2.1 가스밀폐형 직류 접촉기의 구조 및 동작원리

가스밀폐형 직류 접촉기의 구조는 Fig. 1에서와 같이 고정접점(Feixd contact), 가동접점(Moving contact), 접촉스프링(Contact spring), 고정코어(Fixed core), 코일(Control coil), 복귀스프링(Return spring), 가동코어(Moving core) 등으로 구성된다. 코일에 전압을 인가하면, 전자기장에 의해 가동코어가 상승하여 고정코어와 접촉하여 전류가 흐르게 된다. 이와 반대로 제어코일에 전압을 차단하면 코일에 유기된 전자기장이 사라지게 되며, 복귀스프링에 의해 가동코어는 초기상태로 복귀되어 전류가 차단된다. Fig. 1에서 직류 접촉기의 구조 및 동작절차를 보인다.

Fig. 2에서 가동코어의 동작은 두 개의 스프링 때문에 2단계로 이루어진다. 즉, 제어코일에 전원이 인가되면 자기장이 발생되고, 이 자기장에 의해 먼저 가동코어가 복귀 스프링을 압축하면서 가동접점과 고정접점이 접촉하게 된다. 이때 고정접점과 가동접점사이의 거리(Gap)가 0으로 되어 두 접점은 접촉상태가 된다. 그러나, 가동코어와 고정코어는 아직 접촉되지 않은 상태이다(P1동작으로 명명).

자기장이 접촉스프링을 압축할 수 있을 정도로 충분히 크면, 가동코어와 고정코어 사이의 거리(Over travel, O/T)가 0으로 되어 이 두 코어는 접촉하게 된다. 이 상태가 직류 접촉기의 완전한 On상태라고 정의 될 수 있다(P2동작으로 명명). 그러므로, P1동작만 이루어진 상태는 완전한 On상태로 보기가 어렵다.

그림 1. 가스밀폐형 직류 접촉기의 구조 및 동작절차

Fig. 1. Structure and operating procedure of gas-sealed DC contactor

그림 2. 직류 접촉기의 2단계 동작상태(P1동작과 P2동작)

Fig. 2. Two step operating status of DC Contactor

2.2 동작상태 측정방법의 문제점

불완전한 동작상태가 접촉기의 성능에 영향을 미치기 때문에 완전한 동작 상태인지 아닌지를 확인하는 것은 매우 중요하다. 지금까지는 코일에 인가되는 전압을 측정하는 방법과 접촉저항을 측정하는 두 가지 방법이 제안되어 제조공정에 적용되고 있다. 전자의 경우에는 인가전압이 가동접점이 상승하여 고정접점에 맞닿는 순간에 측정되므로 완전한 On접촉상태인 가동코어와 고정코어가 접촉된 상태를 파악하기 어렵다. 따라서 본 절에서는 후자의 접촉저항 측정상의 문제점을 살펴보기로 한다.

Fig. 3은 P2동작 정상시료와 P2동작 불량시료를 대상으로 접촉저항을 측정한 실험상황을 나타낸 것이다. 이 실험으로부터 완전한 On접촉상태인 P2동작에 이르는 9V를 제어코일에 인가했을 때, 정상시료의 접촉저항 값 0.137mΩ과, 불량시료의 접촉저항 값 0.417mΩ이 각각 측정되어 정상시료와 불량시료의 접촉저항에 차이가 있음을 알 수 있다. 그러나 불량시료, 접점부의 이물질 등으로 인한 접촉저항의 편차가 일정하지 않아 이 측정된 접촉저항 값으로 접촉상태를 판정하기가 불가능하다.

따라서, 완전한 On접촉상태를 파악하기 위하여 다음 장에서와 같은 측정방법과 판정방법이 고려될 필요가 있다.

그림 3. 양품-불량품 시료간 접촉저항 값 비교

Fig. 3. Contact resistance value comparison between normal and defect

3.1 제어코일의 특성방정식

접촉기의 동작원리는 제어코일에 전압이 인가되면, 이에 따라 유기전압이 발생하게 된다. 이를 식으로 표현하면 식(1)과 같다^[9].

여기서, $e$는 유기전압[V], $N$은 코일턴수, $\phi$는 자속밀도[T], $i$는 제어코일의 전류[A], $x$는 가동코어의 이동거리[m]이다.

유기전압은 가동코어가 자계경로에서 움직일 경우에 운동 상태를 고려하여 다음 식으로 산출된다^[10].

여기서, $i$는 전류[A], R은 코일의 저항[Ω], λ는 자속 쇄교수[Wb turns]이다.

자속 쇄교수 λ는 시간의 변화에 따라 2가지의 변화를 포함하게 된다. 하나는 전류의 변화에 따라 발생하게 되고, 다른 하나는 가동코어의 이동거리$x$에 따라 발생한다. 이를 식으로 표현하면 식(3)과 같다^[10].

