KR200271159Y1 - 과전류 계전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 바이메탈에 전자회로를 추가하므로써 보다 제조가 쉽고 간단하여 값이 저렴하면서도 그 동작이 전자식 과전류 계전기에 버금가게 하는 하이브리드 방식의 과전류 계전기를 제공하기 위하여, 전기 기기의 과전류를 차단시켜주는 과부하 계전기에 있어서, 과전류 검출 및 과전류 차단을 수행하는 작동부는 히터 저항(R-H)에 짧게 연결되는 바이메탈(BM)과; 상기 바이메탈(BM)에 직각으로 가동부(AR)가 연동되도록 설치되는 마이크로 스위치(M-SW)와; 에어갭을 극대화한 전류 트랜스로 구성되며, 상기 바이메탈 및 마이크로 스위치를 작동부로 설치하고 정전류 출력회로와 전류 검출부와 연결하여 과전류를 검출하도록 하고, 상기 바이메탈 및 마이크로 스위치를 대체하기 위해 릴레이를 구비하여 사용가능하며, 상기 전류 트랜스는 I자형, G자형, E자형, U자형, 공심코어형, 사각형 중 어느 하나를 선택하여 사용하도록 구성된다.

Description

과전류 계전기 {Overcurrent relay}

본 고안은 과전류 차단회로에 관한 것으로서, 특히 각종 전자기기나 산업용 모터 등에서 고장의 원인이 되는 정격 부하전류를 초과한 과전류를 보다 정확하고 신속히 검출하여 정격시간 내에 차단하므로써 기기를 보호하고 과전류에 의한 화재의 위험으로부터 보호하게 하는 것으로서 사용이 편리하며 실용적이고 저렴한 과전류 계전기에 관한 것이다. 또한 용도에 맞게 염가형인 하이브리드 타입과 고기능형인 전자식을 구비하므로 보다 폭넓게 수요에 대비할 수 있도록 한 과전류 계전기에 관한 것이다.

일반적으로 값싸고 편리하게 널리 사용되고 있는 과전류 계전기로 열팽창률이 다른 두가지 금속의 접합으로 이루어진 바이메탈(bimetal)을 이용한 과전류 계전기가 써모스탯(thermostat)이라는 이름으로 사용되고 있다. 그러나 써모스탯의 작동은 과전류검출 과정과 동작이 과전류시 발생되는 발열이 바이메탈에 가해서 되는 구부러짐 동작을 기계적으로 바꾼것으로 그 작동이 정밀하지 못하고 무엇보다도 부하전류가 얼마나 흐르고 있는지 또 얼마의 전류에서 차단될 것인지 동작시점의 경계가 명확하지 않아서 동작시점이 예측하기가 그 자체로는 상당히 불분명하고 어렵기 때문에 대충 짐작으로만 차단전류를 설정하기 때문에 정확하고 안전하게 과전류에 대한 보호가 되지 못한 실정이다.

종래의 과전류 계전기는 도 1에 도시된 바와 같이, 바이메탈 방식 써모스탯을 이용한 것으로 히스테리시스성의 탄력이 있는 가동부 암과 수평으로 나란히 설치되어 있는 바이메탈의 둘레에 열선을 감아주거나 부근에 설치하는 구조로 설치되어 있다.

그러나 상기 종래의 기술은 가동부를 바이메탈이 직접 움직여 주어야 하기 때문에 `바이메탈의 움직임 각이 많이 필요하고, 따라서 열선의 발열온도가 높아야 하므로 가동부 암의 탄력을 이겨낼 수 있는 힘이 필요하기 때문에 바이메탈의 단면적이 넓어야 하고 두께가 충분해야 하므로 값비싼 바이메탈을 구매함에 따라 제조 원가의 상승을 초래하는 문제점이 있다.

또한 전기적인 작동 또한 열선에 수십 암페어의 전류를 흐르게 하여야 하므로 전력소모가 항상 5~10W 정도 소비되고 있어서 불필요하게 전력 낭비를 초래하는 문제점이 있다.

