승강기 안전부품 수명평가 방법에 관한 연구Ⅴ
Studies on Methods to Assess The Life Expectancies of Safety Components for Lifts.

연구기관 : 한국승강기안전센타｜책임연구원 : 전해진｜연구원 : 이종철, 이선순, 한익권, 박승태, 윤우진, 안교근, 김도균, 김동하, 김재우, 최성욱, 박일신

6.5 제어반 주요부품

6.5.1 직류전자개폐기

6.5.1.1. 개요

6.5.1.2. 사용주기 실태조사

6.5.1.3. 직류전자개폐기의 수명에 영향을 미치는 인자
엘리베이터 권상기의 전자브레이크용 직류전자개폐기 접촉자(접점)의 수명은 ▲전자개폐기의 사양 ▲브레이크 코일의 부하전압 및 전류의 크기 ▲브레이크 코일의 전원차단시 유도부하에서 발생되는 역기전력에 의한 서지전압 등에 따라 수명에 큰 차이가 있다.
(1) 전자개폐기의 적용사양과 수명요인
표 6.14는 11kW 전동기에 적용되는 브레이크용 전자개폐기의 적용사례이다. 그림 6.45은 전자개폐기의 수명그래프로서, 동일 부하전류인 경우 전자개폐기에 적용한 사양에 따라 수명에 현격한 차이가 있음을 알 수 있다.
(2) 부하의 전압과 수명요인
전자개폐기의 사례에 있어서 부하의 종류, 환경조건, 개폐조건 등에 따라 개폐용량, 개폐내구성, 적용부하영역이 크게 달라진다. 그림 6.46은 부하전압에 따라 적용할 수 있는 개폐용량이 달라짐을 나타내는 그래프이다. 직류부하의 경우 교류부하의 경우와 비교해서 개폐능력이 현저히 낮다.
접점전압이 높아지면 개폐능력이 저하되는데, 그 정도가 교류부하에 비해 직류부하에서 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서 그림 6.47과 같은 브레이크의 개방유지전압 설정값에 따라 접점의 수명에 영향을 미치게 된다.
(3) 부하의 서지와 수명요인
접점의 개로 및 폐로시의 전류는 접점에 중대한 영향을 미치게 된다. 예를 들어 폐로시의 돌입전류나 개로시의 아크열 등에 의해 접점의 소모, 전이 및 용착 등이 발생된다.
전자개폐기 접촉자(접점)의 마모는 접점이 폐로(閉路)될 경우보다 개로(開路)될 경우가 더 큰 영향을 미치게 된다. 특히, 브레이크 코일과 같은 직류유도부하인 경우에는 유도부하에 축적되는 전자에너지의 영향으로 전압이 상승하게 되고, 전원 차단(off)시에 역기전력, 즉 서지전압이 발생된다.
이때, 발생되는 서지는 부하의 저항과 인덕턴스(L)성분, 그리고 공급전압(V)에 따라 크게 달라지는데 전원 차단(off)시 발생되는 그림 6.48과 같은 서지는 전자개폐기 접촉자(접점)에 아크를 발생시키고, 접점마모를 배가시킨다.
그림 6.48은 실제 브레이크 코일에서 발생되는 서지전압의 파형이며, 이 파형은 부하전원을 110[V]로 하고, 서지 감쇄기를 적용하지 않은 경우에 발생되는 서지전압 파형으로 서지전압이 부하전압의 6배인 600[V]까지 발생되는 것을 볼 수 있다.

