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전기 기계 계전기와 무접점 계전기 비교

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글/Jeff Smoot, CUI Devices

계전기는 수많은 소비자, 상업 및 산업 응용 분야와 시스템에서 중요한 역할을 한다. 계전기는 종종 통지 없이 일상적인 시스템에 사용된다. 예를 들어 가정용 보일러 조정, TV 리모컨 클릭 또는 엘리베이터 작동 시 계전기가 사용된다. 원래 1835년에 장거리 전신 연결의 설립을 위해 고안된 계전기는 이후에 전화 교환에 사용하기 위해 도입되었으며 신뢰할 수 있고 눈에 띄지 않으며 높은 효율성으로 인해 계속 사용되고 있다.

실용적인 관점에서 계전기는 전기 스위치로 작동한다. 계전기는 저전력 신호를 사용하여 근접하거나 먼 거리에 있는 고전력 회로를 제어한다. 고유의 설계로 인해 저전력 신호와 고전력 회로 사이의 효과적인 분리가 용이하며 이를 종종 전기적 분리라고 한다. 이러한 분리는 사용자를 위한 전기 시스템의 안전하고 견고한 작동을 보장한다. 계전기는 단일 회로 또는 다중 회로를 조절하는 데 사용할 수 있으며 증폭기 또는 회로 차단기 역할을 할 수 있기 때문에 용도가 다양하다.

장치 전력을 원격으로 제어하는 기능은 특히 작업자에게 물리적 위험을 야기할 수 있는 산업 공정에서 결과적으로 안전 조치를 강화한 것이 되었다. 이러한 다용도 장치는 다양한 패키지로 제공되며 다양한 전류 용량, 실장 옵션 및 물리적 실장 면적을 제공하여 일상적인 유비쿼터스 스위치처럼 널리 사용된다.

계전기 - 작동 방식

주제를 더 잘 이해하기 위해 계전기는 2가지 기본 유형인 전기 기계(EMR) 유형과 무접점(SSR) 유형으로 분류할 수 있다. 주요 차이점은 움직이는 부품의 유무에 있다.

2가지 유형 중 더 오래된 것은 전기 기계이며 이 유형은 접점, 전기자, 스프링, 전자석으로 구성된다. 가장 기본적인 작동 시 스프링이 전기자의 위치를 유지한다. 전류가 인가되면 전자석이 전기자에 인력을 가하여 일련의 접점을 이동하고 닫아 회로를 통해 전류가 흐를 수 있게 한다.

반대로, 1950년대 후반에 등장한 무접점 계전기는 전기 기계 계전기와 동일한 기본 목적을 제공하지만 움직이는 부품 없이 완전히 전자적으로 작동한다. 입력 회로, 제어 회로, 전류를 조절하는 출력 회로가 포함된다. 지정된 픽업 전압을 초과하는 전압이 인가되면 제어 회로가 계전기를 트리거한다. 전압이 드롭아웃 전압 아래로 떨어지면 계전기가 멈춘다.

[그림 1] 전기 기계 계전기의 기본 내부 구성도이다. (이미지 출처: CUI Devices)

전기 기계 계전기와 무접점 계전기 비교

모든 전자 부품 기술과 같이 전기 기계와 무접점 계전기는 각각 고려해야 할 뚜렷한 장단점을 가지고 있다.

2세기 동안 사용해 온 설계로 인해 전기 기계 계전기는 작동이 간편하고 견고한 장치로서 고전류 및 위험한 환경을 포함한 다양한 응용 분야에서 신뢰성을 보여준다. 완벽한 전기적 분리를 제공하며 고전류 및 전압 서지를 견딜 수 있고 전자파 장해 및 무선 주파수 전파 방해(EMI/RFI)와 같은 전기 잡음에 영향을 받지 않는다.

그럼에도 불구하고 전기 기계 계전기에는 움직이는 부품이 있기 때문에 시간이 지남에 따라 물리적 성능 저하가 발생하고 부식과 산화로 인해 접점이 악화될 수 있다. 전기 기계 계전기는 접촉 아크에 민감하여 흠집이 생기고 단락이 발생할 수 있다. 기계적 특성으로 인해 충격과 진동으로 인한 접점 바운스에 취약하며 자체 EMI/RFI 잡음을 발생시킬 수 있다. 또한 외부 자기장이 작동에 영향을 미칠 수 있다.

반면에 무접점 계전기는 움직이는 부품이 없는 설계로 인해 제어 전력이 현저히 낮아 작동 수명이 길고 제대로 기능한다. 켜기/끄기 주기가 더욱 빠르고 아크 및 접점 바운스를 제거하며 외부 기계적 충격, 진동 또는 자기장의 영향을 받지 않는다. 무접점 계전기는 전기 기계 계전기보다 더 낮은 전압 범위에서 작동하므로 전자 장치에 적합하지만 고전력 응용 분야에는 적합하지 않다.

그러나 무접점 계전기는 독특한 설계로 인해 전압 또는 전류 과도와 EMI/RFI 잡음에 민감할 수 있다. 기계식 계전기보다 더 많은 열을 발생시키는 경향이 있으며 주위 온도에 민감할 수 있다. 특히 제어 신호와 부하 사이의 완전한 전기적 분리는 표준 반도체 스위치로 본질적으로 가능하지는 않지만 입/출력 신호를 분리하는 광결합 소자의 광전자 부품을 사용하여 달성할 수 있다.

