[논문]전자접촉기 열화에 따른 전기적 특성 분석

최순호

doi:10.4313/jkem.2019.32.5.407

전자접촉기 열화에 따른 전기적 특성 분석
Analysis of Electrical Characteristics Due to Deterioration of Electromagnetic Contactor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.5, 2019년, pp.407 - 412

최순호 (구미대학교 전기에너지과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the changes in the electrical characteristics (arc energy, contact resistance, and bouncing phenomenon) due to the deterioration of the contact are analyzed. The results are generally consistent and can be analyzed for contact deterioration. The results of the experiment demonstrate that the arc energy is linearly related to the current when the contact samples and the voltage conditions are the same. The contact resistance varies due to multiple factors, but is generally within a certain range, and the contact deterioration can be determined. Contact stabilization can be detected by the decrease in the bouncing phenomenon due to deterioration (the change of the shape of the contact).

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Example of magnetic contactor structure.
그림 Fig. 2. Experimental apparatus.
그림 Fig. 3. PLC control signal.
표 Table 1. Test conditions.
그림 Fig. 4. Example of contact make and break arc waveform.
그림 Fig. 5. Method of least squares of Arc energy.
표 Table 2. Arc energy according to current.
그림 Fig. 6. Kind of power and resistance in the relay contact.
그림 Fig. 7. Schematic of real contact area [7].
표 Table 3. Physical properties of the contact materials.
그림 Fig. 8. Change of contact resistance due to mechanical impact.
그림 Fig. 9. Change of contact resistance due to electrical deterioration.
그림 Fig. 10. Total duration time of bounce phenomenon.
그림 Fig. 11. Change of the bounce number.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 일정한 기준에서 전자접촉기의 장기적 열화 진행 시 접점의 기계적(바운싱 현상), 전기적 (접촉저항) 특성 변화를 분석하였고, 이 결과를 전자접 촉기 열화 사전파악에 활용할 수 있는지를 판단하였다.

가설 설정

전자접촉기의 접점은 동작 과정에서 지속해서 응력이 가해지고 부하인가로 인해 순간적인 아크가 발생한다. 결과적으로 가해지는 기계적 힘과 전기적 에너지를 통해 접점 표면 형상이 지속해서 변화할 것이다.

제안 방법

또한, 접점 작동에 의한 표면에 발생하는 기계적 충격에 의한 진동을 관찰하기 위해 접점 ON/OFF 시 발생하는 바운싱 현상을 측정하였다. 바운싱 현상은 오실로스코프를 이용하여 측정하였으며, 전원소스(DC 9 V)와 저항으로 구성된 회로를 제작하여 접점 작동 시 측정되는 순간적인 DC 파형으로 열화가 진행됨에 따라 변화되는 바운싱 현상을 관찰하였다.
또한, 접점 작동에 의한 표면에 발생하는 기계적 충격에 의한 진동을 관찰하기 위해 접점 ON/OFF 시 발생하는 바운싱 현상을 측정하였다. 바운싱 현상은 오실로스코프를 이용하여 측정하였으며, 전원소스(DC 9 V)와 저항으로 구성된 회로를 제작하여 접점 작동 시 측정되는 순간적인 DC 파형으로 열화가 진행됨에 따라 변화되는 바운싱 현상을 관찰하였다.
반대로 break 상태 시 전류는 떨어지고 전압이 상승하게 되며, 이를 통해 아크 지속시간과 그시간 동안의 전압, 전류의 값을 측정할 수 있다. 본 실험에서 전류 측정은 고정밀 CT (Bergoz, CT-F0.05), 전압측정은 differential probe (Tektronix P5200)을 사용하여 아크지속시간 동안의 전압, 전류변화를 오실 로스코프로 측정하였다.아크 에너지는 측정값을 바탕으로 식 (1)과 [9,10] 같이 아크 지속시간 동안의 전압, 전류의 값을 계산하여 구하였다.
전자접촉기의 일정한 부하를 인가할 때 접점 열화에 따른 접점의 기계적?전기적 특성 변화를 분석하였다. 그 결과 열화 진행에 따라 분석 결과(접촉저항, 바운싱 현상)가 일정한 특성을 유지하며, 상기 특성을 이용하여 변화되는 특성을 활용하면 추후 열화 정도를 판단할 수 있다.

대상 데이터

실험에 사용된 전자접촉기의 특성과 실험 방법은 표 1과 같고 그림 2와 같은 구성을 통해 실험을 진행하였다. 전자접촉기의 제어는 편의성과 장기적 안정성을 가진 PLC (M사 제품)를 적용하였다. 전자접촉기는 일정 신호 이후에 이동 위치를 유지하는 자계유지형 릴레이가 아니기 때문에 순간적인 신호 이후에는 초기 상태로 돌아오게 된다.

이론/모형

이후 접점 열화에 지속해서 진행되어 접점의 표면의 특성 및 형상 변화에 의해 접점수명의 문제가 발생하였을 때 접촉저항의 급격한 증가를 예상할 수 있다. 릴레이 접점의 아크열화 실험은 ASTM B576-46 [5]을 이용해서 다양한 분석을 진행할 수 있고 이 중 세부적인 실험기준인 ASTM B539-02 [6]에서 제시하고 있는 4선식 측정 방법(4-wire measurement)을 활용하여 접촉저항을 측정하였다.

