마그네트 (전자접촉기)의 동작원리 및 구조 해설

[감전]

전자접촉기의 구조와 작동 원리

1. 전자접촉기(개폐기)란 ?

     전기기기를 사용함에 있어서 개폐기, 접촉기, 차단기라는 용어가 자주 거론되는데 먼저 이들의 용어에 대한 구분을 하면,

      첫째, 개폐기의 한자는 開閉器로 쓰며 한자어대로 해석을 하면 개로, 폐로하는 기기이다. 즉, 필요에 따라 부하의 개로, 폐로시에 사용하는 제품으로 이해하면 된다. 이에 대한 영문 명칭은 Switch 라고 표기한다. 일반적으로 접촉기는 개폐기와 거의 유사한용어로 사용되는데 접촉기의 영문 명칭은 Contactor로서 외부의 Signal에 의해 부하전류를 On-Off 해주는 기기이다.

      개폐기와 접촉기의 중요한 차이점은 접촉기가 On-Off를 할 수 있는 Signal을 외부에서 줄 것인가, 아니면 그 기기 자체에서 Signal을 중 것인가의 차이점이다. 개폐기는 과부하계전기가 조합된 상태로서 과부하계전기에서 발생되는 Signal이 접촉기 조작코일 전원을 제어하게 된다. 따라서, 제품으로 보면 개폐기는 접촉기에 과부하계전기(열동식, 전자식)가 부착된 제품이다.

      둘째, 차단기는 위에 설명한 제품과는 좀 더 다른 용도로 쓰인다. 한자로는 막을 차(遮), 끊을 단(斷)을 쓰며, 그 의미 그대로 해석하면 선로상에 이상전류 인가시 이를 막아주고 끊어주는 장치인 것이다. 영문명칭은  Breaker이다.

      한국산업규격인 KS는 교류전자개폐기에 대해 KSC 4504에서, 배선용차단기에 대해서는 KSC 8321에서 정의 및 내용에 대해 상세히 기술하고 있으므로 명확한 자료 필요시 참고할 수 있다.

    2. 전자접촉기의 동작 원리

      전자접촉기의 동작 원리는 '렌쯔의 법칙'을 이용한  전자석 원리를 이용한 제품이다.
       우측 그림과 같이 도체에 권선을 하여 전류를 흘리면 일정 방향으로 도체가 움직이는데 이를 '렌쯔의 법칙'  이라 한다.
       <그림1>에서 보는 바와 같이 전선을 통하여 흐르는  전류 주변에 자속이 발생되어 이에 따른 힘이 발생되어  도체는 일정 방향으로 움직이게 된다.
      전자접촉기는 이러한 원리를 이용하여 구성된 기기이다.

    3. 전자접촉기 구성
 

      전자접촉기의 구조는 <그림2>와 같이 구성되어 있다. 용량이 큰 100AF 이상 제품의 경우는 조작코일을 전자화하여 전자회로부 유닛으로 구성된 제품도 있으나 제품 구조를 이해하기 위해서는 통상 <그림2>의 구조를 이해하면 된다. 각 부분 명칭별 역할은 다음의 <표1>에 정리하였다.

<표1> 전자접촉기 각 부분별 명칭 및 역할

명칭	주요 역할
① 상부프레임	주/보조접점의 고정접점, 소호실 등이 구성되어 있으며, 주전원   연결 및 On-Off시 발생되는 Arc를 소호시켜주는 장치가 있음.
② 홀더	가동접점을 이용하여 주전원 On-Off
③ 가동코어	고정코어와 함께 발생된 자기력에 의하여 전자접촉기 구동
④ Back-스프링	조작코일단 전원 Off시 접촉기를 초기 상태로 복귀시키는 장치
⑤ 조작코일	전자접촉기 구동하기 위한 장치
⑥ 고정코어	가동코어와 함께 발생된 자기력에 의하여 전자접촉기 구동
⑦ 하부프레임	고정코어, 조작코일 등을 취부하며 상부프레임과 함께 전자   접촉기 외관을 구성함.

 4. 주요 부품별 용도 및 특성

      4.1 접점
        MC의 접촉자는 <그림3>과 같이 가동접점과 고정접점으로 구성되어 있다. 접점 표면은 평평하게 되어있어 보기에는 면 접촉으로 되어있으나 실제로는 점 접촉을 하고 있다.

