KR20020061371A

KR20020061371A - 다기능 하이브리드 개폐기

Info

Publication number: KR20020061371A
Application number: KR1020010002406A
Authority: KR
Inventors: 정용호
Original assignee: 엘지산전 주식회사
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-24
Also published as: US6650245B2; DE10201467A1; CN1375923A; KR100397565B1; CN1237695C; DE10201467B4; US20020093774A1

Abstract

본 발명은 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 제어 시스템에서, 전동기의 기동 감시 및 보호 기능, 기동 기능, 개폐기의 제어 기능을 발휘하도록 시스템을 구축하고, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 이러한 본 발명은, 전동기(70)에 공급되는 3상 전원(R,S,T)을 단속하기 위해 직렬 접속된 배선용 차단기(61) 및 개폐기의 기계식 접접부(69)와; 후술할 제어부(65)에 의해 구동되어 상기 기계식 접접부(69)의 접점을 단락시키는 구동코일(SM)과; 상기 배선용 차단기(61)에서 기계식 접접부(69)측으로 공급되는 각 상의 전류를 검출하기 위한 변류기(63R,63S,63T)와; 상기 변류기(63R,63S,63T)를 통해 검출된 신호를 근거로 하여 상기 3상 전원(R,S,T)의 전류/전압을 측정하는 전류/전압 측정부(64)와; 외부로부터 입력되는 런/스톱 제어신호(V_RUN)의 레벨 변화와 상기 전류/전압 측정부(64)의 출력신호를 근거로 하여, 상기 구동코일(SM)과 후술할 반도체 스위치부(66)를 직입 기동방식으로 또는 소프트 스타트 기동 방식으로 구동시켜 기계식 접점부(69)에서의 아크 발생을 억제하는 제어부(65)와; 상기 기계식 접접부(69)에 병렬 접속되어 그 기계식 접접부(69)가 개폐되는 시점 부근에서 상기 제어부(65)의 제어에 의해 단락되는 반도체 스위치부(66)에 의해 달성된다.

Description

다기능 하이브리드 개폐기{MULTI-FUNCTIONAL HYBRID CONTACTOR}

본 발명은 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 기능을 다양화 하는 기술에 관한 것으로, 특히 전동기의 기동 감시 및 보호 기능, 기동 기능, 개폐기의 제어 기능을 발휘하도록 시스템을 구축하고, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있도록 한 다기능 하이브리드 개폐기에 관한 것이다.

통상적으로, 전동기(Motor)를 기동시키는 방식은 전자식 개폐기를 이용하여 전원 전압을 직접 전동기에 공급하는 직입 기동방식, 3개의 전자식 개폐기를 사용하여 유도전동기의 권선을 기동시에는 스타 결선, 운전 중에는 델타 결선 형태로 절환시키는 스타-델타 소프트 스타터(Soft Starter) 방식이 있다.

그런데, 상기 직입 기동방식은 전동기에 많은 돌입전류를 유발시켜 전동기를 손상시키게 될 뿐만 아니라, 개폐기의 접점부도 손상시키게 되는 문제점이 있다. 또한, 스타-델타 소프트 스타터 방식은 별다른 돌입전류를 유발시키지 않지만 개폐기를 3개나 필요로 하고, 주변에 타이머나 보조 스위치 등을 사용해야 하며, 경우에 따라 스타-델타 결선 변경을 지원하지 못하는 전동기에 적용할 수 없는 결함이 있었다. 즉, 정격전압이 3상 380V 또는 440V인 전동기의 경우, 통상적으로 220V 전원에서는 델타 결선 형태로 사용하고, 380V 또는 440V 전원에서는 스타 결선 형태로 사용하도록 제작되기 때문에 220V 전원에서 동작하는 전동기는 스타-델타 기동방식을 적용할 수 있지만, 380V 또는 440V 전원에서는 스타결선 자체가 정격전압이 전동기 권선에 인가되는 조건이기 때문에 이때에는 특별하게 제작된 전동기를 필요로 한다.

이러한 문제점을 모두 해결하기 위한 방법은 전동기 인가전압의 레벨을 제어할 수 있는 SSSS(Solid-state Switched Soft Srarter)를 사용하거나, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어기를 사용는 것이 바람직 하지만, 이러한 장비의 가격이 통상의 스타-델타 기동 방식의 장비에 비하여 상당히 고가이기 때문에 적용하는데 어려움이 있었다. 또한, 반도체 스위치로만 구성된 SSSS는 전류 통전 시 스위치 양단의 손실 때문에 열이 발생하므로 이를 방지하기 위해 히트 싱크(Heat Sink)를 필요로 한다.