그리고 이에 대한 해결방안으로 전자식 과전류 계전기가 있으나 비교적 고가이어서 써모스텟을 완전히 대체하지 못하고 일부고가의 장비에 선별적으로만 사용되고 있는 실정이다.

따라서 본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 바이메탈에 전자회로를 추가하므로써 보다 제조가 쉽고 간단하여 값이 저렴하면서도 그 동작이 전자식 과전류 계전기에 버금가게 하는 하이브리드 방식의 과전류를 제공하는데 그 목적이 있다.

부하의 대소에 관계없이 사용할 수 있는 범용성 릴레이로서 과부하 상태의 즉시 식별이 가능하고, 부하의 기동에 의한 과부하 신호의 축적 예방이 가능하며, 오동작이 전혀없고, 릴레이 입력전압이 사용범위가 넓으며, 구조가 간단하고, 순시요소가 내장된 정한시성 과전류 릴레이로서 소형이며 경량인 저가의 과전류 릴레이를 제공할 목적으로 안출된 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 바이메탈과 마이크로 스위치의 연동구조를 수평에서 수직형식으로 변환하여 히터 저항에 연결되는 바이메탈의 길이를 최소화하고, 전류트랜스의 에어갭을 극대화하여 소형이면서도 수백 암페어의 전류에도 코어가 포화되지 않아 전류 검출 범위가 폭넓게 요구되는 과전류 계전기에 사용하기에 적합하도록 구성된 특징이 있다.

도 1은 종래의 바이메탈을 이용한 열동형 과전류 계전기의 과전류 검출부 및 작동부에 관한 도면,

도 2는 본 고안에 의한 바이메탈을 이용한 열동형 과전류 계전기의 과전류 검출부 및 작동부에 관한 도면,

도 3a는 I자형 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 3b는 G자형 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 3c는 E자형 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 3d는 U자형 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 3e는 공심 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 3f는 사각형 코어 방식의 전류 트랜스를 도시한 단면도,

도 4는 본 고안에 의한 하이브리드 방식의 과전류 계전기에 관한 회로도,

도 5는 본 고안에 의한 트랜지스터를 이용한 하이브리드 방식의 과전류 계전기에 관한 회로도,

도 6은 본 고안에 의한 버퍼 IC를 이용한 전자식 고기능형 과전류 계전기에 관한 회로도,

도 7은 본 고안에 의한 낸드게이트 IC를 이용한 전자식 고기능형 과전류 계전기에 관한 회로도,

도 8a는 상기 도 4 ∼ 도 7에 도시된 과전류 계전기에 관한 회로가 마그네트 클러치에 내장된 상태를 도시한 좌측면도,

도 8b는 상기 도 4 ∼ 도 7에 도시된 과전류 계전기에 관한 회로가 마그네트 클러치에 내장된 상태를 도시한 정면도.

* 도면의 주요 부분에 관한 설명 *

BM : 바이메탈 M-SW : 마이크로 스위치

T : 트랜스 R-H : 히터저항

AR : 가동부 1 : 1차 코일

2 : 보빈 3 : 코어

4 : 2차 코일

이하 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 2 및 도 3a,b,c,d,e,f를 참고로하여 본 고안의 구성을 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 과전류 검출 및 과전류 차단을 수행하는 작동부는 히터 저항(R-H)에 바이메탈(BM)을 짧게 연결하고, 상기 바이메탈(BM)에 직각으로 마이크로 스위치(M-SW)의 가동부(AR)에 연동되도록 설치된다.

상기와 같은 구조로 작동부가 구성되면 가동부(AR)는 마이크로 스위치(M-SW)의 텐션을 측면에서 받는 것이 아니라 전면에서 받는 것이므로, 가동부(AR)는 지렛대 작용을 하여 부드럽게 가동부 끝에 걸려 있는 바이메탈(BM)의 작동은 마이크로 스위치(M-SW)쪽에서의 반발 탄력인 작동력은 매우 적으며 바이메탈(BM) 구부러짐 작동은 0.5∼1mm 정도면 충분하여 히터 저항(R-H)의 소비전력도 발열온도 70 ∼ 150°로 낮아도 된다.