        <그림3>에서 보는 바와 같이 접촉 부위를 현미경 등으로 확대하여 보면 점 접촉의 형상을 하고 있다. 또한, 그림과 같이 접합된 부분에서는 전류 흐름에 따라 반발력도 생긴다. 이에 따라  접촉 면적 증가와 반발력에 의한 접촉 불량을 방지하기 위하여 접촉 압력을 증대할 필요가 있으며, 적당한 접촉 압력을 계산하여 설정하는 것이 기술의 핵심이다.

        특히, 그림 (b)와 같이 접촉 부분이 접촉자 가장자리에서만 접촉이 되는 경우 Arc 발생에 의  한 접점 소손이 발생될 수 있으며, 접점의 융착현상도 발생될 수 있다. 접합 부분의 불량 중  대부분을 차지하는 요인이다. 일반적으로 접점의 크기만 크다고 해서 품질이 우수한 것은 아니며, 위에서 설명한 바와 같이 접합면이 어떻게 되어 있는가 하는 것이 핵심 기술이다.

      4.2 코어
        전자접촉기를 구동하기 위하여 사용되는 코어는 고정코어와 가동코어로 나누어지며 이는   <그림2>에 잘 나타나있다. 코어는 적층코어를 사용하데 이는 Eddy Current (와류)를 최소화  하기 위해서이다.

교류조작형 제품의 고정코어에는 Shading Coil
  이라는 장치가 있다. 그 구조는 <그림4>와 같다.
    Shading Coil의 역할은 교류의 경우 자속의 힘이  <그림5>와 같이 지속적으로 변화된다. 따라서, 일정한 힘을 계속적으로 유지하기 위하여 Shading Coil을 설치하게 되는데, 설치 후에는 자속의 세기가 <그림6>과 같이 변화하게 된다. 

         간혹 전자접촉기가 심하게 울림 현상이 발생되는 경우가 있는데 Shadign Coil이 파손된 경우에도 접촉기가 심하게 떨리는 현상이 발생된다.

 

      4.3 Holder 
        Holder는 가동코어와 연결되어 접촉기 가동접점을 지탱해 주는 기구부로서 접촉기의 핵심 부품이다.

        개폐수명을 유지하기 위하여 Holder의 구조 및 강도는 전자접촉기 성능을 좌우하는 매우 중요한 부품이다.

        우측 <그림7>에는 Holder의 외관을 나타내고 있다.

전자접촉기 종류와 사용 용도

전자접촉기는 사용 용도에 따라 여러 가지 종류가 있다. 여기서는 가장 많이 사용되는 제품을 기준으로 알아보도록 하겠다.

    1. 표준형 전자접촉기(개폐기)

      전자접촉기의 가장 기본적인 제품으로 우측 <그림1>과 같은 외관을 하고 있으며,
     단독부하 개폐시 사용된다.
       일반적으로 개방형으로 불리기도 하는데, 이는 상입형을 제외하고는 모두 개방형으로
     분류할 수 있다.

    2. 가역형 전자접촉기 

      전자접촉기는 주로 모터 부하의 개폐를 위하여 설치하게 되는데 모터의 정역회전을 제어하기 위해서는 3상 전원을 제어해주어야 한다. 이를 제어하기 위해 사용되는 접촉기가 가역형 제품이다.
      <그림2>에서 보는 바와 같이 표준형 제품 2대를 조합하여 구성되어 있으며, 두 제품간의 기계적 인터록 장치가 되어있다. 이 제품은 가역형 기능이외에 다른 용도로도 사용될 수 있다.
      회로 구성에 따라 저압 Auto Transfer Switch 기능으로도 구현이 가능하다.                                                

    3. 지연석방형, 래치형 전자접촉기

      전압 변동이 크거나, 순간정전이 많은 지역의 경우에는 전자접촉기의 조작코일에 인가되는 전원의 불평형으로 인하여 접촉기가 정상 상태에서도 Chattering 현상이 나타날 수 있으며, 이는 안정적인 전력공급에 문제를 발생시킬 수도 있다.