6.5.1.4. 관리요령
(1) 설계시 고려사항
■최대수명을 달성하기 위한 일반적 설계 고려사항 : 접점의 소모, 전이의 형태는 접점의 재질 및 형상과 개폐부하조건에 따라 수명이 달라지므로, 부하조건에 따른 수명의 산출이 필요하며, 제조자의 실험데이터를 바탕으로 작성된 카탈로그에 명시된 수명에 따른다.
가동접점과 고정접점의 소모량비는 접촉자의 구조와 소호구조 개폐부하조건 등 열적 요인에 크게 영향을 받으므로, 가동접점과 고정접점의 체적비를 알맞게 설정하여 이에 대한 실험적 검증이 이뤄져야 한다. 동일접점 재료의 사용량에서 최대의 수명을 달성하기 위한 각 상간 및 접점간의 접점소모의 불평형을 최소화 하도록 기구적인 설계를 해야하며, 이는 각 상간의 투입 및 차단시의 접점간 시간차를 제거함으로써 수명을 향상 시킬 수 있다.
■전류감쇄 방법에 관한 고려사항 : 그림 6.47의 브레이크 코일회로를 등가회로로 그리면 그림 6.49와 같다(▶참조 : 그림 6.49).
전자개폐기 BK2가 off시
L~di over dt~+~R sub i~=~0~(R~=~R sub 1~+~R sub 2)
di over dt~=~-~R over L~I
int 1 over i~di~=~-~R over L int dt
∴i~=~{K sub e} sup {-~Rt over L}~………(6.5.1)
여기서, 시정수 T~=~L over R이 되고 초기치 전류일 때가 되어 그림 6.50의 그래프와 같이 전류는 서서히 감소한다. 또한 브레이크 코일에서 발생되는 유도기 전력W는
int from 0 to i~Lidi~=~1 over 2~Li sup 2~………(6.5.2)
식 (6.5.2)가 되고 이 에너지는 회로에 자기 포텐셜 에너지의 형태로 남아 있다가 전자개폐기 접점(BK2)을 열어 전원이 끊어질 때, 코일에 충전된 에너지는 식 (6.5.1)의 방전전류(i)가 저항(R<SUBSCRIPT>2<NORMAL>)을 통해 방전하면서 자기장이 점차 소멸된다.
이때, 등가회로의 VR(저항)과 같은 전류감쇄 회로를 적용하여 전류를 감쇄시키면 브레이크 코일의 에너지(W)는 전류의 제곱에 비례해서 줄어들게 되고, 접촉자(접점)은 전류의 제곱에 비례하여 오래 사용할 수 있다.
■서지(Surge) 전압억제방법에 관한 고려사항 = 전자개폐기의 접촉자(접점)의 수명은 6.5.1.3(3)항 ‘부하의 서지와 수명요인’에서 살펴본 바와 같이 통전부의 주울열과 차단시에 발생하는 아크열에 의해 접점마모가 발생되며, 특히 브레이크 코일과 같은 직류유도부하에서는 차단시 서지전압에 의한 아크가 더욱 크게 발생한다.
그림 6.49의 등가회로와 같은 서지 감쇄기를 사용하는 경우의 서지전압 비교파형이며, 서지감쇄기의 적용방법에 따라 그림 6.51과 같이 서지전압의 크기가 달라지는 것을 볼 수 있다. 서지 감쇄기의 종류로는 다이오드, 바리스터 등 여러 가지가 있다. ▶그림 6.51은 등가회로에서 서지감쇄기의 R<SUBSCRIPT>2<NORMAL>저항을 400[Ω]으로 적용한 경우의 서지전압파형이고, ▶그림 6.52는 등가회로에서 서지감쇄기의 R<SUBSCRIPT>2<NORMAL>저항을 100[Ω]으로 적용한 경우의 서지전압파형이다.
서지전압파형에서와 같이 R2저항을 작게 할수록 서지전압을 감쇄시킬 수 있으나, 이 경우 브레이크의 개방이 지연되는 현상이 나타날 수 있으므로, 설계시 적정한 R<SUBSCRIPT>2<NORMAL> 값의 선정에 주의가 요구된다.

(2) 유지관리상 고려사항
① 전원전압이 너무 낮고 전압변동이 너무 크면 흡인력이 부족하기 때문에 전자접촉기는 완전히 투입하지 않고 Bouncing이 발생되므로, 안정된 전원이 투입되는 지를 주기적으로 확인하여야 한다.
② 전자접촉기의 주단자 접속이 풀림에 의해 전압강하 및 접촉저항 증가로 이상발열이 발생되어 소손이 되면 상간 단락으로 진행될 수 있으므로, 주기적으로 주단자 접속의 풀림 여부를 확인하여야 한다.
③ 전자접촉기 본체 취부의 부적합 또는 제어반 구조에 따라서 Bouncing이 발생할 수 있으므로, 개폐동작에 의해 전자접촉기가 흔들리지 않도록 견고한 고정 또는 제어반의 구조를 확인하여야 한다.
④ 접점면에 기름이 묻어 있는 상태에서 개폐하면 접점의 소모를 촉진하므로 이러한 경우는 반드이 제거하여야 한다.
⑤ 장기간 사용에 의한 접점이 소모하면 Wipe가 감소함과 동시에 접촉압력이 감소하기 때문에 Wipe가 제조사의 교체권장기준이 될 경우에는 새로운 접점으로 교환하여야 한다.
⑥ 육안을 통한 교환 시기는 접점의 소모가 진행한 곳의 접점의 두께가 없어진 시점, 또는 접점면적의 일부에 접점대가 노출한 시점에서 교환하여야 한다.