또한 전류 트랜스 구조는 도 3a,b,c,d,e,f에 도시된 바와 같이 I자형, G자형, E자형, U자형, 공심코어형, 사각형의 전류트랜스를 구비하여 각각의 종류에 따라 선택하여 설치한다.

상기 도 3a,b,c,d,e,f에 도시된 전류트랜스는 1차 코일(1)과, 보빈(2)과, 코어(3)와, 2차 코일(4)로 이루어지며 에어겝을 극대화하여 소형이면서도 수백 암페어의 전류에도 코어가 포화되지 않아 전류 검출 범위가 폭넓게 요구되는 과전류 계전기에 사용하기에 적합하도록 구성된다.

상기 마이크로 스위치(M-SW) 및 바이메탈(BM)로 이루어지는 작동부와 상기 설명된 전류트랜스를 적용한 과전류 계전기에 대한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

먼저 하이브리드 방식의 과전류 계전기에 관한 제 1실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, R,S,T 각 상에 흐르는 전류는 전류 검출부(45)의 전류 트랜스(T1,T2)에서 검출된 전류와 비례해서 전압으로 출력된 다음 낸드게이트(U1A,U1B)의 입력에 가해진다. 이때 낸드 게이트(U1A,U1B)는 입력전압이 IC 전원전압의 1/2을 기준으로 높은가 또는 낮은가를 비교하여 출력이 하이·로우(high·low)로 바뀌는 레벨 변별기로 작용한다.

따라서 입력전압이 설정전압보다 높게되면 출력은 하이에서 로우로 바뀐다. 동작전류 설정용 가변저항(VR)은 입력전압의 바이어스 전압을 가변시켜 주어 동작전류를 설정한다. 따라서 R,S,T 3상중 한상에서 설정전류 보다 과도한 전류가 흐르면 낸드게이트(U1A,U1B)의 출력이 로우로 되고, 따라서 정전류 출력부(42)의 낸드게이트(U1C)의 한쪽 입력이 하이로 되어 트랜지스터(Q2)를 온시켜 히터저항(R-H)의 온도가 올라가게 되고 바이메탈(BM)이 작동온도에 도달하면 마이크로 스위치(M-SW)의 작동부(AR)는 바이메탈(BM)로부터 해방되고 마이크로 스위치(M-SW)는 오프된다.

이때 동작표시램프(LED)는 출력 트랜지스터(Q2)가 온되고 히터 저항(R-H)의 전류가 흐르는 것과 동시에 점등되므로 동작 개시 전류의 표시등 역할을 한다.

이때 저항(R14,R15,R2,R4,R16)과 콘덴서(C6)로 이루어지는 스위칭 동작으로 정전류 출력부(42)가 작용을 하는데 이의 동작은 다음과 같다.

트랜지스터(Q2)가 온되고 히터전류가 흐르면 저항(R16)에는 전류에 비례한 전압이 발생된다. 이 전압은 트랜지스터(Q1)의 동작전압인 0.6V 이상이 되면 트랜지스터(Q1)가 온되고 낸드게이트(U1C)의 입력 한쪽이 로우가 되고 따라서 출력이 오프가 된다.

출력이 오프됨에 따라 전류가 영이 되면서 트랜지스터(Q1)가 오프되고, 트랜지스터(Q2)가 온되는 식으로 순환되며 발진한다. 콘덴서(C6)는 히스테리시스 폭을 정해주는 역할을 해서 발진주파수를 일정하게 조정하는 역할을 한다.

상기 정전류 출력부(42)는 출력전류를 온 아니면 오프식으로 스위칭하므로써 출력 트랜지스터(Q2)의 소비전력을 최소화하고 따라서 작동시의 열발생과 전원부의 부담을 줄이고, 전원부를 최소화하며 전원을 AC/DC 겸용이며 100V에서 440V까지 프리볼트로 사용할 수 있게 한다.

