[논문]릴레이 접점의 부하에 따른 바운스 현상 분석

최순호; 김관식; 류재만; 허창수

doi:10.4313/jkem.2015.28.2.115

릴레이 접점의 부하에 따른 바운스 현상 분석
Analysis of the Bounce Phenomenon According to the Load of the Relay Contact 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.2, 2015년, pp.115 - 119

최순호 (인하대학교 전기공학과) , 김관식 (인하대학교 전기공학과) , 류재만 (인하대학교 전기공학과) , 허창수 (인하대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The power relay can be easily controlled with high voltage and current through the contacts. For this reason, has become widely used range in a variety of applications. In this study, we measured the contact resistance between the bouncing phenomenon of contact due to the change of load. The results of the experiment, the contact resistance increases with the deterioration of the contact, it is possible to predict the life of the relay contacts through the contact resistance. And relay bounce duration time have occurred in 3.5 ms or less. In addition, it is possible to use the results to design an arc suppression circuit device.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 래칭 릴레이 샘플을 부하 변화에 따라 열화 진행하여 접점에서 발생하는 바운싱 현상을 별도의 분류기준을 설정하여 분석하였다. 또한, 릴레이 접점 작동횟수에 따라 접점의 접촉저항을 측정함으로써 접점 열화에 따른 접촉저항의 변화를 알아보았다.

제안 방법

본 연구에서는 래칭 릴레이 샘플을 부하 변화에 따라 열화 진행하여 접점에서 발생하는 바운싱 현상을 별도의 분류기준을 설정하여 분석하였다. 또한, 릴레이 접점 작동횟수에 따라 접점의 접촉저항을 측정함으로써 접점 열화에 따른 접촉저항의 변화를 알아보았다.
측정 시 릴레이 접점에 AC 부하를 인가한 상황이 아닌 DC 전압을 인가하여 측정하였기 때문에 전류의 힘과 전자반발력 힘을 제외하고 기계적인 힘에 의한 바운싱 현상을 측정한 것이고 이를 인지하며 실험 결과를 분석하여야 한다. 바운싱 현상의 열화 진행은 on/off 동작 1사이클 1회 기준으로 20만회까지 하였으며, 바운싱 현상 측정은 1만회 당 5회 진행하여 결과를 분석하였다. 릴레이 동작에 따라 작동하는 아크저감회로의 동작파형 예시는 그림 1과 같고, 아크저감회로는 예상되는 릴레이 접점 바운싱 현상의 지속시간보다 더 길게 작동하여야 접점의 아크에 의한 손상을 최소화할 수 있다.
5s (total 1cycle, 3s) 간격으로 별도의 카운터 기기를 활용하여 릴레이를 제어하였다. 실험에 사용되는 인가전압의 변화 시 전압에 따라 전류가 변화하기 때문에 이를 일정하게 유지하기 위해 AVR (automatic voltage regulator) 장치를 사용하여 일정한 인가전압을 유지하였으며, 무유도 저항으로 제작한 로드 뱅크(load bank)를 릴레이에 연결하여 부하를 가하는 방식으로 접점 열화를 진행하였다. 부하에 의한 바운싱 현상에서 접점에 작용하는 힘은 고정접점(fixed contact)과 가동 접점(moving contact)에서 전류의 힘(F_A; force of current flow)과 기계적 힘(F_S; mechanical force)이 같은 방향으로 작용하고 제시된 힘의 방향과 반대로 전자반발력의 힘(F_B; electromagnetic repulsion force) [5]이 작용하기 때문에 접점에서의 바운싱 현상은 복합적인 힘이 작용한다.
부하에 의한 바운싱 현상에서 접점에 작용하는 힘은 고정접점(fixed contact)과 가동 접점(moving contact)에서 전류의 힘(F_A; force of current flow)과 기계적 힘(F_S; mechanical force)이 같은 방향으로 작용하고 제시된 힘의 방향과 반대로 전자반발력의 힘(F_B; electromagnetic repulsion force) [5]이 작용하기 때문에 접점에서의 바운싱 현상은 복합적인 힘이 작용한다. 접점 바운싱 현상의 측정은 오실로스코프 프로브에 저항과 DC 6 V 전원을 연결하여 릴레이 작동신호 이후 순간적인 DC 파형으로 바운싱 현상을 검출하였으며, 도출된 측정 결과는 GPIB를 통해 컴퓨터에 파형과 데이터를 저장하였다 [6,7].

대상 데이터

실험에서는 같은 종류의 래칭 릴레이에 AC 347 V에 10 A, 20 A, 30 A 부하를 인가하여 실험을 진행하였으며, 인가전압의 역률은 1.0이고, 릴레이 동작 특성은 On/Off=1.5s/1.5s (total 1cycle, 3s) 간격으로 별도의 카운터 기기를 활용하여 릴레이를 제어하였다. 실험에 사용되는 인가전압의 변화 시 전압에 따라 전류가 변화하기 때문에 이를 일정하게 유지하기 위해 AVR (automatic voltage regulator) 장치를 사용하여 일정한 인가전압을 유지하였으며, 무유도 저항으로 제작한 로드 뱅크(load bank)를 릴레이에 연결하여 부하를 가하는 방식으로 접점 열화를 진행하였다.