한편, Fig. 4의 직류접촉기의 동작 메카니즘에서 P1동작시 접점거리(Gap)에 가해지는 힘 $k_{b}x$와 P2동작시 압축거리(O/T)에 가해지는 힘$k_{c}x_{1}$을 고려하면 직류 접촉기에서의 동작특성은 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $m_{p}$는 가동코어의 질량[kg]이고, $x_{a}$는 가속도[$m/s^{2}$], F는 자기장에 의해서 발생하는 힘[N]이다. $k_{b}$는 복귀스프링 상수[$kgf/mm^{2}$], $x$는 가동코어가 접점에 닿을 때까지의 이동거리[m], $k_{c}$는 접촉스프링의 상수[$kgf/mm^{2}$]이고, $x_{1}$은 P2 동작 시 이동하게 되는 거리[m]이다. $F_{d}$는 중력에 의해 발생하는 힘[N]이다. 식(4)는 다음의 식으로 표현이 될 수 있다.

여기서,

$E(x,\: i)=\dfrac{\delta\lambda(x,\: i)}{\delta x},\: L(x,\: i)= L_{e}+\dfrac{\delta\lambda(x,\: i)}{\delta i}$

식(6)은 가동코어 속도와 변위의 관계를 나타내고, 식(7)은 제어코일의 전류와 가동코어 변위의 관계를 나타낸다.

그림 4. 직류 접촉기의 동작 메카니즘

Fig. 4. Operating mechanism of DC Contactor

3.2 모의 분석을 통한 전류변화 패턴 분석

전류변화 패턴 모의 분석을 위해 표 1의 직류 접촉기 설계 스펙에 대하여 ANSYS Maxwell 소프트웨어 팩키지를 적용하였다. 표1은 상용 직류 접촉기 GER-150ST(450V, 150A)의 설계 스펙이다.

표 1에 대하여 모의 분석한 결과, Fig. 5와 같은 결과 값을 얻었다. 검은색 선은 가동코어의 움직임을 나타내고, 파란색은 제어코일의 전류 값을 나타낸다. 맨 아래 주황색 선은 스프링의 하중 값을 나타낸다. 제어코일의 전류 값을 나타내는 파란색 선을 보면 두 번의 변곡점이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 전류변화 패턴은 가동코어의 움직임에 의해 발생하는 자속 쇄교 현상 때문에 나타난 것이다.

Fig. 6에서 가동코어의 움직임에 대해 설명하면, 가동코어가 총 이동할 수 있는 거리는 1.45mm이다. 코일에 전압이 인가되면 가동코어는 0.9mm 이동하게 되고, 이때 가동접점이 고정접점과 접촉하여 통전이 된다. 가동접점이 고정접점에 접촉하는 순간 접촉스프링의 하중 값에 의해 일시적으로 가동코어의 움직임이 멈추게 된다. 그렇지만 가동코어는 고정코어에 아직 접촉되지 않은 상태이므로 0.55mm를 더 이동하게 된다.

가동코어의 움직임이 일시적으로 멈추게 되는 이유는 두 개의 스프링 하중 값에 큰 차이가 있기 때문이다. 이러한 가동코어의 일시적인 멈춤 때문에 두 번의 자속 쇄교 현상이 나타나게 되고, 두 번의 변곡점을 갖는 전류변화 패턴이 만들어 진다.

그림 5. 가동코어 움직임에 따른 제어코일 전류변화 패턴

Fig. 5. Current change pattern due to moving core displacement

그림 6. 가동코어의 동작원리

Fig. 6. Operating principle of moving core

3.3 동작상태 판정 방법

Fig. 5에서의 전류변화 패턴을 하기에서 고찰하기로 한다. 먼저, 제어코일에 전압이 인가되면 전자기력이 발생하게 되고, 가동코어를 움직일 만큼 커질 때까지 전류의 기울기는 양의 방향으로 상승한다(ⓐ). 가동코어가 움직이는 순간부터 자속 쇄교가 발생하게 되며, 제어코일 전류의 기울이가 음의 방향으로 변경된다(ⓑ). Gap과 O/T가 만나는 구간에서는 복귀스프링과 접촉스프링의 탄성계수 차이로 인해 가동코어의 움직임이 일시적으로 멈추게 된다(ⓒ). 이때 전류의 기울이는 양의 방향으로 바뀌게 된다. 가동코어 고정코어까지 이동하게 되면, 제어코일 전류의 방향이 다시 음의 방향으로 바뀌게 된다(ⓓ). 가동코어가 끝까지 이동을 마치면, 전류파형의 방향이 다시 양의 방향으로 변경되며(ⓔ), 안정화 되게 된다.

고찰의 결과로부터 가동코어의 움직임에 따라 제어코일의 전류변화 패턴에는 두 번의 변곡점이 나타나고, 이로부터 직류 접촉기의 가동접점이 P2까지 정상동작 되었는지의 여부를 확인할 수 있다. 그러므로, 제어코일 전류변화 패턴상의 변곡점이 한번만 나타나는 경우는 비정상적인 동작불량, 두 번 나타나는 경우는 정상동작 이라고 판단할 수 있다

4.1 실증시험설비 구축

실증시험을 위한 시험설비 구성은 Fig. 7과 같이 하였다.