      전력계통상에 일정한 전원을 정전없이 받도록 설계가 되는 것이 원칙이지만, 위에 말한 것과 같이 전원 자체가 안정적이지 못한 경우에는 지연석방형, 래치형 전자접촉기를 사용하는 것이 최적이다. 

      먼저 지연석방형 제품에 대하여 설명하면, 순간정전이 많은 지역의 경우에 주로 적용되는 제품으로 일반형 전자접촉기(직류조작코일 제품)에 지연석방 유닛을 별도로 구입하여 조작코일과 연결하여 사용하는 제품으로 지연석방 유닛은 내부에 설치되어 있는 콘덴서가 일정 전원을 충전하고 있어서 순간정전시 몇 초간은 전원이 Off되더라도 접촉기 조작코일단에 전원을 공급해준다.
    따라서, 순간정전 또는 전압강하가 되더라도 접촉기 코일단에는 일정 전원이 공급되므로 접촉기가 Off 되거나 Chattering 현상은 나타나지 않는다.

      래치형 접촉기는 지연석방형 제품과는 좀 더 다른 용도로 사용된다. 지연석방 유닛이 전기적으로 구성되는 반면에 래치형 제품은 접촉기를 기계적으로 On을 유지하게 해준다. 
    따라서, 래치유닛에 조작전원을 인가 후에는 접촉기 조작코일단에 전원을 Off 하여도 접촉기는  On 상태를 유지하게 된다.

      래치형 접촉기를 사용하는 주된 이유는 조작전원이 Off 되더라도 주전원은 계속적으로 유지되어야하는 회로에 주로 적용된다. 또한, 기계적으로 접촉기를 On시켜주므로 유지시 접촉기의 소음이 전혀 없다. 무소음이 요구되어지는 회로에 매우 적합하다고 할 수 있다.

      아래 <그림3>, <그림4>는 지연석방형과 래치형 전자접촉기 외관을 나타내고 있다. 

      
                                                   

 4. 상입형 전자접촉기(개폐기)

        상입형이란 전자접촉기(개폐기)를 외함 구조를
      가진 Case에 넣은 것으로 영문 명칭은 Enclosed
      Type 이라고 한다. 

        사용 용도는 전자접촉기(개폐기)를 단독으로 사용 할 경우 주로 적용한다. 외함 구조에 따라 철제형과 플라스틱형으로 구분이 되며, 외함에 조작용 버튼의  설치 유무에 따라 버튼형으로 구분한다.

        우측 <그림5>에는 플라스틱 외함과 철제형 외함 제품 을 나타내고 있다. 
                                                                                            
 

    5. 4극형 전자접촉기

                                                              4극형 전자접촉기란 주접점 구조가 4극형 제품으로서
  LG산전(주)은 소용량부터 대용량까지 (9~800 Ampere)  전체 Frame에 걸쳐 보유하고 있다.
   이 제품은 3극형 제품과 같은 용도로 사용이 가능하지만,  3극형 제품이 구현하지 못하는 기능의 구현이 가능하다.
  3상4선식 회로에 적용시 'N'상까지의 제어가 가능하다.  또한, 단상 부하 제어시 1대의 제품으로 2회로 동시 제어가 가능하므로 3극형 제품을 적용시 2대를 사용하던 것을 4극형 제품은 1대로 가능하다.  이외에도 직류전용, 고감도형, 단상전용 등 용도에 따른  제품이 있다. 
       <그림 6 4극형 전자접촉기> 

        다음으로는 제품의 명판을 보는 방법에 대하여 알아보겠다. 
        제품 명판의 경우에도 각 사별 약간씩 상이한 점이 있으나, 대부분 같은 내용을 기준하므로 여기에서는 LG산전(주) 제품을 기준으로 설명하고자 한다.

