Eine Kooperation, die das Leben verlängert - Panasonic Electric ...

RELAIS & SCHALTGERÄTE
Elektronische Lastrelais
SMART ADAPTIVE RELAY TRIGGER (SART) UND ELEKTROMECHANIK
Eine Kooperation,
die das Leben verlängert
Zwischen dem natürlichen Nullpunktschalter, dem Lichtbogen, und dem prellarmen
gepolten DE-Relais versuchen die Ingenieure bei Panasonic Electric Works, dem
Optimum eines Wechselstromschalters näher zu kommen: Dieser soll unabhängig
von Amplitude, Asymmetrie und Frequenz des Stroms seinen Kontakt im Strom-
Nulldurchgang so schnell öffnen, dass die dielektrische Festigkeit der Schaltstrecke
stets größer ist als der Momentanwert der Einschwingspannung.
HANS-PETER DIETRICH
UND LOTHAR FEIGE
Der ideale Wechselstromschalter
ist ein nicht erreichbares Ziel, da
die praktisch realisierbaren Anzugs-,
Abfall- und Prellzeiten dies nicht
zulassen. Ein Achtungserfolg bei den
Power-Relais ist jedoch das mit bis zu
16 A ohmscher Last nutzbare DE-Relais
von Panasonic Electric Works, dessen
mittlere Anzugszeit im Neuzustand bei
4,16 ms, dessen mittlere Abfallzeit 2,91
ms und dessen mittlere Prellzeit nur
0,19 ms beträgt, wie die statistische
Verteilung der Parameter über 1000 gefertigte
Relais in (Bild 1) beweist.
Präzise und
wiederholbar fertigen
Um ein möglichst prellfreies bistabiles
Relais zu bauen, das – wichtig unter dem
Gesichtspunkt der Energieeinsparung –
Kilowatt im Lastkreis mit wenigen mWs
Eigenenergiebedarf schaltet, ist neben
der Konstruktion eine hochgenaue und
wiederholbare Fertigung, wie sie Panasonic
in Pfaffenhofen besitzt, eine Voraussetzung.
Wie die Statistik zeigt, ist unter
1000 Relais eines, das mit einer Prellzeit
von 0,00 ms gemessen wurde. Hier ist die
Energiebilanz des prellfreien Relais (siehe
Bild „Kraft-Weg-Arbeit“ im Online-Dokument
auf www.EL-info.de, Webcode
345301), erfüllt: Die kinetische Energie
des Systems ist am Ende des Ankerwegs
gleich Null. Die dort zu sehenden Kontaktöffnungszeiten
von zirka 1 bis 10 μs während
des Prellens, die zur möglichen Lichtbogenbildung
führen, und die stromseitig
nullpunktnahe Öffnung garantieren eine
geringe Lichtbogenenergie, die in Wärme
umgesetzt wird.
In einer Modellierung des Relais als
Punkt-Masse-Modell mittels „PSpice“
konnten Mitarbeiter von Panasonic Electric
Works zeigen, dass vor allem die Eigenfrequenz
der Kontaktfeder das Prellen
charakterisiert, also die Impulsantwort des
gekoppelten Feder/Ankermasse-Systems
mit seiner reibungsgedämpften, exponentiell
abklingenden Schwingung in seiner
Auswirkung auf den Prellvorgang vor
1
PRELLZEIT
KONTAKT
Panasonic Electric Works
Deutschland GmbH,
83607 Holzkirchen,
Tel. 08024/648-0,
Fax 08024/648-555,
www.panasonic-electric-works.de
Bild 1. Häufigkeitsverteilung der Prellzeit von 1000 Relais
pikkerton GmbH,
13158 Berlin,
Tel. 030/3300724-0,
Fax 030/3300724-24,
www.pikkerton.de
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RELAIS & SCHALTGERÄTE
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Bild 2. Links: Relais DE1a-L2-5V mit zufälligem Zeitpunkt des Ein- und Abschaltens einer Kapazität von 440 μF und einer Entladelampe von
25 W verschweißte nach 1993 Schaltzyklen; rechts: wie links, jedoch zeitlich kontrolliert im Stromnulldurchgang geschaltet, der durch Variation
mehrerer Schaltspiele in beiden Richtungen gefunden und nach 13600 Zyklen in Erwartung einer hohen Lebensdauer abgebrochen wurde
FAZIT
Viel versprechende Versuche.
