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3상 모니터링 계전기의 선택과 응용

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글/Arthur(Art) Pini, Digi-Key Electronics의 기고 작가

난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템, 수 처리자재 관리, 기계 공구, 해양 및 항공 분야에서 발견되는 대부분의 상업용 기계와 산업용 기계는 3상 모터로 구동된다. 이러한 안정적인 장치도 다양한 결함 조건에 의해 손상될 수 있다. 결함 조건을 신속하게 해결하지 않을 경우 고장으로 이어지거나 최소한 작동 수명이 단축되어 다운타임과 수리 비용이 크게 증가할 수 있다.

위상 모니터링 계전기를 사용하여 이러한 오류를 감지한 후 작업자에게 알려서 영구히 손상되기 이전에 기계를 멈출 수 있다. 이러한 계전기는 세 개의 위상이 모두 있는지, 시퀀스가 올바른지, 위상 전압이 올바른 범위 내에 있는지 감지할 수 있다. 오류가 발생하면 계전기는 접점 세트를 열어서 경보 조건을 시작하거나 기계 전력을 차단할 수 있다.

다양한 위상 감지 계전기를 사용하여 광범위한 전압, 3상 구성, 오류 조건을 처리할 수 있다. 이 기사에서는 잠재적인 모터 장애 모드와 위상 감지 계전기의 작동 방식을 설명한 다음 Carlo Gavazzi의 실제 사례를 사용하여 3상 모니터링 계전기의 선택과 응용 분야에 대해 살펴본다.

3상 모터 장애 모드

다양한 산업에서 발생하는 일반적인 결함은 3상 전원 및 3상 전원이 모터에 미치는 영향과 관련이 있다. 세 위상 중 하나가 손실되거나 위상 전압의 균형이 맞지 않을 경우 나머지 위상에서 정상치보다 높은 전류가 모터에 공급되어 기계에서 출력이 부족하고 과도한 진동이 발생할 수 있다. 마찬가지로 부족 전압과 과전압이 발생하면 모터에서 동일한 부하를 구동하기 위해 전류를 높이게 되므로 모터 수명이 단축될 수 있다.

또한 잘못된 위상 시퀀스는 모터를 역방향으로 작동하여 모터 부하의 측면에서 재앙과도 같은 결과를 초래할 수 있다.

위상 모니터링 계전기 기능

위상 모니터링 계전기는 3상 전원의 상태와 관련된 다양한 기능을 수행한다. 위상 모니터링 계전기는 모니터링의 대상인 3상 라인을 통해 구동된다. 모든 위상 모니터링 계전기는 위상 시퀀스와 위상 전압 손실을 모니터링한다. 위상이 모두 있고 전력 시퀀스가 올바르면 계전기가 작동한다. 위상이 손실되거나 위상 시퀀스가 잘못된 경우 계전기의 동력이 차단된다. 또한 일부 위상 모니터링 계전기는 세 위상 모두에 대한 전압 레벨을 모니터링한다. 전압 결정에서는 실효값(TRMS) 측정을 사용하며 진폭이 사전 설정된 임계값보다 작아지면 계전기를 멈춘다. 일부 장치에서는 동일한 진폭 감지 기능을 제공하지만 제한 설정을 사용자가 조정할 수 있다. 다양한 계전기 모델에서 위상 비대칭과 허용 오차 범위를 모니터링한다. 모든 계전기는 전압 레벨 또는 비대칭 문제로 인해 스퓨리어스 활성화를 방지하기 위해 작동하기 전에 지연 시간이 있다. 일부 모델에서는 지연을 프로그래밍할 수 있다.

위상 모니터링 계전기 옵션

3선 구성에 대한 위상 감지 계전기의 예로는 Carlo Gavazzi Inc.의 DPA01CM44가 있다(그림 1). 이 계열은 3상 전원으로 구동되며, 230VAC, 400VAC, 600VAC 및 690VAC 전압으로 작동되는 모델을 사용할 수 있다. 이러한 계전기는 DIN 레일에 실장되며, 플러그인 버전을 사용할 수도 있다. 계전기 출력 구성은 단극 쌍투(SPDT) 또는 이중 SPDT 접점이다.

