서멀 릴레이란?
서멀 릴레이는 어떤 전기 회로에 설정치를 초과하는 전류가 흐를 때 접점 출력하는 부품입니다. 주로 모터나 배선의 과부하를 방지하기 위해 사용합니다.
열 계전기를 회로에 내장함으로써 회로 소손 등의 문제를 방지할 수 있습니다.
서멀 릴레이의 사용 용도
열 계전기는 대부분 모터 보호를 위해 사용됩니다. 모터에 정격 이상의 토크가 가해지면 정격 이상의 전류가 흐르게 됩니다. 이 현상을 과전류라고 합니다.
모터가 장시간 과전류 상태에 있으면 내부 권선이 열을 발생시킵니다. 이로 인해 내부 바니쉬가 녹거나 권선이 타 버릴 수 있습니다. 이것이 모터의 소손입니다. 열 계전기는 정격 이상의 전류가 흐르면 접점 출력을 통해 전원을 차단하여 모터를 보호합니다.
열 계전기의 원리
열 계전기 내부의 회로 도체에는 대부분 바이메탈이 사용됩니다.
바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 두 종류의 금속을 결합한 소재입니다. 전류에 의해 열이 발생하면 열팽창 계수의 차이에 따라 편향적으로 변형됩니다.
서멀 릴레이 내부의 바이메탈은 이 편향에 의해 접점을 구동하여 접점 출력을 하게 됩니다. 바이메탈의 두께 등에 따라 전류 설정값이 다른 서멀 릴레이가 판매되고 있습니다.
모터는 시동 시 정격의 두 배 이상의 전류가 발생합니다. 바이메탈은 발열 변형이 일어나기 때문에 따뜻해질 때까지 지연 시간이 있습니다. 이 지연 시간으로 인해 모터의 시동 시 큰 전류에 반응하지 않습니다.
열 릴레이의 출력 접점은 대부분 스프링으로 고정되어 있으며, 한 번 작동하면 리셋 버튼을 누를 때까지 계속 출력하는 경우가 대부분입니다. 이는 과부하가 걸린 장비의 재시작을 방지합니다.
열 계전기 선택 방법
열 릴레이는 보호하고자 하는 모터의 정격 전류에 따라 선택해야 합니다. 모터의 보호 요소에는 순간 요소와 한시 요소가 있습니다.
순간소자는 모터 자체의 이상 발생 시 상위 회로를 보호하기 위해 모터 전원을 순간적으로 차단하는 보호소자입니다. 고압 모터에는 전원 퓨즈나 모터 릴레이를 사용하고, 저압 모터에는 주로 쇼크 릴레이나 차단기를 사용합니다.
제한 요소는 모터의 과부하를 감지하여 모터 보호를 위해 전원을 차단하는 보호 요소입니다. 고압 모터에는 과전류 보호 계전기 등을 사용하고, 저압 모터에는 열 릴레이를 사용합니다.
위에서 언급한 바와 같이 저압 모터의 경우 차단기, 구동장치, 열 계전기를 함께 선정합니다. 차단기는 시동 전류에서 트립을 피하기 위해 모터 정격 전류의 2배 이상을 선정합니다. 구동장치와 ㅅ멀 릴레이는 모터 정격전류에 맞춰 제조사 카탈로그를 참고하여 선정합니다.
서멀 릴레이의 열화 요인
제조사마다 다르지만, 열 계전기의 교체 권장 기간은 약 10년 정도라고 합니다. 다만, 열 릴레이를 주기적으로 교체하면 비용이 추가적으로 발생하기 때문에 중요 부하의 열 릴레이에 대해서만 주기적으로 교체하는 경우가 대부분입니다.
서멀 릴레이는 열화하기 어려운 바이메탈이나 수지로 구성되어 있기 때문에 자연 열화는 거의 일어나지 않습니다. 강제 열화 요인으로는 다음과 같은 4가지가 있습니다.
1. 전기적 요인
구동 전압과 주파수, 돌입 전류의 크기와 그 빈도에 따라 절연 열화가 발생합니다. 이로 인해 열 릴레이가 고장날 수 있습니다.
2. 기계적 요인
나사의 풀림이나 충격, 진동 등의 물리적 요인이 더해져 금속 피로 등의 열화가 발생합니다.