6.5.1.5 수명시험
시험의 내용은 6.5.1.4(1)항 “설계시 고려사항”에 대하여 비교시험하였으며, 시료로는 실제 엘리베이터 제조사에서 사용중인 LG산전 제품(GMD40, GMD12) 2종을 사용하였다. 또한, 부하는 실제 사용 중인 전자브레이크 코일(전동기 22kW 이하용 전자 브레이크)을 사용하였다.

1) 시험조건
① 시험전압 110V로 Test 종류 후, 시험전압 60V로 Test할 경우에는 Contactor CTT1과 CTT2는 새것으로 교체한 후 시험한다.
② 개폐빈도는 1,800회/Hr로 한다.
③ 동작횟수는 100만회를 실시한다.
④ 주위온도 +23℃(상온)로 한다.

(2) 시험종류 및 시험방법
① Case1은 접점보호회로가 없는 경우로, 부하전원을 DC110[V]로 하고, 저항 VR과 MB Coil 양단의 Surge Absorber (Diode+저항)를 제거한 상태에서 시험한다(▶참조 : 그림 6.53 시험기 Diagram).
② Case2는 접점보호회로가 있는 경우로, 부하전원을 DC110[V]로 하고, 저항 VR과 MB Coil 양단의 Surge Absorber (Diode+저항)를 적용한 상태에서 시험한다(▶참조 : 그림 6.53 시험기 Diagram ).
③ 시험방법 = 시험기의 회로도는 54페이지 하단 그림 6.53과 같다.

(3) 수명시험결과
① Case 1
② Case 2

6.5.2 교류전자개폐기

6.5.2.1. 개요
(1) 여기에서 말하는 ‘교류전자개폐기’란 주회로가 주파수 50∼60Hz의 회로에 사용되고, 전자석의 여자에 의해 폐로하고, 소자에 의해 개로하는 접촉자 접점을 갖고, 또한, 엘리베이터의 교류전동기 전원(U,V,W)을 개폐하거나 엘리베이터 동력입력 전원(R,S,T)을 개폐하는데 사용하는 것을 말한다.
(2) 엘리베이터의 전동기 구동방식으로는 교류 전동기를 이용하는 방식과 직류 전동기를 이용하는 방식이 있으나, 여기서는 교류 전동기를 이용하는 제어방식의 전자개폐기에 대하여 기술한다.
(3) 교류전동기를 이용하는 승강기의 전동기 구동방식으로는 AC-1, AC-2, ACVV(AC Variable Voltage), VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 등의 제어방식이 있으며, 제어방식에 따라 교류전자개폐기의 사용방법이 달라진다.
즉, 승강기의 기동·감속·정지에 따라 개폐를 단순 반복하거나, 접점과 부하의 Timing 제어를 통하여 접점을 보호하도록 하는 개폐방식 등이 있으며 제어방식에 따라 가감속 전류의 차이가 크기 때문에 접점의 내구성에는 커다란 차이가 있다.
특히, VVVF의 접점과 부하에 대한 Timing 제어방식이나, 비상시를 제외하고 상시 폐로상태를 유지하는 방식에서는 접점의 내구성 평가가 곤란하다.
(4) 전자개폐기의 수명은 기계적 요인과 전기적 요인으로 구분되지만 규정된 개폐빈도 내에서 사용하는 경우에 있어서의 기계적 수명은 문제가 되지 않는다.
접촉자(접점)의 성능면에서 평가해 보면, 통전부의 주울열과 차단시 발생하는 아크열에 의해 통전부의 온도가 상승하게 되어 접점이 마모되는 전기적 요인이 문제가 된다. 여기서는 교류전원 부하에 대한 접점의 전기적 수명에 대하여 기술하기로 한다.

6.5.2.2. 사용주기 실태조사
승강기의 보수대수가 600대 이상인 전국 유지보수업체 중 60여 업체를 선정하여 조사한 교류전자개폐기 접촉자(접점)의 수명에 관한 설문조사를 실시한 결과는 다음과 같다(VVVF제어방식이 아닌 경우의 조사 Data임).

(1) 최대수명
(2) 평균수명
(3) 교체주기
교류 전자개폐기의 교체주기는 적용사양, 부하조건, 사용빈도 등에 따라 차이가 있으나, 1∼2년 36%, 3∼4년 30%, 5∼6년 16%로 대체로 1∼4년 사이에 교체하는 것으로 나타났다.

6.5.2.3. 교류전자계폐기의 수명에 영향을 미치는 인자
엘리베이터 전동기용 교류전자개폐기 접점의 수명은 ▲전자개폐기의 사양 ▲제어방식 및 전동기의 종류에 따른 차단전류 및 폐로전류에 의한 급별 등에 따라 수명에 큰 차이가 있다.