[그림 1] DPA01CM44는 SPDT 계전기 접점 출력을 사용하는 208VAC ~ 480VAC 3상 라인용 DIN 레일 실장 위상 모니터링 계전기이다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

정상 전압 조건에서 계전기가 작동된다. 즉, 계전기 출력의 상시 개방(NO) 접점이 닫히고, 상시 폐쇄(NC) 출력 접점이 열린다. 계전기는 100ms 이내에 작동하며 전면 패널의 상태 LED는 전원 켜기 및 계전기 활성화를 나타낸다.

DPA01 위상 모니터링 계전기를 설치하여 3상 라인을 모니터링하거나(그림 2의 예제 1), DPA01 위상 모니터링 계전기를 3상 모터와 연결할 수 있다(예제 2).

[그림 2] DPA01 계열 3상 모니터 계전기의 응용 분야 예 예제 1(왼쪽)은 3상 라인을 모니터링하기 위해 연결된 경우를 보여준다. 예제 2(오른쪽)는 3상 라인을 모니터링하는 데 사용되는 경우를 보여준다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

어느 응용 분야에서든 오류 조건이 발생하면 적절한 방식으로 계전기에 연결된 접촉기가 연속 3상 회로를 열고, 모니터링 계전기는 전원에 연결된 상태로 유지된다. 모터 없이 3상 라인을 모니터링하도록 연결된 경우 누락된 입력 레벨이 큰 폭으로 떨어지므로 부동 위상을 문제 없이 감지할 수 있다. 모니터를 모터에 연결한 경우 모터를 작동하면 내부 유도 커플링으로 인해 누락된 위상이 다시 생성된다. 계전기는 진폭이 공칭 3상 전압의 85% 미만일 경우 누락된 위상을 감지하도록 설정된다. 따라서 모터 재생이 공칭 선간 전압의 85% 미만인지 확인해야 한다.

과전압 또는 부족 전압 임계값을 맞춤 설정해야 하는 경우 Carlo Gavazzi의 DPB01CM48 다기능 위상 모니터링 계전기를 사용할 수 있다. 이 계전기는 과전압 및 부족 전압 조건과 손실된 위상 및 부적절한 위상 시퀀스를 감지한다. 과전압 및 부족 전압 임계값 레벨은 사용자가 전면 패널 스위치를 통해 조정할 수 있다(그림 3).

[그림 3] DPB01CM48 다기능 위상 모니터링 계전기는 위상 손실, 위상 시퀀스, 전면 패널 제어를 사용하여 선택 가능한 과전압 및 부족 전압 임계값을 모니터링한다. 사용자는 과전압 및 부족 전압 작동용 계전기의 작동 지연을 조정하여 과도 작동을 최소화할 수 있다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

이 계전기 역시 DIN 레일에 실장되며 델타 및 star/wye 3상 토폴로지를 모두 지원한다. 사용자 프로그래밍 가능 전압 범위를 380VAC, 400VAC, 415VAC, 480VAC 선간 전압 및 220VAC, 230VAC, 240VAC, 277VAC 상전압으로 선택할 수 있다. 회로 토폴로지와 전압 범위는 내부 딥 스위치를 사용하여 설정한다. DPB01 제품군의 개별 모델이 저전압 범위를 처리한다.

계전기의 전면 패널에 3개의 제어 손잡이가 있다. 위쪽 손잡이는 공칭 전압의 -2% ~ -22% 사이에서 저전압 임계값을 설정하고, 가운데 손잡이는 공칭 전압의 2% ~ 22% 사이에서 고전압 임계값을 설정하고, 아래쪽 제어 손잡이는 10ms ~ 30초 사이에서 작동 지연을 설정하는 데 사용된다. 지연은 실수로 계전기를 넘어뜨려서 과도 전압 중에 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