한편, 전동기의 운전 중에도 역상, 결상, 불평형, 과부하, 과전류 등을 감시하고, 그 감시 결과를 근거로 전동기에 공급되는 전원의 이상유무를 판단하여 전동기를 보호해 주는 전자식모터 보호용 릴레이(EMPR : Electronic Motor Protection Relay)가 사용된다. 그러나, 통상적으로 이러한 전동기 기동장치 및 EMPR이 단독으로 사용되기 보다는 MCC(MCC : Motor Control Center)라는 판넬 내에 단위 랙(Rack) 형태로 장착되어 사용되기 때문에 이러한 장치들을 서로 연결하는 배선작업을 필요로 한다. 따라서, 이러한 단위 랙 제작 시 배선 작업이 간단하고 주어진 공간 내에서 가능한 많은 랙을 장착할 수 있다면 판넬 제조 비용을 많이 절감할 수 있는 장점이 있기 때문에 MCC 제조업체에 큰 반향을 일으킬 수 있게 된다. 결국, 부피가 적으면서도 전동기를 부드럽게 기동시킬 수 있는 장치가 절실하게 요구되고 있는 실정에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 전동기의 기동, 정지 및 보호, 감시 기능을 갖는 MCC용 단위 랙의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 3상 전원단자(R,S,T)가 회로차단기(MCCB)(11)를 통해 전자식 모터보호용 릴레이부(EMPR)(12)에 접속되고, 그 릴레이부(12)의 출력단이 한편으로는 전원용 개폐기(13)의 3개의 접점을 각기 통해 전동기(16)의 U,V,W 권선에 접속되며, 다른 한편으로는 운전용 개폐기(14)를 통해 상기 전동기(16)의 권선(X,Y,Z)에 접속되어 그 각각의 접속점이 기동용 개폐기(15)의 3 접점에 각기 접속되고, 보조회로(17)가 상기 전자식 모터보호용 릴레이(12)와 상기 3개의 개폐기(13),(14),(15)에 연결되어 시퀀스 제어를 담당하게 구성된 것으로, 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전동기(16)가 기동할 때의 동작을 살펴보면, 회로 차단기(11)의 세 접점이 단락(on)되면, 이에 의해 전자식 모터보호용 릴레이부(12)의 제어회로에 전원이 공급되고, 이때부터 그 전자식 모터보호용 릴레이부(12)는 전동기(16)의 선로에 공급되는 전류를 계속 감시하기 시작한다.

이와 같은 상태에서, 보조회로(17)에 연결된 기동 스위치(푸쉬 버튼)으로부터 명령이 전달되면, 전원용 개폐기(13)와 기동용 개폐기(15)의 접점이 단락되고, 이에 의해 전동기(16)는 스타결선(또는 Y결선) 형태가 되어 회전을 시작한다.

이때, 전동기(16)의 결선에 인가되는 전압은 정격 전압의배의 정격 전압만 인가된다. 이와 같이 전동기(16)에 인가되는 전압이 낮기 때문에 초기의 돌입전류는 상당히 감소된다. 하지만, 일정 시간이 경과된 후에 기동용 개폐기(15)를 개방(off)시키고, 운전용 개폐기(14)를 단락시키면 전동기(16)의 결선 형태가 델타형태로 전환되어 이때부터 전동기(16)에 정격전압이 공급된다. 이러한 동작을 위해 보조회로(17)에는 타이머, 보조 계전기, 푸쉬버튼 등이 필요하게 된다.

한편, 전자식 모터보호용 릴레이부(12)는 전동기(16)가 회전을 시작하여 전류가 흐르기 시작하면 그 전동기(16)에 흐르는 전류를 연속적으로 측정하면서 전원 전압의 위상 순서를 점검하여 역상인지 정상인지를 판단하게 된다. 만약, 이상이 발견되면 곧바로 상기 전원용 개폐기(13)를 개방시켜 전동기(16)에 공급되는 전원을 차단시킨다.

또한, 기동 중에도 전동기(16)에 공급되는 전류량이 규정치 이상으로 증가하여 규정된 시간 이상 지속되면 전동기(16)를 보호하기 위하여 전원용 개폐기(13)를 개방시키고, 전동기(16)에 연결된 선로의 이상이나 전동기(16) 자체 권선의 이상에 의해 결상이 발생되는 경우에도 그 전원용 개폐기(13)를 개방시킨다.

뿐만 아니라, 스타-델타 기동회로의 제어 시퀀스를 절환하여 보조 스위치로부터 기동신호가 입력될 때, 상기 전원용 개폐기(13)와 운전용 개폐기(14)를 동시에 단락시키고 기동용 개폐기(15)를 개방시키면, 직입 기동 형태로 절환되는데, 이와 같이 직입 기동을 허용하는 경우에는 상기 전자식 모터보호용 릴레이부(12)의 동작 특성도 직입 기동의 동작 특성에 상응되게 설정해 놓아야 한다.