트랜지스터를 이용한 하이브리드 방식의 과전류 계전기에 관한 제 2실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(Q51,Q52,Q53)만으로 정전류 출력부(52)를 구성하여 히터 저항(R-H)에 가해지는 전류가 전원전압의 구별없이 일정하게 공급되도록 프리볼트로 작동되도록 구성되어, 전원 전압을 110∼220V 그대로 반파 정류한후 별도의 감압없이 그대로 회로에 이용하여 전원회로에서 차지하는 비용과 부피를 절감시킨다.

버퍼 IC를 이용한 전자식 고기능형 과전류 계전기에 관한 제 3실시예는 도 6에 도시된 바와 같이, DC 24V∼100V용 계전기를 변압기 없이 입력전압으로 직접 구동시킨다. 교류 100V∼220V 입력전압을 전원부(64)와 같이 양파 브릿지 정류한 후 필터 콘덴서를 부착하지 않고 그대로 120Hz 리플이 있는 전압을 그대로 릴레이(61)에 인가하고 스위칭형 정전류 출력부(62)에 의해 릴레이(RL6) 코일에 흐르는 전류를 일정하게 정격전류로 제한하므로 프리볼트 기능을 하게 하므로써 전원부의 소형화와 비용절감을 한다.

이때 정전류 출력부(62)의 트랜지스터(Q63)가 온되고 히터 전류가 흐르면 저항(R61)에는 전류에 비례한 전압이 발생된다. 이 전압은 트랜지스터(Q61)의 동작 전압인 0.6V 이상이 되면 트랜지스터(Q61)가 온되고 버퍼(U6E)의 입력한쪽이 로우가 되고 따라서 출력이 오프가 되고 이어서 전류가 영이 되면 트랜지스터(Q61)가 오프되고 트랜지스터(Q63)가 온되는 식으로 순환되며 발진한다. 콘덴서(C61)는 히스테리시스폭을 정해주는 역할을 해서 발진주파수를 일정하게 조정하는 역할을 한다. 따라서 부하코일인 릴레이의 코일전류를 정격전류로 유지한다.

상기 R,T 상에 흐르는 전류는 전류 검출부(66)에서 입력전류에 비례한 전압으로 전환한 후 레벨판별부(65)의 버퍼(U6A,U6B)에 각각 입력에 가해진다.

이때 버퍼(U6A,U6B)는 전원전압을 기준으로 1/2이상 또는 이하인지를 비교판단하여 출력이 하이 또는 로우로 되는 비교기 기능을 한다.

따라서 동작전류 설정용 가변저항(VR66)으로 가변되는 바이어스 전압에 중첩되는 입력전압이 전원전압의 1/2 이상이 되면 출력 하이로 되고 다이오드(D63,D65)로 믹서된 후 다이오드(D66)를 거쳐 지연타임 설정용 가변저항(VR63)과 콘덴서(C62)로 이루어지는 적분회로에 의해 필요한 시간만큼 지연된 후 버퍼(U6D)의 입력이 전원전압의 1/2보다 높아지면 출력이 하이로 되어 트랜지스터(Q63)를 온시키고 릴레이(RL6)를 동작시켜 마그네트 접촉기(MC)를 오프시켜 부하에 흐르는 전류를 차단시킨다.

이때 다이오드(D61)에 의해 피드백된 전압은 다이오드(D66)와 가변저항(VR 63)을 거쳐 지속적으로 콘덴서(C62)에 충전전류를 공급하고 동작표시램프(LED)를 발광시키며 동시에 버퍼(U6F)의 입력을 하이로 유지하고 또한 출력을 하이로 유지하므로써 릴레이를 오프된 상태로 계속 유지한다. 또한 레벨판별부에서 별도로 추가된 속단회로는 버퍼(U6C)의 입력전압은 저항(R61,R62,R63)에 의해 1/10정도 감압된 후 가해진다. 따라서 입력전압은 설정전류보다 10배 이상 과도한 전류가 부하전류로 흐를 경우 가변저항(VR64)과 콘덴서(C62)로 설정된 짧은 시정수로 된 지연회로에 의해 정상적인 설정시간보다 빠른 시간 내에 부하를 차단시킨다.