(1) 전자개폐기의 사양과 수명요인
표 6.15는 전동기용 전자개폐기의 적용 예를 표시한 것으로 전동기 380V, 11kW(ACVV제어방식)에 적용하는 교류 전자개폐기의 적용사례이다.
표 6.15에서 볼 수 있듯이 사양에 따라 접점의 사용정격용량이 다르고, 또한 그림 6.58 그래프는 전자개폐기의 보증수명 그래프로서, 동일 부하전류인 경우 전자개폐기의 사양에 따라 수명에 상당한 차이가 있음을 알 수 있다.

(2) 제어방식과 수명요인
그림 6.58의 그래프는 제조사에서 제공하는 수명그래프이며, 그래프의 부하내에서 사용하는 경우에 대한 실험적 보증수명 그래프로서 제어방식 및 전동기의 종류에 따른 차단전류 및 폐로전류에 의한 급별에 따라 교류 전자개폐기의 접점수명에 차이가 있음을 보여준다(▶참조 : 58페이지 그림 6.58).
표 6.16는 제어방식에 따른 급별내역에 관한 표(KS C 4504)로서, 승강기에 있어서는 AC-2, ACVV, VVVF 등의 제어방식에 따라 수명에 차이가 있음을 알 수 있다.
특히, 그림 6.58에서와 같이 ACVV의 역상제동 방식인 AC-4급은 AC-3급에 비하여 동일 사양의 전자개폐기인 경우, 커다란 수명의 차이가 있음을 알 수 있다.

6.5.2.4 이론적인 수명산출
개요에서 기술한 바와 같이 VVVF 제어방식의 경우에 있어서 접촉자(접점)의 내구성을 평가하기가 곤란하므로, 여기서는 ACVV제어의 역상제동방식에 대한 표 6.17의 사용조건에 따른 수명을 검토하였다.
표 6.17은 주전원 380V, 전동기용량 11kW인 현장의 각 제조사별 승강기에 대한 전류측정 데이터로 그림 6.58의 수명그래프를 적용하여 접촉자(접점)의 수명을 계산해 보면, 표 6.17에서 조사된 바와 같이 무부하인 경우의 주행시 전류가 하강시에 약 13A이고, 상승시에 약 9A이므로 평균전류를 11A로 가정하면, A사의 GMC-32를 사용한 경우에는 그림 6.58에서 AC-4급(역상제동)의 그래프에 의하면 전자개폐기 접촉자(접점)의 전기적 보증 내구성은 약 30만 회가 된다. 제5장의 “승강기 운행량” 조사통계에 따라 1일 운행횟수가 1,500회라면 전자개폐기의 접촉자 수명은 대략 0.6년이다.
{(~300,000회 over 1,500회~)} over 365일~≒~0.6년
동일한 방법으로 B사의 GMC-40를 사용한 경우에는 그림 6.58에서 AC-4급(역상제동)의 그래프에 의하면 전기적 보증 내구성은 약 50만회가 되고, 1일 운행횟수가 1,500회라면 0.9년이 된다.
{(~500,000회 over 1,500회~)} over 365일~≒~0.9년
즉, 전압 380V, 전동기 용량 11kW ACVV 제어방식인 경우, 동일 부하조건에서의 보증수명은 GMC-40 형은 0.9년, GMC-32형은 0.6년 정도가 되므로 이에 따라 접촉자(접점)의 정기적인 점검 또는 교체가 필요하게 된다. 교류 전자개폐기의 사양선정에 따라 동일한 부하조건에서 접촉자(접점)의 수명에 차이가 있음을 알 수 있다.
그러나, 실제 수명은 부하(적재량)에 따라 달라지며, 엘리베이터의 운행횟수와 사용빈도에 따라 큰 폭의 차이가 있을 수 있다.
또한 설계시 교류 전자개폐기의 모델 및 용량 선정에 따라 전자개폐기 접촉자(접점)의 전기적 내구성은 그림 6.58의 수명그래프에서 나타나는 바와 같이, 커다란 차이가 있으며, 제품의 품질에 따른 내구성의 차이가 있다.