한편, 도 2는 종래 기술에 의한 하이브리드 개폐기의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 개폐기의 주접점(22)의 단락,개방을 제어하여 부하(23)의 전원(21) 공급을 단속하는 접점개폐용 구동코일(24)과; 상기 주접점(22)에 서로 역방향으로 병렬접속되어 그 주접점(22)이 실질적으로 단락되는 구간의 바로 이전, 이후 시점에서 소정 시간동안 턴온되어 부하전류를 공급하는 에스씨알(SCR1),(SCR2)과; 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 양단에 발생되는 스파이크 전압을 일정치 이하로 억제하는 스너버(25A)와; 게이트구동펄스열(Vx)에 의해 구동되어 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 게이트 구동신호를 공급하는 게이트 구동부(25B)와; 상기 구동코일(24)에 코일 구동전압(V_coil)을 출력함과 아울러, 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)을 상기와 같은 타이밍으로 구동시키기 위해 입력구동전압(V_input)의 레벨 변화를 검출하여 게이트구동펄스열(Vx)을 출력하는 구동코일 전압 제어기(26A)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

임의의 시점(t_0)에서 구동코일 전압제어기(26A)에 도 4의 (a)와 같은 입력구동전압(V_input)이 인가되면, 이는 내부의 정류부(31)에 의해 정류된 다음 한편으로는 분압부(32)에 공급되어 소정의 레벨로 분압되고, 다른 한편으로는 정전압 발생부(34)에 공급되어 이로부터 제어전압(Vcc)과 구동전압(Vdd)이 출력된다.

전압 검출부(33)는 상기 분압부(32)의 출력전압과 정전압 발생부(34)의 출력전압(Vcc)을 근거로 상기 입력구동전압(V_input)의 레벨 변화를 검출하여 일정 레벨 이상으로 상승될 때 레벨검출신호(V_com)를 "하이"로 출력하고 일정 레벨 이하로 하강될 때 "로우"로 출력한다. 따라서, 시점(t_1)에서 도 4의 (b)와 같이 상기 전압 검출부(33)의 레벨검출신호(V_com)가 "로우"에서 "하이"로 전이된다.

이와 같이 상기 레벨검출신호(V_com)가 "로우"에서 "하이"로 전이될 때, 펄스 발생기(35A)는 도 4의 (c)와 같이 펄스폭이 Tp인 단펄스를 발생한다. 이와 동시에펄스 발생기(35B)는 도 4의 (d)와 같이 펄스폭이 Ta인 펄스(V_Pulse)를 발생한다.

구간(t_1 - t_2)에서는 개폐기의 주접점(22)이 아직 단락된 상태가 아니고 가동접점부가 단락되는 방향으로 이동중인 상태이다. 통상적으로 개폐기의 주접점(22)을 단락시키는데 도 4의 (e)에서와 같이 Tb(20∼50ms) 정도의 시간이 소요되므로, 구동코일 전압 제어기(26A)에서 접점개폐용 구동코일(24)에 코일 구동전압(V_coil)을 출력하고 곧바로 주접점(22)과 병렬접속된 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 게이트(G1),(G2)에 구동신호를 공급해도 된다. 이 경우 도 4의 Ta=0이고, 펄스 발생기(35B)는 불필요하다.

하지만, 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 발열량을 최소로 하기 위하여, 소정 시간(예, Ta=20ms 정도)동안 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 턴온 동작을 지연시킨 다음 상기 펄스 발생기(35B)의 출력펄스(V_Pulse)가 "하이"에서 "로우"로 전이되는 순간에 펄스 발생기(35D)에서 펄스폭이 Td인 단펄스를 도 4의 (f)와 같이 발생한다. 상기 펄스 발생기(35D)의 출력펄스는 오아게이트(OR32)를 통한 후 앤드게이트(AD32)에서 비교기(38)의 펄스폭변조신호(S_PWM)와 앤드조합되어 이로부터 도 4의 (g)와 같은 게이트구동펄스열(Vx)이 출력된다.

상기 앤드게이트(AD32)에서 출력되는 게이트구동펄스열(Vx)에 의해 트랜지스터(Qc) 및 게이트 구동부(25B)가 구동되고, 이에 의해 게이트 구동부(25B)에서 게이트(G1),(G2) 구동신호가 각기 발생되어 에스씨알(SCR1),(SCR2)이 각각 턴온된다.

예를 들어, 시점(t_3)에서 개폐기의 주접점(22)이 단락되는 경우, 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)은 시점(t_2)에서 턴온되어 이들을 통한 부하전류가 도 4의 (h)와 같이 공급되다가 상기 주접점(22)이 단락되는 순간 그 에스씨알(SCR1),(SCR2) 양단의 전압이 제로가 되어 이들이 다시 턴오프된다.

만약, 상기 개폐기의 주접점(22)이 시점(t_3)에서 완벽하게 단락되지 못하고 채터링(Chattering)이 발생되더라도, 도 4의 (g)에서와 같이 시점(t_4)에 도달될때까지 상기 주접점(22)과 병렬로 접속된 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 게이트(G1),(G2)에 공급되는 게이트구동펄스열(Vx)에 의해 그 에스씨알(SCR1),(SCR2)이 반복적으로 온,오프되므로 개폐기의 주접점(22)에서 아크(arc) 현상이 발생되지 않는다.

상기와 같은 과정을 통해 개폐기의 턴온 동작이 종료된 후 상기 구동코일(24)에 계속 높은 전압을 공급하면 그 구동코일(24)이 손상되거나 강한 잔류 자석 성분을 유발시킬 우려가 있으므로 도 4의 (c)에서와 같이 펄스폭이 변조된 형태의 코일 구동전압(V_coil)을 공급하게 된다. 이때, 그 펄스폭은 수 μsec 정도로 짧아도 충분하며, 가청소음을 줄이기 위해 20kHz 정도의 주파수를 사용할 필요가 있다.