일반 계전기 유형

다양한 유형의 계전기를 사용할 수 있으며 각 유형은 특정 응용 분야 요구 사항을 처리하도록 조정된다. 제조업체가 제품에 대해 약간씩 다른 용어를 사용할 수도 있지만 주요 계전기 유형에 대한 일반화된 요약은 다음과 같다.

• 범용 계전기: 범위가 12V ~ 230V인 AC 또는 DC 전류로 작동하며 2A ~ 30A의 전류를 제어할 수 있는 일반적인 전기 기계 계전기이다.

• 신호 계전기: 신호 계전기는 일반적으로 2A 이하인 저전력 부하를 제어하기 위해 사용된다.

• 전력 계전기: 전력 계전기는 고전력 부하를 관리하고 열 발생을 최소화하며 아크를 줄이도록 특별히 고안되었다. 

• 기계 제어 계전기: 대규모 산업 응용 분야에서 사용하도록 설계된 고강도의 견고한 계전기이다.

• 래칭 계전기: 래칭 계전기는 반전 전압 신호를 수신할 때까지 설정 또는 재설정 상태(켜기 또는 끄기)를 유지한다.

• 리드 계전기: 리드 계전기는 콤팩트하며 신속하게 작동한다. 전자석을 사용하여 하나 이상의 밀폐 봉인된 리드 스위치를 제어하여 외부 오염 또는 습기에 대한 내성을 허용한다.

• 제로 스위칭 계전기: 이러한 계전기는 제어 전압이 인가되고 부하 전압이 0에 가까울 때 부하를 활성화한다. 제어 전압이 제거되면 부하를 비활성화한다.

• 피크 스위칭 계전기: 피크 스위칭 계전기는 제어 전압이 인가되고 부하 전압이 피크에 있을 때 부하를 활성화한다. 제어 전압이 제거되고 전류 부하가 0에 가까워지면 부하를 비활성화한다.

• 즉각 구동 계전기: 즉각 구동 계전기는 픽업 전압이 인가되는 즉시 부하를 활성화한다.

• 시간 지연 계전기: 시간 지연 계전기는 시간을 기준으로 이벤트를 제어하는 타이머가 내장되어 있다.

• 아날로그 스위칭 계전기: 아날로그 스위칭 계전기는 출력 전압을 입력 전압의 함수로 관리하여 계전기 정격 내에서 무한 출력 전압을 허용한다.

• 광학 결합 계전기: 내부 광원에 대한 응답으로 스위칭하여 제어 회로와 전력 회로 사이를 분리하는 무접점 계전기이다.

• 군용/Hi-Rel 계전기: 이러한 계전기는 까다롭고 척박한 환경에서 작동하도록 특별히 고안된 계전기이다.

또한 계전기는 접점이 개방되어 있고 회로에 전원이 인가되지 않는 상시 개방(NO) 또는 회로에 전원이 인가되지 않을 때 접점이 폐쇄되는 상시 폐쇄(NC)로 분류할 수 있다. 요약하면 계전기는 일반적으로 전력이 인가되지 않을 때 NO 또는 NC로 지정된다.

정격 및 구성

계전기는 장치를 통해 전력을 안전하게 전환할 수 있는 용량에 따라 정격이 정해진다. 이러한 정격은 AC 또는 DC로 분류되며 일반적으로 암페어로 표시된다. 계전기의 정격이 제어할 장치보다 더 크거나 같아야 한다.

계전기에는 여러 회로를 동시에 제어할 수 있는 기능이 있으며 세부적인 특성을 나타내도록 지정되어 있다. 극(pole)과 투(throw)에 익숙한 경우 이러한 지정에는 SPST, DPDT, 3PDT 및 SP3T가 포함된다.

극과 투의 개수 외에도 계전기는 ‘Form(유형)’이라는 용어를 사용하여 중요한 특성을 설명할 수 있다. ‘1 Form A’ 또는 ‘2 Form C’와 같은 문구는 2가지 주요 정보를 강조한다. Form은 스위치가 일반적으로 개방되어 있는지 또는 일반적으로 닫혀 있는지를 나타내며 SPDT 스위치의 경우 ‘차단-연결’ 순서인지 또는 ‘연결-차단’ 순서인지를 나타낸다. Form 앞의 숫자(1 또는 2)는 계전기 내에서 사용할 수 있는 (해당 스타일의) 접점 개수를 나타낸다. 일반적인 스타일에는 다음이 포함된다.

• Form A - 상시 개방

• Form B - 상시 폐쇄

• Form C - 차단-연결 SPDT 스위치

• Form D - 연결-차단 SPDT 스위치

결론

설계의 단순성과 안정적인 작동을 감안할 때 계전기는 광범위한 산업 및 시장의 장치와 시스템에 사용된다. 계전기는 전신 시스템의 기본 부품으로 시작하여 심지어 컴퓨터의 초기 개발에 기여했으며 오늘날의 필수 역할을 유지하여 이를 통해 원격 위치에서 전기로 구동되는 장치를 안전하고 효율적으로 제어할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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