전장설계 가이드: 케이블 규격 선정 및 차단기 선정

 

전장설계는 전기 시스템의 설계와 배치를 다루는 중요한 작업입니다. 

이 가이드에서는 전장설계의 기본 원리와 함께, 모터 및 센서의 스펙을 바탕으로 

서보앰프와 차단기를 선정하는 방법을 설명합니다. 

또한, 케이블 규격을 선정하는 방법과 안전률의 중요성, 실제 사용 용량을 고려해야 하는 이유, 

그리고 메뉴얼에 나와 있는 소비전력으로만 계산하는 이유에 대해서도 자세히 다루어볼게요

 

 

 

1. 기본 개념 이해하기

1.1 삼상 시스템(3상)과 단상 시스템(1상)

삼상 시스템(3상)

삼상 4선식: R, S, T 세 개의 상(Lines)과 하나의 중성선(Neutral, N)으로 구성됩니다.

 

전압

• 선간 전압(Line-to-Line Voltage) : 보통 380V 또는 400V
• 상전압(Line-to-Neutral Voltage) : 보통 220V 또는 230V

용도: 산업용 기계 및 대형 장비에 주로 사용됩니다

 

전력 계산 공식

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단상 시스템(1상)

단상 2선식: 하나의 상(Line, R)과 하나의 중성선(Neutral, N)으로 구성됩니다.

전압: 보통 220V 또는 230V

용도: 가정용 전기 기기 및 소형 장비에 주로 사용됩니다.

전력 계산 공식

1.2 주요 용어

• 전압 (V): 전기 회로의 전위차
• 전류 (I): 전기 회로를 흐르는 전자의 흐름
• 전력 (P): 전기적 에너지의 전달 속도
• 역률 (Power Factor): 실제 전력과 피상 전력의 비율
• 안전률 (Safety Factor): 시스템의 최대 허용 부하를 실제 예상 부하로 나눈 값으로, 시스템의 신뢰성과 안전성을 높이기 위해 사용됩니다.

 

1.3 변압기(TR)를 사용한 전압 변환

 

변압기: 전압을 변환하는 장치로, 고전압을 저전압으로 변환하거나 그 반대의 역할을 합니다.

다운 트랜스포머: 고전압을 저전압으로 변환하는 변압기

 

예: 380V 삼상 전원을 220V로 변환하여 단상 장비에 사용

 

 

2. 모터와 서보앰프 선정하기

2.1 모터 스펙 확인

모터의 전압, 전류, 파워, 제어 방식 등의 스펙을 확인합니다

2.2 서보앰프(드라이브) 선택

모터의 스펙에 맞는 서보앰프를 선택합니다

• 전압과 전류: 모터의 정격 전압과 전류에 맞는 서보앰프를 선택합니다
• 제어 방식: 서보앰프의 제어 방식이 모터의 요구사항과 일치해야 합니다
• 기타 기능: 피드백 시스템, 통신 방식, 보호 기능 등을 고려합니다

 

 

3. 전력 및 전류 계산

3.1 삼상 시스템 전력 계산

삼상 시스템의 전력(P) 계산 공식

 

예: 380V 삼상 전원을 220V로 변환하여 단상 장비에 사용

• 선간 전압 = 400𝑉
• 선 전류 =10𝐴
• 역률 Power Factor=0.9
• P=1.732×400V×10A×0.9=6,237.6W

 

4. 안전률에 대한 이해

4.1 안전률의 정의

안전률(Safety Factor)은 시스템의 최대 허용 부하를 실제 예상 부하로 나눈 값으로, 

시스템의 신뢰성과 안전성을 높이기 위해 사용됩니다

안전률은 시스템이 예상치 못한 과부하나 다른 비정상적인 상황에서도 

안전하게 작동할 수 있도록 설계합니다

4.2 안전률의 중요성

• 신뢰성 확보: 시스템이 예상 외의 부하 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있게 합니다
• 안전성 보장: 과부하나 과전류로 인한 사고를 예방합니다
• 수명 연장: 부품의 수명을 연장하여 유지보수 비용을 절감합니다

