스위치
• 유형 D - 메이크-브레이크 SPDT 스위치

추가 고려 사항

장치 선택 시 고려해야 할 추가 사항에는 다음이 포함됩니다.

• 입력 전력 서지: 특정 장치의 경우 시동 시 큰 전력 서지가 발생할 수 있습니다. 장치에 대한 손상을 방지하기 위해서는 계전기를 지정하기 전에 이러한 서지를 식별하는 것이 중요합니다.
• 코일 억제: 계전기 사이클은 고전압 과도 상태를 발생시킬 수 있습니다. 코일 억제에는 이러한 과도 상태로부터 장비를 보호하기 위해 회로에 추가 부품을 사용하는 것이 포함됩니다. 그러나 이로 인해 계전기의 수명이 단축될 수 있습니다. 지정된 응용 제품에 대해 특정 코일 억제 전략이 필요한지 결정하세요.
• 래칭: 래칭 계전기는 활성 전력이 제거된 이후에도 마지막 접점 위치를 유지합니다. 이러한 특징은 특정 응용 제품에서 요구될 수 있습니다.
• 잡음: 계전기는 고전력 장치에서 더욱 두드러진 전자파 장해(EMI) 또는 무선 주파수 간섭 (RFI) 잡음을 생성할 수 있습니다. 먼저 잡음에 대한 장치 또는 시스템의 민감도를 확인하세요.
• 접점 바운스: 계전기가 순환함에 따라 접점은 전기 펄스를 생성하는 접점 바운스라고 알려진 짧은 개방/폐쇄 주기를 경험할 수 있습니다. 응용 제품의 민감도에 따라 이 바운스는 원치 않는 효과를 일으킬 수 있으므로, 계전기를 지정하기 전에 접점 바운스가 응용 제품에 영향을 주는지 여부를 결정하는 것이 중요합니다.

그림 3: 접점 바운스 및 빠르게 변하는 전압의 예. (이미지 출처: Same Sky)

결론

계전기는 작동 전류로부터 작업자를 안전하게 격리하면서 시스템 및 장치에 대한 안전한 전기 제어를 제공하는 신뢰할 수 있는 효율적이고 안정적인 장치입니다. 전기 기계식 전력 계전기이든 무접점 전력 계전기이든 더 높은 전압 및 전류를 관리하는 고급 기능으로 특별히 설계되었습니다.

제품의 전력 스위칭 요구 사항을 평가해야 하는 설계자를 위해 Same Sky는 다양한 전력 계전기 및 신호 계전기를 제공합니다. 또한 저수준 또는 고수준 전류 스위칭을 처리할 수 있도록 Same Sky는 다양한 필요 사항을 효율적으로 충족할 수 있는 계전기 솔루션을 제공합니다.