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과도회복전압의 진동주파수와 진폭율에 대한 연구
김근용, 성기욱 한국전기연구원
The study on the oscillatory frequency and factor(γ) of transient recovery voltage
Geun-Yong Kim, Ki-Wook Sung Korean Electrotechnology Research Institute
Abstract
- 주어진 조건 하에서 의도하는 기간 동안 요구된 기능을 적 절하게 수행하기 위해서는 제품의 신뢰성 확보가 무엇보다도 중요하다.신뢰성 확보를 위해서는 제품의 안전성 및 내구성에 대한 고려가 충분 히 이루어져야 한다. 고빈도 개폐를 목적으로 사용되는 전자기 접촉기 또한 제품의 안전성 및 성능의 신뢰성이 중요한 제품이라 할 수 있다.
그래서 이를 검증하기 위한 전자기 접촉기의 부하개폐동작성능에 대한 평가가 중요한 시험항목으로 부각되고 있다. 그리고 개폐특성을 평가하 기 위한 부하는 규정된 과도회복전압특성을 얻을 수 있도록 조정되어야 한다. 본 논문에서는 부하측 중성점 접지 방식의 부하 회로 조정방법을 사용하여 전자기 접촉기의 개폐성능을 평가하기 위한 과도회복전압의 진동주파수와 진폭율의 특성을 고찰하였다.
1. 서 론
전류차단 직후에 개폐기기의 한 극 또는 퓨즈의 단자에 나타나는 회복 전압(recovery voltage)은 연속되는 두 시간간격으로 고려될 수 있다. 하 나는 과도전압이 존재하는 동안의 시간간격이고, 이어서 두 번째는 상용 주파 전압이나 정상상태의 회복전압만 존재하는 시간간격이다. 현저한 과도 특성을 가지는 시간동안의 회복전압을 과도회복전압(transient recovery voltage)이라 하고, 과도전압 현상이 없어진 후의 회복전압을 상용주파 회복전압(power-frequency recovery voltage)이라 한다. 과도 전압은 회로, 개폐기기의 특성에 따라 진동이나 비진동 또는 이들의 조 합 형태로 될 수 있다.
특히, 전자기 접촉기(electromagnetic contactor)는 고빈도 개폐를 목적으 로 사용되는 개폐기기로, 농형 모터(squirrel-cage motors)의 시동, 운전 중의 정지, 모터가 운전하고 있는 중에 모터의 1차측 접속을 역으로 바 꿔서 모터를 급격히 정지시키거나 역 회전시키는 플러깅(plugging), 모 터를 짧은 기간 동안 1회 또는 반복 여자해서 피동기구를 조금 이동시 키는 인칭(inching)에 많이 쓰이며, 이러한 기기에 대해서 통상의 부하 및 과부하 조건하에서의 차단용량시험의 경우, 과도회복전압의 진동주파 수와 진폭율을 규정해야 한다.
2. 본 론
2.1 과도회복전압 특성을 얻기 위한 부하 회로 구성 2.1.1 부하개폐시험설비 구성
저압 개폐장치에 대한 정상부하조건 및 과부하 조건하에서의 개폐동작 성능을 평가하기 위해서는 개폐시험대, 부하조정을 위한 제어부, 부하 회로 등으로 구성된 부하개폐시험설비가 필요하다. 그리고 이는 규정된 전압에서 규정된 전류, 역률, 상용주파회복전압 등을 조정할 수 있어야 한다. 특히, 부하 회로는 저항과 공심 리액터를 직렬로 하여 구성되어야 하고 어떤 상의 공심 리액터도 리액터를 통해 흐르는 전류의 약
0.6 %
를 저항에 의해 분류되도록 해야 한다.
<개폐시험대> <부하조정판넬>
<부하 회로>
<그림 1> 부하개폐시험설비 구성 2.1.2 부하측 중성점 접지 방식의 부하 회로
그러나 농형 모터의 시동, 운전 중의 정지 등을 제어하는 전자기 접촉기 에 대한 정상부하조건 및 과부하 조건하에서 차단용량시험을 하는 경우 에는, 과도회복전압의 진동주파수와 진폭율을 얻기 위하여
0.6 %
의 분 류 저항 대신에 저항 및 커패시터가 부하와 병렬로 설치되어야 한다.
과도회복전압의 특성을 얻기 위해 부하 회로를 조정하는 데에는 몇 가 지 방법이 사용될 수 있다.
본 논문에서는 부하측 중성점 접지 방식의 부하 회로 조정방법을 사용하였다.
S = 전원 D = 시험중인
기기 C = 상 절환
스위치 B = 다이오드 A = 기록계 Ra = 저항 G = 고주파
발생기 R = 부하회로
저항 X = 부하회로
리액터 Rp = 병렬
저항 Cp = 병렬
커패시터 I1
I2
I3
= 전류센서
<그림 2> 부하측 중성점 접지 방식의 부하 회로 조정방법 회로도
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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2.2 과도회복전압의 진동주파수와 진폭율 특성
농형 모터의 시동, 운전 중의 정지에 대표적으로 적용되는 AC-3급의 전자기 접촉기(정격 사용 전압 AC 440 V, 정격 사용 전류 260 A)를 가 지고 정상부하조건에서 투입 및 차단용량시험하는 경우 과도회복전압의 진동주파수와 진폭율 특성을 알아보기로 한다.