                                                                           <그림 7>에서는 전자접촉기 명판을 나타내고 있으며 ①은 제품 명칭을, ②는 제품 형명을 표기하였다.
 전자접촉기 제품의 경우 전기용품 안전관리법에 의한 안전인증(舊 형식승인) 대상품으로 ③과 같이 해당 취득번호와 규격 취득 정격을 표기하였다. 전자접촉기의 경우, 300A 이하의 제품에는 반드시 표기가 되어야 하며, 표기가 없는 제품의 경우에는 안전관리법에 의해 사용할 수가 없다.
 따라서, 사용자는 제품 구입시 반드시 확인해야 할 항목이다. (본 내용은 저압 차단기의 경우에도 마찬가지이다.
                   <그림 7 전자개폐기 명단>

    ④항에는 AC3 이라는 표기와 함께 각 전압별로 정격을 표기하였는데, 이는 AC3급 부하적용시
정격을 표기한 것이며, AC1=Ith 을 표기하였으며, Ui=690V 의 의미는 절연 전압치를 나타낸 것이다.
    ⑤항에는 CE mark 표기와 함께 IEC 규격에 적합한 정격을 표기하였다. LG산전(주) 제품의 경우에는 유럽 지역 규격은 IEC60947, EN60947 (국제 표준 규격), VDE0660 (독일 규격), BS5424 (영국규격)에 적합하도록 되어 있다. 

    참고적으로 ④항에 표기된 국내 정격과 ⑤항에 표기된 IEC 정격과는 차이가 있는데, 이는 기준  규격이 틀려서 발생되는 것이다. 따라서, 국내에서 적용시에는 국내 정격에 맞추어 사용하여야 한다. ⑥항에는 UL규격 취득 마크와 UL정격(HP로 표기)이 표기되어 있다. 

    이와 같이 제품 명판에도 각 규격별로 정격을 표기하는 추세로 바꾸고 있으므로, 사용자는 제품이 적용되는 국가에 따라 맞는 정격치로 선정하여야 한다. 또한, 최근의 추세로 각 국가별로 자국 내의 규격을 취득 요청하는 경우가 증대되고 잇으므로 제조업체가 지역별 규격을 얼마나 취득하였는가도 세심하게 검토하여야 한다. 

전자접촉기

1. 전동기 용량에 따른 전부하 전류

     전자접촉기는 전동기 부하에 주로 많이 적용되는데 KS 규격에서는 <표1>과 같이 적용토록 하고 있으며, 구조적으로 기기에 조립된 개폐기 또는 특정의 기기전용 개폐기의 전류치는 그 기기에 사용되고 있는 전동기의 전부하 전류치를 기준으로 한다.
    저항부하의 경우는 '저항부하로서의 정격 사용전압에서 최대 적용 저항부하의 용량(kW)에 따른다.' 라고 명시되어있다.

                                     <표1> 전동기 용량에 따른 전부하 전류 (KS C 4504)

	전동기 종류 및 정격전압	전동기 전부하 전류치 A
		단상유도전동기	삼상유도전동기 4극
정격용량 kW		110V	220V
0.1		4.6	-
0.2		6.5	1.6
0.4		10.4	2.5
0.75		15	3.8
1.5		-	6.6
2.2		-	9.1
3.7		-	14.6
5.5		-	21.8
7.5		-	29.1
11		-	40.9
15		-	55.5
22		-	78.2
30		-	105.5
37		-	129.5

                      비고 1. 정격전압이 <표1>의 전압과 다른 경우의 전부하 전류치(I')는
                                 다음식에 의해 산출한 값을 취하는 것으로 한다.
                                  I' = I × E/E' 여기에서 I,E : <표1>의 전부하 전류 및 정격전압
                                                                  E'  : <표1>과 다른 정격 전압
                             2. 3상 유도전동기에서 정격사용전압 220V로 37kW를 초과하는 것
                                 의 전부하 전류치는 1kW에 대해 4A로 하여 산출한 값을 취하는
                                 것으로 한다.
 

    2. 급별 구분

      전자접촉기(개폐기) 정격 구분시 AC3, AC1과 같은 급별 표기를 하는데 이에 대한 정의는
      KS 규격에는 '농형 유도전동기의 시동', '운전 중 농형유도전동기의 개방' 에 적용시는 AC3급으로 구분하고 있다. 따라서, 사용하고자 하는 부하가 농형 유도전동기의 경우에는 AC3급 정격에 맞게 적용해야 한다. 이에 따라 각 제조업체에서는 제품 명판 또는 카탈로그에 각 급별에  따른 정격을 표기하고 있다. <표2>에는 KS 규격에 따른 각 급별 적용 예시를 나타내고 있다.

