[논문]릴레이 접점 특성에 미치는 전기적 접속의 영향

진인영; 최순호; 김관식; 허창수

doi:10.4313/jkem.2016.29.10.647

[국내논문] 릴레이 접점 특성에 미치는 전기적 접속의 영향
Effect on the Relay Contact Characteristics According to the Presence of Electrical Connection 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.10, 2016년, pp.647 - 651

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

Abstract ▼ AI-Helper

The power relay can easily control high voltage and high current through metallic contacts. In addition, it has the advantage in reasonable price. So it has been used in many applications. But the power relay has a weak point by mechanical movements. These mechanical movements cause the bouncing phenomenon. Arc and bouncing phenomenon are the main causes of electric abrasion and material erosion. In this study, mechanical repetitive experiments and repetitive experiments in electrically connected state are conducted. Then these two experimental results in terms of bouncing phenomenon and changes in the contact surface are compared. In all number of repetitions, contacts in an electrically connected state cause smaller number of bounce. Also, It has lower contents of silver on eroded surface than the other. The experimental results would be helpful to the further study of contacts life span.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

릴레이의 사용에 있어서 신뢰성과 수명은 가장 중요한 요소이다. 릴레이 접점의 마모와 열화는 릴레이의 신뢰성을 감소시키고 릴레이의 수명에 영향을 미친다. 릴레이 접점 마모의 주요 원인은 Make시 발생하는 바운싱 현상이다.

제안 방법

아크 발생이 접점의 열화에 어떠한 영향을 미치는지 분석하는 것은 접점 소재의 선정에 있어 중요한 기초 자료로써 활용될 수 있다. 따라서 본 실험에서는 전기적으로 접속되어 열화된 접점의 특성과 전기적으로 부하에 접속되지 않은 채 기계적인 반복운동만을 진행한 접점의 특성 간의 차이를 접점의 성분변화와 바운싱 현상을 중심으로 분석하였다.
3개의 상 중 T상에 표 1에 제시된 조건으로 부하에 연결하여 14만 회까지 반복동작을 실시하였다. 동시에 S상은 전기적으로 접속하지 않고 기계적인 반복만을 수행해 두 접점의 특성 변화 차이를 분석하였다. 접점의 on/off 시간은 KS C IEC 60947-4-1 규격에 따라 0.
릴레이의 접점부분이고 반복으로 노출된 상황에 의한 열화 전후를 비교하기 위해 접점을 분석하였다. 접점의 성분과 표면의 구조를 분석하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 사용하였다.
또한 은 합금 접점의 최소 아크발생 전압은 12 V이다 [3]. 아크의 영향을 제외한 순수한 바운싱 현상의 측정을 위해 최소 아크발생 전압보다 낮은 9 Vdc와 저항을 연결하여 회로를 구성하였고, 바운싱 시 발생하는 on/off 현상을 오실로스코프(500 MHz, 5 GS/s)를 사용해 측정하였다. DC 전압원이며, 아크가 발생하지 않는 전압이기 때문에 물리적인 on/off 현상을 명확하게 구분할 수 있다.
전기적 접속 유무에 따른 접점의 열화가 접점 표면, 바운싱 현상에 미치는 영향을 알아보기 위해 14만 회까지 반복 실험을 진행하였다.

대상 데이터

사용된 릴레이의 경우 R, S, T상을 갖는 3상 릴레이이다. 3개의 상 중 T상에 표 1에 제시된 조건으로 부하에 연결하여 14만 회까지 반복동작을 실시하였다.
사용된 릴레이의 접점 구동 형태는 그림 2와 같은 double-break, single 구조이다. Double-break 구조는 두 개의 single 구조가 직렬로 연결되어 있는 것과 유사하기 때문에 single 구조보다 적은 접점의 융착, 높은 절연 능력과 차단 용량을 가지고 있다.

데이터처리

바운싱으로 인한 전체 on/off 횟수를 측정하여 비교하였다. 또한 바운싱의 지속 시간이 짧을 경우 접점에 미치는 영향이 작다고 알려져 있다.