이론/모형

릴레이 접점의 접촉저항 측정 방식은 4단자법을 적용하였으며, 측정 횟수는 바운싱 현상과 같은 간격으로 1만회에 간격으로 접촉저항을 측정하고 20만회까지 접촉저항 변화를 분석하였다. 접점의 부하 변화 조건에서 열화가 진행됨에 따라 변화되는 접촉저항 결과는 그림 2와 같다.

성능/효과

1. 아크저감장치를 개발 시 접점 작동에 따른 delay time을 고려하지 않을 경우 바운싱 지속시간이 가장 급격하게 변화하는 AC 347 V/30 A 조건을 적용하여 최대로 발생하는 지속시간 3.5 ㎳ 조건을 충족하는 아크저감장치를 설계하여야 한다.
2. 바운싱 횟수는 부하 조건에 따라 변화하며 각기 다른 결과를 나타내지만, 부하 조건 AC 347 V/10 A, 20 A의 조건에서는 지속시간이 최대로 발생하여도 약 2 ㎳의 시간 이내로 발생하므로 아크저감장치(우회 회로)의 지속시간을 설정할 때, 이를 적용하면 바운싱 횟수와 상관없이 릴레이 접점을 아크 열화에서 보호할 수 있다.
3. 기계적 바운싱 현상을 바탕으로 한 릴레이 접점의 수명 판단에서 AC347 V/30 A의 경우에는 임계값을 가지고 초기부터 최솟값이 되는 부분까지의 결과 값에 대한 상관계수가 높아 접점수명 예측이 가능하다.

후속연구

전력용 릴레이의 적용분야가 점차 다양해지고 고전압·대전류 조건에서 사용되기 때문에 신뢰성을 확보하려는 노력이 지속해서 이루어져야 한다. 결과적으로 릴레이 접점의 수명을 결정하는 열, 아크 그리고 기계적인 마멸현상을 최소화할 수 있는 다양한 연구가 진행되어야 한다.
릴레이 접점에서 발생하는 아크 발생을 최소화하고 수명을 증가시키기 위해 제안되는 다양한 방법 중 우회 회로 방식을 적용하기 위해서는 바운싱 현상의 부하에 따라 발생하는 횟수와 지속시간을 분석하여야 한다. 그 결과 부하 변화에 따라 바운싱 현상이 달리 나타나는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	릴레이는 무엇인가?	릴레이는 용도에 따라 다양한 소재의 접점을 사용하여 고전압·대전류 분야를 낮은 비용으로 제어할 수 있는 장치이다. 또한, 자동 전력제어가 필수적인 스마트그리드 (smart grid) 분야와 대전류를 효율적으로 제어하여야 하는 전기 자동차(electric vehicle)에 적용된 릴레이의 수요가 점차 증가하는 시점에서 릴레이의 중요성이 높아지고 있다.
	릴레이 접점의 수명과 신뢰성을 확보하기 위해 회로로 초기 작동에 따른 아크발생을 근본적으로 차단할 수 있는 방식은 무엇인가?	SF6)를 주입하여 아크 소호시간과 절연 회복시간을 짧게 하는 방식이나 접점의 아크발생 위치에 외부자계를 발생하게 하여 접점부의 아크에 의한 손상을 최소화하는 방식이 제시되고 있다. 또한, 접점과 병렬로 스너버 회로(snubbers circuits) 와 트라이액(Triac)을 조합한 우회 회로를 연결한 방식이 제시되는데, 이 방식은 회로로 초기 작동에 따른 아크발생을 근본적으로 차단할 수 있는 방식이다.
	아크저감장치를 설계하여 적용할 때 열화에 따른 접점의 바운싱 횟수와 지속시간에 대한 결과를 바탕으로 아크저감 장치를 설계하여야 하는 이유는 무엇인가?	어지는 현상이 발생한다 [2-4]. 바운싱 현상 발생 시 지속적인 아크가 발생하기 때문에 아크저감장치(우회 회로)를 설계하여 적용할 때 열화에 따른 접점의 바운싱 횟수와 지속시간에 대한 결과를 바탕으로 아크저감 장치를 설계하여야 한다.

참고문헌 (9)

H. K. Cho and E. W, Lee, KIEE, 55, 146 (2006).
J. M. Ryu, S. H. Choi and C. S. Huh, KIIEE, 27, 42 (2013)
P. G. Slade, Electric Contacts; Principles and Application, (1999).
R. Holm, Electrical Contacts Theory and Application, 4th Ed. (1979).
X. Li and D. Chen, IEEE Trans. Comp. Pack. Man., 28, 877 (2005).

상세보기
J. W. McBride, IEEE Trans. Comp. Pack. Man., 14, 319, (1991).
E. Hetzmannseder, W. Rieder, IEEE Trans. Comp. Pack. Man., 17, 8, (1994).
L. Morin, N. B. Jemaa, and D. Jeannot, IEEE T. Compon. Pack. T., 23, 240 (2000)

상세보기
Y. K. Ko, S. S. Cho, H. Huh, S. Y. Lee, H. T. Park, and I. S. Oh, ISIE, 189 (2009)

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