낸드게이트 IC를 이용한 전자식 고기능형 과전류 계전기에 관한 제 4실시예는 도 7에 도시된 바와 같으며 동작은 제 3실시예와 동일하다.

상기 도 4 ∼ 도 7에 도시된 실시예에 따른 과전류 계전기는 전류트랜스를 소형을 사용하고, 마이크로 스위치와 바이메탈 또는 릴레이 형식을 취하여 전체적으로 과전류 계전기가 소형화되었다.

이와 같이 부피가 작은 장점을 살려서 마그네트 클러치 교류전자 개폐기에 상기 과전류 계전기를 내장시켜 도 8a,b에 도시된 바와 같이 종래의 마그네트 클러치에 적용되는 써멀 릴레이나 전자식 과전류 계전기를 부착하지 않아도 된다.

상기에서 설명된 과전류 계전기에 관한 각각의 구조 외에 본 고안이 추구하는 이상적인 과전류 계전기 회로에 필요한 여러 가지 다른 기능의 수단이 부가 변경될 수 있으며, 이 부가 변경된 기술수단은 위에서 설명된 본 고안의 과전류 계전기 회로의 일부로서 포함된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 소형의 바이메탈과 마이크로스위치를 이용하여 과전류를 검출하므로써 히터저항의 소비전력을 적게 할 수 있는 효과가 있고, 에어갭을 최대화한 불포화형의 전류 트랜스를 사용하므로써 많은 전류에도 자기적으로 포화되지 않도록 하여 공간의 낭비가 적고 전류검출범위가 광범위한 과전류 계전기에 사용할 수 있으므로 전기 부품 제조 산업상 매우 유용한 고안이다.

Claims (5)

1. 전기 기기의 과전류를 차단시켜주는 과전류 계전기에 있어서,

   과전류 검출 및 과전류 차단을 수행하는 작동부는,

   히터저항(R-H)에 짧게 연결되는 바이메탈(BM)과;

   상기 바이메탈(BM)에 직각으로 가동부(AR)가 연동되도록 설치되는 마이크로 스위치(M-SW)와;

   에어갭을 극대화한 I자형, G자형, E자형, U자형, 공심코어형, 사각형 중 어느 하나를 선택하여 사용하는 전류트랜스(T)로서 구성되어 상기 전류트랜스(T)에서 검출된 전류에 비례하는 전압을 출력하는 전류 검출부(45)와;

   상기 전류검출부(45)의 출력전압이 기준전압 보다 높을때(과도전류상태) 로 우신호를 출력하는 낸드게이트(U1A, U1B)와;

   상기 낸드게이트(U1A, U1B)의 출력이 로우상태일때 히터저항(R-H)으로 전압을 공급하여 바이메탈(BM)의 동작에 의해 마이크로스위치(M-SW)가 오프되도록 하는 정전류 출력부(42); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 과전류 계전기.
2. 청구항2는 삭제 되었습니다.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 바이메탈(BM) 및 마이크로 스위치(M-SW)를 대체하기 위해 릴레이(RL6)를 구비하고,

   상기 릴레이(RL6)를 온/오프 제어하기 위한 수단으로서,

   입력전류를 검출하고, 그 입력전류에 비례하는 전압을 출력하는 전류 검출부(66)와;

   상기 전류검출부(66)의 출력전압이 기준전압 보다 큰경우 하이신호를 출력하는 레벨판별부(65)와;

   상기 레벨판별부(65)에서 하이신호가 출력될때 이 신호를 필요시간만큼 지연시켜 출력하는 시간지연회로(63)와;

   상기 시간지연회로(63)로부터 일정시간 지연된 하이신호가 입력될때 릴레이(RL6)를 구동시키는 정전류 출력부(62); 를 구성한 것을 특징으로 하는 과전류 계전기.
4. 청구항4는 삭제 되었습니다.
5. 청구항5는 삭제 되었습니다.