AC-3급에 대한 정상부하에서의 투입 및 차단조건은 다음과 같다.
역률 투입시간(s) 차단시간(s) 2.0 1.05 0.3 ～ 0.4 0.05 60 여기서, : 차단 전류(A) : 기기의 정격 사용 전류(A)
: 상용주파 회복전압(V)
: 기기의 정격 사용 전압(V)
과도회복전압의 진동주파수
와 진폭율
의 값은 실질적으로 고유 주 파수(natural frequency)와 부하 회로의 제동(damping)에 의해 결정된다.이러한 값들은 회로에 가해지는 전압과 주파수와는 상관이 없기 때문에, 조정은 교류발생원으로부터 부하 회로를 여자시켜 실시할 수 있고, 그 전압과 주파수는 기기를 시험하기 위해 사용되는 전원의 그것들과는 다 를 수가 있다. 전류 영인 순간에 다이오드에 의해 회로를 차단하고, 그 스위프(sweep)가 전압발생원의 주파수와 동기화 되어 있는 오실로스코 프의 화면에서 회복전압의 진동을 관찰한다.
신뢰성 있는 측정을 하기위해, 다이오드에 적당한 전압을 인가해 주는 고주파 발생기 G에 의해 부하 회로를 여자시킨다. 그리고 부하 회로 임 피던스에 비해 높은 저항값을 갖는 전압강하용 저항( ≥ 10 Z)을 고 주파 발생기에 직렬로 연결한다.
먼저, 부하 회로를 조정하지 않은 상태, 병렬로 저항 Rp 또는 커패시터 Cp 가 없는 부하 회로의 고유 진동주파수와 진폭율을 측정하였다. 과도 전압을 관찰할 때, 오실로스코프나 그 접속 리드선의 커패시턴스가 부하 회로의 공진주파수에 영향을 주지 않도록 주의해야 할 것이다.
<그림 3> 부하 회로 조정 전 과도회복전압의 진폭율(1.83)
<그림 4> 부하 회로 조정 전 과도회복전압의 진동주파수(78.9 kHz)
개별 모터 부하(유도 부하)를 포함하는 회로내의 조건을 모의하기 위해, 부하 회로의 진동주파수는 다음의 값으로 조정되어야 하며, ㆍ
ㆍ
±
여기서, 는 520 A, 는 440 V이며
는 48.3 kHz ～ 59.0 kHz 이다.진폭율
는 다음의 값으로 조정되어야 한다. ±
고유 진동주파수가 요구되는 값
의 상한치를 초과하는 경우, 적당한 값의 커패시터 Cp 와 저항 Rp 를 병렬로 접속함으로써 규정된 진동주파 수
와 진폭율
의 값을 얻을 수 있다. 저항 Rp는 실질적으로 무유도 성이어야 한다.<그림 5> 부하 회로 조정 후 과도회복전압의 진폭율(1.11)
<그림 6> 부하 회로 조정 후 과도회복전압의 진동주파수(56.88 kHz) 3. 결 론
본 논문에서는 모터의 시동, 정지 등을 제어하는 전자기 접촉기의 투입 및 차단용량을 평가하기 위해 부하측 중성점 접지 방식의 부하 회로 조 정방법을 사용하여 과도회복전압의 진동주파수와 진폭율의 특성을 고찰 하였다. 진동주파수가 규정된 범위의 상한치를 초과하는 경우에는 적당 한 값의 커패시터를 부하 회로에 병렬로 접속하여, 진폭율이 규정된 범 위의 상한치를 초과하는 경우에는 적당한 값의 저항을 부하 회로에 병 렬로 접속하여 유도 부하를 포함하는 부하 회로를 모의할 수 있었다.
그리고 부하 회로를 제동(damping)하지 않는 경우(예를 들면, 부하 회로 의 고유 진동주파수는 규정된 범위의 하한치보다 낮은 값이지만 진폭율 은 규정된 범위의 상한치보다 훨씬 높은 경우)가 실제 더 가혹한 시험 조건이 될 수 있는지에 대해서도 충분히 검토되어야 할 것이다.
[참 고 문 헌]
[1] 김근용, 류재남, “전자기 접촉기의 과도회복전압 특성에 대한 연구”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 2008
[2] IEC, “60947-1 Low-voltage switchgear and controlgear - Part 1:
General rules”, Edition 5.0, 2007. 6
[3] IEC, “60947-4-1 Low-voltage switchgear and controlgear - Part 4-1: Contactors and motor-starters – Electromechanical contactors and motor-starters”, Edition 2.1 + Amendment 2, 2005. 6