이를 위하여, 비교기(38)에서 발진기 및 톱니파발생기(36)의 출력펄스와 펄스폭 제어기(37)의 출력펄스를 비교하여 펄스폭변조신호(S_PWM)를 생성하고, 이 펄스폭변조신호(S_PWM)를 상기 앤드게이트(AD31)의 일측 입력단자에 공급한다. 이에 따라, 도 4의 (b),(c)에서와 같이 상기 전압 검출부(33)의 검출전압(V_com)이 "하이"인 구간동안 코일 구동부(39)를 통해 요구된 펄스열을 공급할 수 있게 된다.

한편, 도 4의 (a)와 같이 상기 입력구동전압(V_input)이 "로우"로 전이되기 시작되면, 시점(t_5)에서 도 4의 (b)와 같이 상기 전압검출부(33)의레벨검출신호(V_com)가 "하이"에서 "로우"로 전이된다. 이때, 펄스 발생기(35C)는 도 4의 (f)에서와 같이 펄스폭이 Te인 단펄스를 발생하게 되고, 이는 상기 오아게이트(OR32)를 통해 앤드게이트(AD32)에서 상기 비교기(38)의 출력신호와 앤드조합되어 이로부터 도 4의 (g)와 같은 게이트구동펄스열(Vx)이 출력된다.

이에 따라, 상기의 설명에서와 같이 트랜지스터(Qc) 및 게이트 구동부(25B)를 통해 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 게이트(G1),(G2) 구동신호가 발생된다. 이때, 주접점(22)이 곧바로 개방되는 것이 아니라, 도 4의 (e)에서와 같이 소정의 지연시간(Tc)을 갖게 되므로 해당 지연구간(t_5-t_6)에서 상기 에스씨알(SCR1), (SCR2)이 오프상태를 유지하다가 주접점(22)이 개방되는 순간부터 부하전류를 공급하는 역할을 담당하게 된다.

이후, 시점(t_7)에서 상기 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 게이트(G1),(G2) 구동신호를 차단하게 되면, 그 에스씨알(SCR1),(SCR2)에 흐르는 전류의 극성(방향)이 반전될때까지 계속 온상태를 유지하다가 시점(t_8)에서 오프된다. 이때, 저항(Rs), 콘덴서(Cs) 및 바리스터(ZNR1)로 구성된 스너버(25A)에 의해 에스씨알(SCR1),(SCR2)의 양단에 발생되는 스파이크 전압이 일정치 이하로 억제된다.

한편, 도 4의 (i)는 최종적으로 부하(23)에 공급되는 전류의 통전 구간을 나타낸 것으로, 에스씨알(SCR1),(SCR2)이 턴온된 시점(t_2)부터 턴오프된 시점(t_8)까지가 통전구간임을 나타내고 있다. 또한, 도 4의 (h)는 하이브리드 개폐기가 1회에 걸쳐 턴온되었다가 턴오프될 때 에스씨알(SCR1),(SCR2)에 흐르는 전류구간을 나타낸 것으로, 이 에스씨알(SCR1),(SCR2)에서의 발열량을 최소로 하기 위해서는구간(Tf),(Tg)의 길이가 최소로 되도록 설계해야 한다.

그러나, 도 1과 같은 종래의 기술에 있어서는 기동 시 돌입전류량을 상당히 줄일 수 있지만, 완전한 소프트 스타터 특성을 갖지 못하며, 더욱이 이를 위해 3개의 개폐기와 1 개의 타이머 및 1 개의 보조 계전기가 필요하기 때문에 이들을 위해 많은 공간을 할애해야 되고, 이들은 연결하기 위한 선로도 상당히 많기 때문에 MCC반에 장착시킬 때 매우 불리한 조건을 갖게 된다. 뿐만 아니라, 전동기의 개폐가 빈번한 경우에는 개폐기 접접에서 발생하는 아크 때문에 개폐기의 접점이 쉽게 손상되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 솔리드 스테이트 스위치로 구성되어 있는 소프트 스타터를 사용하게 되는데, 이와 같은 경우, 소프트 스타터 자체의 가격이 인버터나 VVVF보다 저렴(1/3 정도의 가격)하지만 여전히 개폐기로 구성된 스타-델타 기동 방식에 비해서는 비싼 편이다. 또한, 솔리드 스테이트 스위치로 구성된 소프트 스타터의 크기도 반도체 스위치에 의한 연속운전을 고려한 설계로 인하여 부피가 큰 결함이 있다.