                                 <표2> 차단 전류 및 폐로 전류에 의한 급별 (KS C 4504)

급별	대표적 적용 보기
AC 1	非유도성 또는 小유도성 저항부하의 개폐
AC 2 B	(1) 권선형 유도전동기의 시동  (2) 운전 중인 권선형 유도전동기의 개방
AC 2	(1) 권선형 유도전동기의 시동  (2) 권선형 유도전동기의 역상제동, 역전  (3) 권선형 유도전동기의 인칭
AC 3	(1) 농형 유도전동기의 시동  (2) 운전 중인 농형 유도전동기의 개방
AC 4	(1) 농형 유도전동기의 시동  (2) 농형 유도전동기의 역상제동, 역전  (3) 농형 유도전동기의 인칭

     일반적으로 모터 부하(농형모터 기준) 적용시에는 AC3급을 기준하여 접촉기 용량을 선정하게 되는데, 부하 개폐가 잦은 경우, 즉 개폐빈도가 매우 빈번한 부하의 경우에는 AC4급 용량으로 선정해야 한다. 제조업체에 따라 차이는 있으나, AC3급 용량 대비 AC4급 용량이 다소 낮게 되어 있다. 이는 개폐빈도가 빈번한 경우 개폐 서지에 의한 접점 소모가 발생되기 때문이다.
 

    3. 전등 부하에의 적용

     전등 부하에는 특수한 경우를 제외하고는 개폐 빈도가 낮다.
     제품 선정 Point는 ① 부하의 입력전류 합계가 전자접촉기 정격통전전류(AC1급)을 초과하지  않고, ② 점등에 의한 돌입전류가 접촉기 개로전류용량을 초과하지 않는 범위에서 선정하면 된다.

      3.1 백열전구
       백열전구의 필라멘트는 상온에서 저항이 적기 때문에 전압인가의 순간에는 이론적으로 정격 전류의 3~16배의 전류가 흐르는 것으로 되지만, 실용상태에서는 회로의 임피던스나 자기가열등에 의하여 과도전류는   7~10배 정도로 억제됩니다.

                                                                                           
   전압 인가의 순간부터 안정전류로 될 때까지 특성 예는 그림3과 같다. 백열전구에 적용하는  전자접촉기 이 과도전류를 고려하여 정격전류가 AC3급 이내가 되도록 선정한다.

      3.2 형광등
       형광등은 형광램프와 안정기의 조합으로 사용되며, 안정기의 시동방식에 따라 스타터와 래피드스타터로 나누어진다. 스타터 방식은 수동스위치 또는 자동적으로 동작하는 스타터(예;
     Grow Lamp)를 사용하여 점등시키는 안정기로서 주택용등에 널리 사용되고 있다.
       한편 래피드 스타터식은 스타터 방식과는 달리 스위치를 넣으면 바로 점등되며 기계적 접점  부분이 없는 방식으로 빌딩, 공장, 병원, 학교 등에 널리 사용되는 방식이다. 
       형광등의 시동전류는 안정기의 회로, 역률조정용 콘덴서 유무에 따라 다르지만, 전자접촉기  선정은 AC3급의 정격사용전류 이하로 선정하는 것이 좋다

    4. 직류 부하의 적용

     주전원이 직류인 경우에는 일반 교류 전자접촉기를 적용시에는 몇 가지 고려할 사항이 있다. 원칙적으로 일반 전자접촉기는 주전원이 교류형으로 직류부하에 적용은 불가하다.

     직류의 경우, 전류 '영점'이 없기 때문에 동급의 교류용량에 비하여 개폐기 Surge 발생이 크다. 이에 따라 제조업체 별로 다소 차이는 있으나, 카탈로그 등의 자료에는 교류정격에 비하여 낮은 정격치를 제시하고 있다.
                                                                                         <그림4> 직류전자접촉기
     LG산전(주)의 경우에도 카탈로그에 참고용으로 표기하고 있으며, 사용전압도 220V 이하로 제 한하고 있다. 이와 같은 이유로 주전원이 직류인 경우에는 직류전용 전자접촉기를 사용하는  것이 보다 안정적인 회로 구성이 가능하며 LG산전(주)의 경우에는 <그림4>와 같이 직류전용  전자접촉기를 보유하고 있다.

출처: 네이버검색

전기자재, 전선, 케이블 판매 전문업체

태양전기판매