성능/효과

1) 접점에 작용하는 아크 에너지는 접점 작동 환경 조건이 일정하게 유지될 때 부하의 증가에 따라 아크 에너지는 선형형태로 증가한다. 이를 바탕으로 접점에서 발생하는 아크 에너지 크기와 인가 횟수를 지속해서 추적 가능하다면 접점의 수명을 예측할 수 있다.
2) 접촉저항은 무부하 시 충격반복 실험 시 거의 일정한 범위 내 분포한다. 하지만 열화가 진행될 시변화가 발생하며 이는 아크에 의한 접점표면 형상 변화의 원인에서 찾을 수 있다.
997로 1에 매우 가까운 값을 가지고 높은 선형성을 가지는 것을 알 수 있다. 결과적으로 접점 샘플과 전압 조건이 같을 경우 전류의 값에 따라 아크에너지는 선형성을 가지고 증가한다는 것을 실험을 통해 알 수 있다.
바운싱 지속시간의 평균과 표준편차의 값을 바탕으로 열화가 안정적으로 진행됨을 알 수 있다. 또한, 바운싱의 지속시간은 0.2 ms 기준으로 short/long 바운스 현상으로 분류한 후 발생하는 횟수를 비교한 결과 short 바운스 현상은 상대적으로 많이 발생하고 long 바운스 현상은 일정한 수준을 유지하는 것을 알 수 있다. 하지만 short 바운스 현상은 순간적으 로 발생하는 이유로 열화에 큰 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다.
711이다. 바운싱 지속시간의 평균과 표준편차의 값을 바탕으로 열화가 안정적으로 진행됨을 알 수 있다. 또한, 바운싱의 지속시간은 0.
상기 전류에 변화에 따른 아크에너지의 변화를 최소 자승법(method of least squares)을 사용하여 분석한 결과는 그림 5와 같고 결정계수(R² , coefficient of determination) 값은 0.997로 1에 매우 가까운 값을 가지고 높은 선형성을 가지는 것을 알 수 있다. 결과적으로 접점 샘플과 전압 조건이 같을 경우 전류의 값에 따라 아크에너지는 선형성을 가지고 증가한다는 것을 실험을 통해 알 수 있다.
이와 반대로 접점에 일정 이상의 전류를 흘려 아크가 발생하고 물리적 변화가 일어나면 접점의 산화막이 파괴되고 실제적인 전류흐름 통로인 a-spot이 증가할 것이며, 결과적으로 일정한 부하실험이 진행된 그림 9의 경우에는 15~50 mΩ 사이에서 접촉저항이 분포하는 것을 알 수 있다.
전자접촉기에서 발생하는 아크에너지의 변화를 분석하기 위해 AC 220 V/1~10 A의 변화로 실험한 결과는 표 2와 같고 전류의 크기가 증가함에 따라 최대전압은 감하고 아크지속시간은 증가한다.
하지만 RLC 접촉저항 측정기기를 통한 측정 시 일정한 전압을 흘려 측정이 진행되기 때문에 완벽한 접점 피막이 파괴되지 않은 드라이 회로(dry circuit)가 아니며, 이 때문에 100 mΩ 수준 이하를 유지한다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

전자접촉기의 일정한 부하를 인가할 때 접점 열화에 따른 접점의 기계적?전기적 특성 변화를 분석하였다. 그 결과 열화 진행에 따라 분석 결과(접촉저항, 바운싱 현상)가 일정한 특성을 유지하며, 상기 특성을 이용하여 변화되는 특성을 활용하면 추후 열화 정도를 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자접촉기의 특징은 무엇인가?	전자접촉기는 전기적 접점을 전자석의 원리를 이용하여 간단한 작동으로 다양한 부하를 손쉽게 제어할 수 있다. 전자접촉기가 사용되기 위해서는 전기접점은 결합 시 전류가 흘러 완전한 회로를 구성하여야 하고, 통전 시 전기적 접촉저항이 낮아야 한다.
	전자접촉기의 사용 조건은 어떻게 되는가?	전자접촉기는 전기적 접점을 전자석의 원리를 이용하여 간단한 작동으로 다양한 부하를 손쉽게 제어할 수 있다. 전자접촉기가 사용되기 위해서는 전기접점은 결합 시 전류가 흘러 완전한 회로를 구성하여야 하고, 통전 시 전기적 접촉저항이 낮아야 한다. 또한, 접점의 접촉이 떨어졌을 경우 전류를 차단하여야 제어기능을 확보할 수 있다.
	접점 표면의 열화를 최소화하기 위해서는 무엇을 해야하는가?	전자접촉기 접점의 다양한 열화 인자 중 가장 큰 원인은 접점의 작동 시 발생하는 아크로 인해 접점 표면의 열화가 진행된다. 열화를 최소화하기 위해서는 아크의 발생 시접점 표면에 고온이 발생하기 때문에 접점 물질의 이동 (migration), 증발(evaporation), 융착이 일어나지 않도록 하여야 한다. 또한, 접점 소재의 탄력성(elasticity)과 유연도(softness)를 가져 릴레이 접점의 작동 시 운동 에너지를 최대한 흡수하여 바운싱 현상을 감소시킬 필요성이 있다 [3,4].

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