4.3 일반적인 안전률

• 전기 시스템: 1.25 ~ 1.5 (25% ~ 50%의 여유를 둠)
• 기계 부품: 1.5 ~ 2.0 (50% ~ 100%의 여유를 둠)
• 구조물 설계: 2.0 ~ 3.0 (100% ~ 200%의 여유를 둠)

4.4 안전률 적용 예시

예시 1: 전기 케이블

• 최대 허용 전류: 15A
• 예상 전류: 10A
• 안전율 

예시 2: 기계 부품

• 최대 허용 하중: 300kg
• 예상 하중: 150kg
• 안전률

 

 

5. 실제 사용 용량 고려하기

5.1 부하 변동 고려

평균 부하와 최대 부하를 고려합니다

5.2 온도와 노후화 고려

환경 온도가 높거나, 사용 기간이 길어지면 성능이 저하될 수 있습니다

5.3 안전 마진 설정

예상치 못한 상황에 대비하여 여유 용량을 설정합니다

5.4 실제 사용 용량을 사용해야 하는 이유

• 신뢰성 확보: 실제 사용 조건을 반영하여 시스템의 안정성을 높입니다
• 안전성 보장: 과부하나 과전류로 인한 사고를 예방합니다
• 수명 연장: 전기 부품의 수명을 연장하여 유지보수 비용을 절감합니다

 

 

6. 케이블 규격 선정

6.1 전류 용량 계산

각 회로의 최대 전류를 기준으로 배선 용량을 계산합니다

6.2 전선 크기 선정

• 전류 용량 표: 전류 용량 표에 따라 적절한 전선 크기를 선택합니다
• 전선 길이: 전선의 길이와 전압 강하를 고려하여 크기를 조정합니다

전류 용량 표 예시

전류(A)	구리 전선 크기(mm²)	알루미늄 전선 크기(mm²)
10	1.5	2.5
20	2.5	4.0
30	4.0	6.0
40	6.0	10.0

6.3 케이블 선정 예시

예시: 3상 모터, 정격 전류 10A, 전선 길이 30m

• 최대 전류 계산: 10A
• 전선 크기 선정: 구리 전선 1.5mm² (여유 용량 포함)

 

 

7. 차단기 선정

7.1 차단기 용량 계산

모터의 기동 전류와 정상 작동 전류를 고려하여 차단기 용량을 선정합니다

• 정격 전류: 모터와 서보앰프의 정상 작동 전류를 기준으로 차단기 정격 전류를 선택합니다
• 기동 전류: 모터의 기동 전류를 견딜 수 있는 차단기를 선택합니다

7.2 차단기 종류

• MCB (Miniature Circuit Breaker): 소형 회로에 적합
• MCCB (Molded Case Circuit Breaker): 중형 회로에 적합
• ACB (Air Circuit Breaker): 대형 회로에 적합
• RCCB (Residual Current Circuit Breaker): 누전 보호용

7.3 차단기 선정 예시

삼상 모터

• 정격 전압: 400V
• 정격 전류: 10A
• 기동 전류: 정격 전류의 6배 = 60A
• 차단기 용량: 60A 이상

단상 모터

• 정격 전압: 230V
• 정격 전류: 10A
• 기동 전류: 정격 전류의 6배 = 60A
• 차단기 용량: 60A 이상

 

8. 메뉴얼에 나와 있는 소비전력으로만 계산하는 이유

• 편리성: 복잡한 계산 없이 쉽게 설계 가능.
• 표준화: 매뉴얼에 나와 있는 값은 제조사의 표준 조건을 반영.
• 신속성: 빠른 설계와 설치가 가능

그러나 실제 사용 조건을 고려하지 않으면 안전과 신뢰성 문제 발생 가능성이 있으므로, 

항상 실제 사용 용량을 반영하는 것이 좋습니다.

결론

이 가이드를 통해 모터와 서보앰프의 스펙을 확인하고, 적절한 전력 및 전류를 계산한 후, 

배선 용량과 차단기를 선정하는 방법을 배웠습니다.

 

또한, 케이블 규격 선정 방법과 실제 사용 용량을 고려해야 하는 이유도 이해했습니다. 

전장설계는 전기 시스템의 효율성과 안전성을 보장하기 위해 중요한 단계입니다. 

정확한 계산과 설계를 통해 안정적이고 효율적인 시스템을 구축할 수 있습니다.