이론/모형

실험에 사용된 인가전압과 부하, 동작시간은 표 1과 같다. 릴레이 on/off시 인가되는 전압의 변화를 최소화하기 위해 AVR (automatic voltage regulator)을 사용하였다. 부하의 경우 무유도 저항을 사용한 로드뱅크를 이용하였다.
동시에 S상은 전기적으로 접속하지 않고 기계적인 반복만을 수행해 두 접점의 특성 변화 차이를 분석하였다. 접점의 on/off 시간은 KS C IEC 60947-4-1 규격에 따라 0.05s 가동, 5.95s 휴지 시간을 두고 실험을 진행하였다.
릴레이의 접점부분이고 반복으로 노출된 상황에 의한 열화 전후를 비교하기 위해 접점을 분석하였다. 접점의 성분과 표면의 구조를 분석하기 위하여 SEM(scanning electron microscope)을 사용하였다. 보통 SEM 분석 시 대전 효과를 줄이기 위해 백금(Pt) 코팅 후 관찰하지만, 그럴 경우 열화 부식에 의해 손상된 표면이 백금으로 덮어져 다른 형태를 나타내기 때문에 추가 작업 없이 관찰하였다.

성능/효과

또한 아크에 의해 금속증기가 발생되어 은의 함유량이 작게 측정된 것을 확인하였다. 이 두 가지 접점 샘플의 비교를 통해 접점의 표면 변화에 미치는 영향은 기계적인 영향보다는 아크에 의한 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
따라서 총 바운싱 횟수의 차이는 아크에 미치는 영향이 작은 짧은 바운싱 횟수의 차이로 인해 나타난다. 결과적으로 전기적 열화로 생긴 바운싱 횟수 감소는 릴레이의 수명에 긍정적인 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

후속연구

접점 간 아크가 발생하게 되는 최소 전압과 최소 전류는 접점의 소재에 따라 결정된다 [3]. 아크 발생이 접점의 열화에 어떠한 영향을 미치는지 분석하는 것은 접점 소재의 선정에 있어 중요한 기초 자료로써 활용될 수 있다. 따라서 본 실험에서는 전기적으로 접속되어 열화된 접점의 특성과 전기적으로 부하에 접속되지 않은 채 기계적인 반복운동만을 진행한 접점의 특성 간의 차이를 접점의 성분변화와 바운싱 현상을 중심으로 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	릴레이 접점 마모는 어떤 과정을 통해 발생하는가?	릴레이 접점 마모의 주요 원인은 Make시 발생하는 바운싱 현상이다. 두 접점이 충돌할 때 바운싱 현상이 나타나게 되고, 전기적으로 접속되어 있을 경우 접점 사이에 아크가 발생한다. 바운싱 시간 동안 접점 사이에 아크가 발생하게 되면, 접점 표면은 열화 되고 금속성분은 녹게 된다 [2]. 이러한 현상은 전기적으로 부하와 접속되지 않은 접점과는 다른 특성을 나타나게한다.
	릴레이의 장점은 무엇인가?	하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV) 등이 그에 대한 해결책으로서 점차 시장을 차지하고 있다. 릴레이는 제어의 편의성, 유지 보수의 편의성, 가격적인 측면에서의 장점을 가지고 있다. 따라서 전기자동차(EV)에 적용되는 릴레이의 수요는 점차 증가하고 그에 따라 릴레이의 신뢰성에 관한 요구가 커지고 있다 [1].
	최근 자동차 제조 회사들은 무엇에 집중하고 있는가?	최근 자동차 제조 회사들은 오염 물질 배출이 적은 친환경 자동차 개발에 집중하고 있다. 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV) 등이 그에 대한 해결책으로서 점차 시장을 차지하고 있다.

참고문헌 (6)

Y. K. Ko, S. S. Cho, H. Huh, S. Y. Lee, H. T. Park, and I. S. Oh, Proc. ISIE (2009) p. 169.
J. M. Ryu, S. H. Choi, K. H. Park, and C. S. Huh, Proc. KIIEE, 27, 383 (2014).
P. G. Slade, Electric Contacts: Principles and Application (Marcel Dekkerm, 1999) p. 464.
Z. K. Chen and K. Sawa, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part A, 21, 311 (1998). [DOI : http://dx.doi.org/10.1109/TCPMC.1998.7102529]

상세보기
S. H. Choi, K. S. Kim, J. M. Ryu, and C. S. Huh, Proc. KIIEE, 28, 117 (2015).
P. G. Slade, Electric Contacts: Principles and Application, (Marcel Dekkerm, 1999) p. 591.

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