또한, 종래 기술에 의한 하이브리드 개폐기를 전동기의 직입 기동에 적용할 경우 기계식 접점과 병렬로 접속된 반도체 스위치(예: SCR)가 분담하게 되는 전류량이 부하의 종류에 따라 많이 달라지게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 하이브리드 개폐기에서는 기계식 접점이 단락 상태에 이르기 이전에 병렬로 접속된 반도체 스위치가 먼저 턴온되기 때문에 그 반도체 스위치가 초기에 부담해야 할 전류가 돌입전류량이 많은 부하, 즉 전동기의 직입 기동과 같은 조건 예를 들어 도 5의 (a)와 같은 AC3급 또는 (b)와 같은 AC4급 시험 조건에서는 정격 전류의 6배∼10배 정도의 전류가 흐르게 된다. 즉, 도 4에서와 같이 t=t2부터 t=t3 구간 동안(도통 시간 Tf) 항상 반도체 소자(SCR1,SCR2)가 돌입전류를 감당해애 한다. 이 구간의 길이는 기계적 접점의 스위칭 속도와 관계되기 때문에 항상 일정한 것이 아니고 상당한 설계 마진을 두어서 제어(통상 60Hz의 2∼3 주기 동안)하게 되는데, 이 구간의 길이와 돌입전류량에 따라 요구되는 반도체 스위칭 소자의 용량이 결정된다. 통상 솔리드 스테이트 콘트롤러의 경우에는 10배 정도의 돌입전류가 0.5초(60Hz 3주기 정도) 동안 흐르는 것을 허용하기 때문에 정격 전류 용량보다 2∼3배 많은 정격전류 용량을 갖는 반도체 스위칭 소자가 요구되므로 제품 가격을 상당히 많이 상승시키게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은, 전자식 개폐기와 전자식 모터보호용 릴레이(EMPR)를 병렬로 접속하여 전동기를 직접 기동시키거나 스타-델타 결선 변경에 의한 소프트 스타터(Soft Starter) 등의 방식으로 전동기를 기동시키는 응용 분야에서 통상의 기술에 비하여 탁월한 성능을 발휘하는 다기능 하이브리드 개폐기를 제공함에 있다.

또한, 전동기의 기동, 감시 및 보호 시스템에 있어서, EMPR을 이용하여 전동기의 감시 보호 기능을 수행하고, 하이브리드 개폐기를 이용하여 전동기의 기동 기능을 수행하되, EMPR 제어회로와 하이브리드 개폐기 제어회로를 공유할 수 있도록 하고, 하이브리드 개폐기의 제어 기법 중 일부분을 변경하여 솔리드 스테이트 스위치의 정격 전류 용량을 줄일 수 있도록 한 다기능 하이브리드 개폐기를 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 전동기의 MCC용 단위 랙의 블록도.

도 2는 종래 기술에 의한 하이브리드 개폐기의 블록도.

도 3은 도 2에서 구동코일 전압 제어기의 상세 블록도.

도 4의 (a)-(i)는 도 2 및 도 3 각부의 파형도.

도 5의 (a),(b)는 전자식 개폐기의 전동기 부하 패턴 설명도.

도 6은 본 발명에 의한 다기능 하이브리드 개폐기의 일실시 예시 블록도.

도 7의 (a)-(g)는 직입 기동시 하이브리드 개폐기의 동작 파형도.

도 8의 (a)-(h)는 소프트 스타트 기동시 하이브리드 개폐기의 동작 파형도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

61 : 배선용 차단기 62 : 하이브리드 개폐기

63 : 변류기부64 : 전류/전압 측정부

65 : 제어부66 :반도체 스위치부

67 : 표시 및 설정부68 : 엠엠아이

69 : 기계식 접접부 70 : 전동기

도 6은 본 발명에 의한 다기능 하이브리드 개폐기의 일실시 구현예를 보인 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 전동기(70)에 공급되는 3상 전원(R,S,T)을 단속하기 위해 직렬 접속된 배선용 차단기(61) 및 개폐기의 기계식 접접부(69)와; 후술할 제어부(65)에 의해 구동되어 상기 기계식 접접부(69)의 접점을 단락시키는 구동코일(SM)과; 상기 배선용 차단기(61)에서 기계식 접접부(69)측으로 공급되는 각 상의 전류를 검출하기 위한 변류기(63R,63S,63T)와; 상기 변류기(63R,63S,63T)를 통해 검출된 신호를 근거로 하여 상기 3상 전원(R,S,T)의 전류/전압을 측정하는 전류/전압 측정부(64)와; 외부로부터 입력되는 런/스톱 제어신호(V_RUN)의 레벨 변화와 상기 전류/전압 측정부(64)의 출력신호를 근거로 하여, 상기 구동코일(SM)과 후술할 반도체 스위치부(66)를 직입 기동방식으로 또는 소프트 스타트 기동 방식으로 구동시켜 기계식 접점부(69)에서의 아크 발생을 억제하는 제어부(65)와; 상기 기계식 접접부(69)에 병렬 접속되어 그 기계식 접접부(69)가 개폐되는 시점 부근에서 상기 제어부(65)의 제어에 의해 단락되는 반도체 스위치부(66)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 작용 설명은 다기능의 하이브리드 개폐기(62)에 접속된 전동기(70)의 기동 방식에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 즉, 직입 기동 방식을 선택하느냐 아니면 소프트 스타트 방식을 선택하느냐에 따라 달라진다. 어러한 선택 방식은 사용자가 외부에서 선택할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 작용 설명은 두 가지로 분류하여 설명한다.