계전기의 전면 패널에는 상태를 나타내는 세 개의 LED가 있다. 녹색 LED는 전원이 켜진 상태를 나타내고, 노란색 LED는 계전기 전원이 인가된 상태를 나타냅니다. 경보 이벤트가 있는 경우 노란색 LED가 꺼지고 타임아웃 후 계전기 전원이 차단되고 빨간색 LED가 깜박이다. 오류가 과전압 또는 부족 전압 조건에 해당하는 경우 빨간색 LED가 2Hz 주파수로 깜박이고 타임아웃 후 계전기 전원이 차단된다. 손실된 위상 또는 잘못된 위상 시퀀스가 발생할 경우 200ms 이내에 계전기 전원이 차단되고 오류 조건이 유지되는 동안 빨간색 LED가 5Hz 속도로 깜박이다.

DPC01DM69 위상 모니터링 계전기에는 Carlo Gavazzi의 최대 기능이 설정되어 있다(그림 4). 이 DIN 레일 실장 계전기는 위상 시퀀스, 위상 손실, 과전압, 부족 전압, 위상 대칭, 허용 오차 범위를 모니터링한다.

[그림 4] DPC01DM69는 계전기 상태(노란색), 경보 상태(빨간색) 및 전력 상태(녹색)를 나타내는 LED가 왼쪽 모서리에 탑재된 DIN 레일 실장 위상 모니터 계전기이다. 제어기는 허용 오차 범위/비대칭 또는 과전압/부족 전압 임계값 및 계전기 지연을 설정한다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

DPC01DM69는 작동 전압 범위 및 3상 토폴로지 선택의 측면에서 DPB01CM48과 비슷하게 작동한다. 이 계전기에는 전원 켜기 지연(1초 또는 6초), 출력 구성(이중 SPDT 접점 세트 또는 단일 쌍극 쌍투(DPDT) 접점 세트), 과전압/부족 전압 또는 비대칭/허용 오차 범위 모니터링 기능을 선택하기 위한 추가 딥 스위치가 있다.

DPC01CM69는 경보 유형에 따라 세 가지 모드로 작동된다. 위상 손실 또는 잘못된 위상 시퀀스 이벤트가 발생할 경우 출력 계전기 1 및 2의 전력이 차단된다. 과전압 또는 비대칭 이벤트가 발생하면 사전 설정된 지연 1 종료 후 출력 1 계전기의 전력이 차단되고, 부족 전압 또는 허용 오차 범위 이탈 이벤트가 발생하면 사전 설정된 지연 2 종료 후 출력 2 계전기의 전력이 차단된다. 이중 출력 배열을 사용하면 다양한 경보 이벤트에 훨씬 유연하게 대응할 수 있다.

비대칭은 전원 품질을 나타내며 선간 전압 최대 편차의 절대값을 3상 시스템의 공칭 전압으로 나눈 값으로 정의된다. 허용 오차 범위는 전원 품질을 나타내며 공칭 전압 기준 선간 전압 최대 편차의 절대값을 3상 시스템의 공칭 전압으로 나눈 값으로 정의된다(그림 5).

일반적으로 3상 모터의 과열을 방지하기 위해 3상 라인 불균형은 2% 미만이어야 한다. DPC01CM69의 비대칭 및 허용 오차 범위는 2% ~ 22%를 포괄한다.

[그림 5] 3상 전원의 비대칭 및 허용 오차 범위 방정식 (이미지 출처: Carlo Gavazzi Inc.)

결론

다양한 업종에서 3상 AC 모니터링은 손상된 모터로 인한 다운타임으로 많은 비용이 드는 것을 방지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이러한 목표를 쉽고 효과적으로 달성하기 위해 Carlo Gavazzi는 가장 정교한 측정 기술을 사용하여 설계하고 설정하기 쉬운 다양한 3상 모니터 계전기를 제공한다. 이러한 계전기는 위상 손실과 위상 시퀀스를 모니터링하는 간단한 장치부터 과전압, 부족 전압, 위상 비대칭 및 허용 오차 범위를 추가적으로 감지하는 더 복잡한 모니터까지 다양한다. 이러한 위상 모니터 계전기는 3상 전원 문제로 인해 고가의 기계가 손상되는 것을 방지한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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