제어코일의 전류파형을 측정하기 위한 장비들은 아래 표 2와 같으며, 접촉기의 작동상태를 확인하기 위해, 주 단자부에 9V 건전지를 연결하여 통전여부를 확인하였다. Fig. 9에 실험장비의 구축 현황을 보인다.

그림 7. 실증시험설비의 구성도

Fig. 7. Circuit diagram for field test equipments

그림 8. 실험장비 구축현황

Fig. 8. Status of field test equipments

그림 9. 제어코일 인가전압 6V 일 때의 전류변화 패턴

Fig. 9. Coil current change pattern measured at 6 V coil voltage

4.2 제어코일 전류의 측정 절차 및 결과

제어코일의 전류변화 패턴을 분석하기 위해서는 직류전원장치로부터 제어코일에 인가되는 전압크기를 다르게 해야 한다. 이를 위해, 그 전압을 6V, 9V, 6.6V, 6.8V, 7.5V로 하였다. 또한, 9V 인가 시 동작불량 시료에 대한 파형을 추가하여, 정상시료와 비교시 어떤 차이점이 있는지 비교분석 하기로 한다.

먼저, 제어코일에 동작전압이 훨씬 미치지 못하는 6V가 인가되었을 경우의 측정된 전류변화 패턴인 Fig. 9를 보면, 변곡점 없이 일정하게 상승하게 됨을 알 수 있다.

다음에는 완전접촉인 P2까지 동작하도록 인가전압을 9V로 한 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 2개의 스프링을 가지고 있기 때문에 두 번의 변곡점을 갖는 완전접촉시의 전류변화 패턴을 Fig. 10에서 확인할 수 있다.

그림 10. 제어코일 인가전압 9V 일 때의 전류변화 패턴

Fig. 10. Coil current change pattern measured at 9 V coil voltage

Fig. 10에서 보면, 첫 번째 변곡점에서 주 단자부의 전압이 9V→0V로 되었고, 이 상태는 P1까지만 동작된 상태이다. 이후 가동코어가 접촉스프링을 압축시키면서 두 번째 변곡점이 나타나게 됨과 동시에 가동접점이 고정접점에 완전히 맞닿은 후에는 더 이상 변곡점이 발생하지 않게 된다.

Fig. 11에서는 동일한 9V가 코일에 인가되어도 완전접촉이 되지 않은 동작불량상태 P1의 전류변화 패턴인 한 번의 변곡점만 나타난 것을 알 수 있다.

추가적으로, 코일에 인가되는 다양한 전압에 대한 전류변화 패턴을 알아보기 위하여 제어코일에 9V보다 작은 6.6V, 6.8V, 7.5V 를 인가하여 측정한 전류변화 패턴을 Fig 12, 13, 14에 제시한다. 이를 통해, 직류개폐기의 On-Off 동작상태 판정에 그치지 않고, 다양한 상태에 대한 정보 획득이 가능하다.

그림 11. 9V 인가시 동작불량 상태 P1 시료의 전류변화패

Fig. 11. Coil current change pattern of P1 state at 9V coil voltage

Fig. 12의 전류변화 패턴을 살펴보면, 인가된 전압은 6.6V 이고 변곡점이 1개인 패턴으로 가동코어는 Gap까지만 이동하였음을 알 수 있다. 이는 인가된 전압의 크기가 작아서 발생한 경우로 동작전압은 정상적으로 측정된다. 이와 같은 경우, 동작전압만 측정하여 직류 접촉기의 동작상태를 판단한다면, 설계시 의도했던 P2까지 완전히 이동했는지 알 수 없게 된다.

그림 12. 제어코일 인가전압 6.6V 일때의 전류변화 패턴

Fig. 12. Coil current change pattern measured at 6.6 V coil voltage

다음으로 P1과 P2 중간상태의 파형을 확인하기 위해 제어코일에 6.8V를 인가하였다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 P2까지 동작하는데 더 많은 시간(300ms)이 소요됨을 확인할 수 있다. 따라서, 동작전압만으로는 가동코어의 움직임을 정확히 파악하기가 어렵다.

그림 13. 제어코일 인가전압 6.8V 일때의 전류변화 패턴

Fig. 13. Coil current change pattern measured at 6.8 V coil voltage

코일인가전압을 7.5V로 한 Fig. 14에서, P1동작과 P2동작사이의 간격이 70ms로 제어 코일의 인가전압 6.8V일 때와 비교시 230ms 짧아진 것을 볼수 있으며, 이것은 인가된 전압의 크기가 커질수록 액추에이터에 발생한 힘이 커져 가동코어의 이동속도가 빨라졌기 때문이다.

그림 14. 제어코일 인가전압 7.5V 일때의 전류변화 패턴

Fig. 14. Coil current change pattern measured at 7.5V coil voltage

상기에서 서술한 바와 같이, 직류접촉기에 전압이 인가되어 가동접점의 완전한 On접촉상태는 제어코일의 전류변화 패턴을 통하여 판정할 수 있음이 확인 되었다.