도 7은 전동기(70)를 직입 기동모드로 동작시킬 때 도 6 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 배선용 차단기(61)의 접점(61R,61S,61T)이 단락(on)되어 상기 하이브리드 개폐기(62)에 제어 전원이 확보된 상태에서의 작용을 설명한다.

먼저, 도 6의 (a)와 같이 런/스톱 제어신호(V_RUN)가 t=t1에서 "로우"에서 "하이"로 전이되면 제어부(65)는 이를 인지하여 구동코일(SM)에 구동전압(V_SM)을 출력한다. 실제 시스템의 경우 상기 구동코일(SM)에 구동전압(V_SM)을 인가하기 위한 장치로서 릴레이 접점이 많이 사용되므로 도 7의 (b)와 같이 Ta 구간 만큼 지연 시간을 갖은 후 t=t2 시점에서 그 구동코일(SM)을 동작시키게 된다.

상기 구동코일(SM)에 의해 개폐기의 주접점인 기계식 접점(69X,69Y,69Z)이 단락되면, 그 순간에 도 7의 (e)에서와 같이 전원으로부터 부하인 전동기(70)에 많은 돌입전류가 흐르게 된다. 상기 제어부(65)는 그 돌입전류를 검출하여(검출 지연시간 Tb) t=t3 시점에서 양방향의 반도체 스위치(66R,66S,66T)에 트리거신호 (V_Triac)를 출력하게 된다. 이때, 상기 트리거신호(V_Triac)의 구간 길이를 충분히 길게 설정 함으로써, 상기 기계식 접점(69X,69Y,69Z)에서 채터링으로 인한 아크 발생을 억제할 수 있게 되는데, 채터링 순간이 매우 짧기 때문에 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 통해 흐르는 전류량은 극히 적게 된다.

왜냐 하면, 상기 기계식 접점(69X,69Y,69Z)이 연결되는 구간에서는 그들 양단의 전압 레벨이 "0"이고, 그들과 병렬 접속된 반도체 스위치(66R,66S,66T)가 상기 트리거신호(V_Triac)가 인가되는 것에 관계 없이 오프되며, 그 기계식 접점(69X,69Y,69Z)의 채터링으로 인하여 개방(off)되는 순간에 다시 턴온되는 과정을 반복하게 되므로, 도 7의 (f)와 같은 전류 패턴을 갖기 때문이다.

본 발명의 기술적인 요지가 바로 상기 기계식 접점(69X,69Y,69Z)의 턴온 과정에 있다. 이를 위해 기계식 개폐기의 접점(69X,69Y,69Z)이 단락되기 전에 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 먼저 턴온시킨 후 그 접점(69X,69Y,69Z)이 단락되게 하여 채터링으로 인한 아크 발생이 억제 되도록 하였다. 이와 같은 경우 전동기(70) 부하를 직입 기동시킬 때, 도 7의 (e)와 같이 정격 전류의 6∼10배의 전류가 흐르게 되지만, 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 먼저 단락시키는 경우에는 이러한 돌입전류가 상당 기간동안 그 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 통해 흐르게 된다. 통상적으로, 상기 도통 구간은 60Hz의 2∼3 주기에 해당하며, 상기와 같은 돌입전류를 감당하기 위해 전류 정격치가 상당히 큰 반도체 스위치를 사용해야 한다.

결국, 본 발명에서 상기와 같은 돌입전류는 모두 기계식 접점(69X,69Y,69Z)이 감당하게 되므로 반도체 스위치(66R,66S,66T)는 채터링으로 인해 발생되는 짧은 구간에서만 전류를 흘려주면 된다. 따라서, 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)의 정격 전류를 대폭적으로 줄일 수 있게 된다. 이와 같은 제어가 가능하게 되는 이유는 하이브리드 개폐기(62)에는 전류를 측정하기 위한 변류기(CT: Current Transformer)(63R,63S,63T)가 기본적으로 내장되어 있기 때문이다. 즉, 상기 변류기(63R,63S,63T)를 이용하여 기계식 접점(69X,69Y,69Z)의 상태를 파악할 수 있기 때문이다.

한편, 전동기(70)의 회전 동작을 정지시키는 경우에는 통상의 하이브리드 개폐기와 유사한 제어 기법을 사용한다. 즉, 상기 제어부(65)는 상기 런/스톱 제어신호(V_RUN)가 "하이"에서 "로우"로 전이되는 것을 인식하여 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)에 트리거신호(V_Triac)를 출력함과 동시에, 상기 구동코일(SM)에 구동전압(V_SM)을 공급하는 릴레이 제어신호를 해제시킨다. 이에 따라, 도 7의 (b)와 같이 약간의 지연시간(Td)을 갖은 후 상기 기계식 접점(69X,69Y,69Z)이 개방되고, 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 통해 60Hz의 반주기에서 1 주기 동안 부하전류를 공급하다가 차단하게 된다. 이와 같이 전동기(70)의 기동, 정지 구간 이외의 시간에서는 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)가 오프되기 때문에 그 반도체 스위치(66R,66S,66T)에서 열이 발생되지 않는다. 상기 제어부(65)가 전동기(70)의 운전 중에는 변류기(63R,63S,63T)를 통해 흐르는 3상전류(I_R, I_S, I_T)를 측정하여 EMPR의 기본적인 기능인 과전류 검출, 역상 검출, 불평형 부하 검출, 결상 검출 기능을 수행하고, 운전 중의 상태 정보는 표시 및 설정부(67)와 엠엠아이(68)에 디스플레이 한다.