6.5.2.5. 관리요령

(1) 설계시 고려사항
① 최대수명을 달성하기 위한 일반적 설계 고려사항으로는 다음과 같다.
우선 접점의 소모, 전이의 형태는 접점의 재질 및 형상과 개폐부하 조건에 따라 수명이 달라지므로, 부하조건에 따른 수명의 산출이 필요하며, 제조자의 실험 데이터를 바탕으로 작성된 카탈로그의 수명을 따른다.
둘째, 가동접점과 고정접점의 소모량비는 접촉자의 구조와 소호구조, 개폐부하 조건 등 열적 요인에 크게 영향을 받으므로, 가동접점과 고정접점의 체적비를 알맞게 설정하며, 이에 대한, 실험적 검증이 이뤄져야 한다.
셋째, 동일접점 재료의 사용량에서 최대의 수명을 달성하기 위한 각 상간 및 접점간의 접점소모의 불평형을 최소화하도록 기구적인 설계를 해야 하며, 이는 각 상간의 투입 및 차단시의 접점간 시간차를 제거함으로써 수명을 향상 시킬 수 있다.
② 교류전자개폐기는 제어방식 및 적용사양에 따라 접점의 수명에 상당한 차이가 있으므로, 설계시에 예상 사용수명을 설정하고, 그에 적정한 사양 결정이 요구된다.
③ 교류전자개폐기의 접점의 사용수명은 실사용 부하전류의 크기에 반비례하므로, 설계시에 접점의 사용부하가 결정되면, 그 부하의 정격전류를 고려하여 교류전자개폐기를 선정하여야 한다.

(2) 유지관리상 고려사항
① 전원전압이 너무 낮고, 전압변동이 너무 크면 흡인력이 부족하기 때문에 전자접촉기는 완전히 투입하지 않고 Bouncing이 발생되므로 안정된 전원이 투입되는 지를 주기적으로 확인하여야 한다.
② 전자접촉기의 주단자 접속이 풀림에 의해 전압강하 및 접촉저항 증가로 이상발열이 발생되어 소손이 되면, 상간 단락으로 진행될 수 있으므로, 주기적으로 주단자 접속의 풀림 여부를 확인하여야 한다.
③ 전자접촉기 본체 취부의 부적합 또는 제어반 구조에 따라서 Bouncing이 발생할 수 있으므로, 개폐동작에 의해 전자접촉기가 흔들리지 않도록 견고한 고정 또는 제어반의 구조를 확인하여야 한다.
④ 접점면에 기름이 묻어 있는 상태에서 개폐하면, 접점의 소모를 촉진하므로 이러한 경우는 반듯이 제거하여야 한다.
⑤ 장기간 사용에 의한 접점이 소모하면, Wipe가 감소함과 동시에 접촉압력이 감소하기 때문에 Wipe가 제조사의 교체권장기준이 될 경우에는 새로운 접점으로 교환하여야 한다.
⑥ 육안을 통한 교환 시기는 접점의 소모가 진행한 곳의 접점의 두께가 없어진 시점, 또는 접점면적의 일부에 접점대가 노출한 시점에서 교환하여야 한다.

6.5.3 릴레이

6.5.3.1. 개요
여기서 말하는 ‘릴레이(Relay)’란 전기적으로 제어되는 장치로, 전기회로를 가진 장치가 동작이 되도록 하기 위하여, 다른 접점을 개폐하도록 구성되어 있는 것을 말한다. 비상시를 제외하고는, 상시 폐로상태를 유지하는 경우와 개폐를 반복하는 경우의 방식에 있어서 릴레이 접촉자의 내구성에 커다란 차이가 있다.
릴레이의 수명은 기계적 요인과 전기적 요인으로 구분되지만 규정된 개폐빈도 내에서 사용하는 경우에 있어서의 기계적 수명은 문제가 되지 않는다. 접촉자(접점)의 성능면에서 평가해 보면, 통전부의 주울열과 차단시 발생하는 아크열에 의해 통전부의 온도가 상승하게 되어 접점이 마모되는 전기적 요인이 문제가 된다. 엘리베이터의 제어용도로 사용되는 릴레이 접점신호의 대부분은 직류이므로 여기서는 릴레이 접점의 직류부하에 대해 기술하기로 한다.

6.5.3.2. 사용주기 실태조사
보수대수 600대 이상인 전국 보수업체중 70여 업체를 선정하여 릴레이 수명에 관한 설문조사를 실시한 결과, 최대수명과 평균수명은 각각 그림 6.59와 6.60과 같다.
릴레이의 교체주기는 그림 6.61과 같이 부하조건, 사용빈도, 환경조건 등에 따라 차이가 있으나 1~2년 24%, 3~4년 26%, 5∼6년 29%로 대체로 1~6년 사이에 교체하는 것으로 나타나고 있다.
그러나 엘리베이터 제어반의 릴레이는 용도 및 사용빈도에 따라 교체주기가 상당한 차이가 있음을 알 수 있다.