3. 열적 요인
과전압, 과전류, 자체 발열 등에 의한 열의 영향으로 서멀 릴레이에 휨, 변형, 용융 단선 등이 발생하여 고장이 발생합니다.
4. 환경적 요인
고온 고습, 부식성 가스나 오일 미스트 등에 의해 금속 부식이 발생합니다. 또한, 먼지나 이물질이 열 릴레이에 달라붙어 접촉 불량이 발생하기도 합니다. 열화 요인을 파악하여 이를 방지함으로써 제품 수명을 연장할 수 있습니다.
서멀 릴레이의 기타 정보
1. 열 계전기의 배선
열 계전기는 전자기 개폐기의 일부로 사용되는 경우가 많습니다. 이 경우 주회로 1차측은 시중 제품에서는 전원 공급용 구리봉으로 연결되는 경우가 대부분입니다. 2차측 배선에 대해서는 써멀 릴레이 정격 전류 이상의 허용 전류를 갖도록 설계합니다.
배선의 허용전류는 배선 종류에 따라 차이가 있으며, 종류별로 내선규정에 의해 정해져 있습니다. 국내에서 판매되는 배선은 내선 규정을 준수하고 있습니다.
2. 서멀 릴레이 설정
서멀 릴레이는 바이메탈식과 전자식 두 가지로 분류됩니다.
- 바이메탈식
바이메탈식은 바이메탈의 열팽창에 의해 릴레이가 동작하는 구조입니다. 바이메탈 방식의 경우 설정용 노브를 돌려 ±20% 정도의 전류값 설정이 가능합니다.
그 이상의 설정 변경은 구조상 불가능하므로 릴레이를 교체해야 합니다. 보호하고자 하는 장치가 모터인 경우, 제조사별로 모터 용량에 맞는 서멀 릴레이가 판매되고 있으므로 카탈로그를 확인하여 선정합니다. - 전자식
전자식은 보호하는 구동장치가 인버터 등인 경우에 사용됩니다. 회로에 흐르는 전류 값을 전자회로로 읽어내어 부하 특성 곡선을 벗어났을 때 동작합니다. 시판되는 인버터에는 인버터 보호 기능으로 본 기능이 상비되어 있는 경우가 대부분입니다.
모터 제어 센터 등에서도 전자식 열 계전기를 사용합니다. 전자식 써멀 릴레이의 설정 방법은 제조사에 따라 다르지만, 바이메탈식보다 하한 전류값을 폭넓게 설정할 수 있습니다. 사용 설명서를 확인하여 설정합니다. 보통은 정격 전류값을 설정하면 자동으로 설정됩니다.
3. 열 릴레이의 접점
서멀 릴레이의 접점은 모니터용 상시 개방 접점(a 접점)과 회로 차단용 상시 폐쇄 접점(b 접점)이 있습니다.
- 바이메탈식 접점
바이메탈식의 경우 구매 단계에서 어느 쪽을 몇 개 사용할지 선택해야 합니다. 접점에 흐르는 정격 전류 값은 릴레이에 따라 결정되며, 보통 2A 정도입니다. 주회로에 사용하면 용착될 위험이 높기 때문에 제어 회로용으로 사용합니다. - 전자식 접점
전자식 서멀 릴레이는 설정에 따라 몇 개의 접점을 사용할지 선택할 수 있는 경우가 많습니다. 단, 전자식의 경우 릴레이 접점이 아닌 트랜지스터 접점일 가능성이 있습니다. 트랜지스터 접점은 교류 제어 전원을 사용하면 전자 부품이 고장날 수 있습니다.
4. 열 릴레이의 복귀
과부하 상태가 지속되어 열 릴레이가 작동할 경우, 원인을 제거한 후 열 릴레이의 출력 접점을 해제해야 합니다. 이 절차를 ‘복귀’ 또는 ‘리셋’이라고 합니다.
복귀 절차에도 두 가지 종류가 있으며, 수동 복귀형과 자동 복귀형으로 나뉩니다. 수동 복귀형은 과부하 원인을 제거한 후 리셋 버튼을 누르기만 하면 됩니다. 리셋 버튼을 누르면 출력 접점이 해제됩니다.
자동복귀형은 리셋 버튼을 누를 필요 없이 열 릴레이 자체가 자동으로 리셋을 합니다. 열 릴레이에 사람이 접근하기 어려운 특수한 용도에 사용됩니다.