또한, EMPR의 상태 정보(Status)를 릴레이 접점의 형태로 출력하며, 가변저항(VR1),(VR2)을 통해 설정된 정보는 EMPR의 기능을 제어하는데 사용한다. 그리고, 전동기(70)의 운전을 중지시키고자 하는 경우 외부 입력에 의한 정지 순서에 따라 정지시키게 된다.

한편, 도 8은 상기 전동기(70)를 소프트 스타트 방식으로 기동 시킬 때 도 6 각부의 파형도를 나타낸 것이다. 기본적으로, 배선용 차단기(61)의접점(61R,61S,61T)이 단락되어 상기 다기능의 하이브리드 개폐기(62)에 제어 전원이 확보된 상태에서의 작용을 설명한다.

도 6의 (a)와 같이 런/스톱 제어신호(V_RUN)가 t=t1에서 "로우"에서 "하이"로 전이되면 상기 직입 기동모드에서와 같이 기계식 접점(69X,69Y,69Z)을 먼저 단락시키는 것이 아니라, 전압/전류 측정부(64)를 통해 3상(R,S,T)의 전압을 측정하여 그 측정된 신호를 제어부(65)에 전달한다. 이때, 이 제어부(65)에서는 위상각을 제어함에 있어서, 전원 전압의 위상 정보를 이용하여 도 8의 (c)에서와 같이 반도체 스위치(66R,66S,66T)에 인가하는 점호각을 선간 전압 위상각 180°부근에서 시작하여 0°근처로 서서히 이동시키는 형태로 위상각을 제어하게 된다.

이에 따라, 상기 전동기(70)에 전압은 도 8의 (e)와 같은 형태로 공급되고, 전류는 도 8의 (f)와 같은 형태로 공급된다. 이와 같이 전동기(70)에 공급되는 전압의 레벨이 점진적으로 상승되기 때문에 도 8의 (g)에서와 같이 그 전동기(70)에 유입되는 전류량을 많이 줄일 수 있게 된다.

소프트 스타트 기동시간은 전동기(70)에 인가하는 전압의 시간에 따른 변동율을 얼마나 크게 설정하느냐에 따라 달라지는데, 이를 가변저항(VR3)을 이용하여 설정할 수 있도록 하였다. 설정된 기동시간()이 경과되면 도 8의 (b)에서와 같이 t=t2에서 기계식 접점(69X,69Y,69Z)을 단락시키기 전에 반도체 스위치(66R,66S, 66T)에 도 8의 (c)와 같이 TC 구간에 걸쳐 트리거신호(V_Triac)를 공급하게 되므로 개폐기의 기계식 접점(69X,69Y,69Z)을 통한 아크 발생이 억제되고, 그 접점(69X,69Y,69Z)이 단락된 후에는 도 8의 (g)와 같이 반도체 스위치(66R,66S,66T)에 전류가 흐르지 않게 된다.

한편, 전동기(70)를 정지시킬 때에는 통상의 하이브리드 개폐기에서와 유사한 제어 기법을 사용한다. 즉, 상기 제어부(65)는 런/스톱 제어신호(V_RUN)가 t=t4에서 "하이"에서 "로우"로 전이되는 것을 인식하여 t=t5에서 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)에 트리거신호(V_Triac)를 공급함과 동시에, 상기 구동코일(SM)에 공급되던 구동전압(V_SM)을 차단시키게 되므로, 이에 의해 도 8의 (b)와 같이 약간의 지연시간(Td)을 갖은 후 상기 기계식 접점(69X,69Y,69Z)이 개방되고, 상기 반도체 스위치(66R,66S,66T)를 통해 60Hz의 반주기에서 1 주기 동안 부하 전류를 공급하다가 부하전류가 완전히 차단된다.

한편, 전동기(70)기 운전 중일 때, 상기 제어부(65)는 도 8의 구간(t2∼t4)에서와 같이 그 전동기(70)에 흐르는 3상전류(I_R, I_S, I_T)를 측정하여 EMPR의 기본적인 기능인 과전류 검출, 역상 검출, 불평형 부하 검출, 결상 검출 기능을 수행하고, 운전 중의 상태 정보는 표시 및 설정부(67)와 엠엠아이(68)에 디스플레이 한다. 또한, EMPR의 상태 정보(Status)를 릴레이 접점의 형태로 출력하며, 가변저항(VR1),(VR2)을 통해 설정된 정보는 EMPR의 기능을 제어하는데 사용한다. 그리고, 전동기(70)의 운전을 중지시키고자 하는 경우 외부 입력에 의한 정지 순서에 따라 정지시키게 된다.

참고로, 본 발명은 상기의 설명에서와 같이, 개폐기의 접점(69X,69Y,69Z)과 병렬로 연결되는 반도체 스위치(66R,66S,66T)가 트라이악(Triac)으로 한정되는 것이 아니라, SCR이나, GTO, IGCT, RCT, IGBT등 여러 형태의 반도체 소자를 사용하여도동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기의 설명에서는 3 개의 접점(69X,69Y,69Z)을 예로하여 설명하였으나 점점이 2개인 단상, 접점이 3개 이상인 다상(Multi-Phase)에도 동일하게 적용된다. 또한, 상기의 설명에서는 변류기(63R,63S,63T)가 다기능의 하이브리드 개폐기(62)의 내부에 장착된 것을 예로 하여 설명하였으나, 제품의 외부에 장착하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 전자식 개폐기와 전자식 모터보호용 릴레이를 병렬로 접속하여 전동기를 직접 기동시키거나 스타-델타 결선 변경에 의한 소프트 스타터 등의 방식으로 전동기를 기동시키는 응용 분야에서 통상의 기술에 비하여 탁월한 성능을 발휘하면서도 저렴한 가격으로 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전동기의 기동, 감시 및 보호 시스템에 있어서, EMPR을 이용하여 전동기의 감시 보호 기능을 수행하고, 하이브리드 개폐기를 이용하여 전동기의 기동 기능을 수행하되, EMPR 제어회로와 하이브리드 개폐기 제어회로를 공유하여 제품 원가를 절감할 수 있는 효과가 있고, 하이브리드 개폐기의 제어 기법 중 일부분을 변경하여 솔리드 스테이트 스위치의 정격 전류 용량을 줄일 수 있도록 함으로써, 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims

전동기(70)에 공급되는 전원을 단속하기 위해 직렬 접속된 배선용 차단기(61) 및 개폐기의 기계식 접접부(69)와; 후술할 제어부(65)에 의해 구동되어 상기 기계식 접접부(69)의 접점을 단락시키는 구동코일(SM)과; 상기 배선용 차단기(61)에서 기계식 접접부(69)측으로 공급되는 상 전류를 검출하기 위한 변류기부(63)와; 상기 변류기부(63)를 통해 검출된 신호를 근거로 하여 상기 입력 전원의 전류/전압을 측정하는 전류/전압 측정부(64)와; 외부로부터 입력되는 런/스톱 제어신호의 레벨 변화와 상기 전류/전압 측정부(64)의 출력신호를 근거로 하여, 상기 구동코일(SM)과 후술할 반도체 스위치부(66)를 직입 기동방식으로 또는 소프트 스타트 기동 방식으로 구동시켜 기계식 접점부(69)에서의 아크 발생을 억제하는 제어부(65)와; 상기 기계식 접접부(69)에 병렬 접속되어 그 기계식 접접부(69)가 개폐되는 시점 부근에서 상기 제어부(65)의 제어에 의해 단락되는 반도체 스위치부(66)로 구성한 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 입력전원은 단상 및 다상을 포함하는 것임을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 제어부(65)는 상기 구동코일(SM) 및 반도체 스위치부(66)를 직입 기동방식으로 구동시킴에 있어서, 전동기(70)의 런/스톱 제어신호(V_RUN)의 액티브 구간에 상응되게 구동코일(SM) 구동전압을 출력하고, 상기 전압/전류부(64)의 출력신호를 근거로 상기 전동기(70)의 돌입전류를 검출하여, 반도체 스위치부(66)에 충분히 긴 형태의 트리거신호를 출력하여 아크 발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 제어부(65)는 기계식 접접부(69)가 단락되기 전에 반도체 스위치부(66)를 먼저 턴온시킨 후 그 접점부(69)를 단락시켜 채터링으로 인한 아크 발생이 억제 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제4항에 있어서, 제4항에 있어서, 반도체 스위치부(66)의 도통 구간은 60Hz의 2∼3 주기에 해당되는 구간임을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 제어부(65)는 상기 구동코일(SM) 및 반도체 스위치부(66)를 소프트 스타트 기동방식으로 구동시킴에 있어서, 전동기(70)의 런/스톱 제어신호(V_RUN)가 "로우"에서 "하이"로 전이되는 것을 확인한 후, 반도체 스위치부(66)에 인가하는 점호각을 선간 전압 위상각 180°부근에서 시작하여 0°근처로 서서히 이동시키는 형태로 위상각을 제어하여, 전동기(70)에 공급되는 전압의 레벨이 점진적으로 상승되도록 하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 제어부(65)는 상기 구동코일(SM) 및 반도체 스위치부(66)를소프트 스타트 기동방식으로 구동시킴에 있어서, 설정된 기동시간()이 경과되면 기계식 접점부(69)를 단락시키기 전에 반도체 스위치부(66)에 소정 구간(TC)에 걸쳐 트리거신호(V_Triac)를 공급하여, 기계식 접점부(69)에서의 아크 발생이 억제되고, 그 접점부(69)가 단락된 후 반도체 스위치부(66)에 전류가 흐르지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.
제1항에 있어서, 반도체 스위치부(66)는 트라이악으로 구성된 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기.