Das Bild 2 zeigt den praktischen
Erfolg bei ersten Messungen am
DE-Relais. In den gemessenen
Oszillogrammen (Bild 3) findet
man die Erwartung bestätigt, dass
die Einschwingspannung während
des Prellens und kontrollierten
Schaltens – im Vergleich zum
unkontrollierten Modus – fehlt oder
zumindest sehr klein ist.
allem durch die Beeinflussung der Federeigenschaften
zu optimieren ist [1].
Die Lichtbogenlänge (siehe auch
-Kasten) und damit quasi den Kontaktabstand
in Abhängigkeit von Strom und
Spannung zeigt in einer Prinzipskizze das
Bild „Lichtbogen“ im Online-Dokument
auf www.EL-info.de, Webcode 345301
[2, 3]. Diese Charakteristik hängt von der
Art des Kontaktmaterials ab und trifft im
Falle kleinster Abstände (im Mikrometerbereich)
vor allem bei Vorlauflichtbögen
nicht zu. Die Schnittpunkte der Strom-
Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens
mit der Innenwiderstandsgeraden
des Lastkreises zeigt für eine bestimmte
Lichtbogenlänge oder einen bestimmten
Kontaktabstand den Punkt, an dem die Bedingung
des Aufbaus und Anheizens der
Lichtbogensäule nicht mehr gegeben ist.
Geht man davon aus, dass der DE-Relaiskontakt
im Nullpunkt schließt oder öffnet
und vergleicht man die Veränderung von
Strom und Spannung während der Prellzeit
des DE-Relais, ist die Wahrscheinlichkeit
des Unterschreitens dieser kritischen
Bedingungen zumindest teilweise erfüllt.
Im Beispiel wurde ein cos(Δ) = 0,3 betrachtet.
Das Öffnen und Schließen des
Kontakts verdeutlicht die zeitliche Wanderung
entlang der Innenwiderstandsgeraden
des Lastkreises beim Prellen, unter
Umständen innerhalb von 1 bis 10 μs.
Längeres Leben
dank SART-Technologie
Wichtige Bedingungen für die signifikante
Erhöhung der Kontaktlebensdauer sind in
der SART- (Smart-Adaptive-Relay-Trigger-)
Technologie von Pikkerton implementiert
(siehe auch Online-Service am Artikelende):
permanente Messung des cos( ) im
Lastkreis; das Relais schaltet erst-malig
unkontrolliert im Spannungsnulldurchgang,
danach adaptiert auf den jeweiligen
Stromnulldurchgang,
permanente Messung und Korrektur
des Schaltzeitpunkts bezüglich der Anzugs-
und Abfallzeit des Relais über die
Lebensdauer (Flugzeit erhöht sich mit
dem Abbrand) sowie der gespeicherten
Informationen über die Phasenlage,
WISSENSWERT
Erkennung & Fallunterscheidungen
zwischen zwar phasenverschobenen,
aber permanent sinusförmigen Strömen
und stoßförmigen Belastungen,
etwa in Schaltnetzteilen und Phasenanschnittssteuerungen
(Dimmer),
LITERATUR
1 D. Volm, M. Bichler, K. Fichtner: „System
Level Simulation for Electromechanical
Relays”; Panasonic Electric Works Europe AG
und Technische Universität München,
Lehrstuhl Hochfrequenztechnik
2 Th. Schöpf: “Electrical Contacts in Automotive
42VDC Power Net“; International Conference
on Electrical Contacts, Zürich 2002
3 W. Rieder: „Elektrische Kontakte –
„Eine Einführung in Physik und Technik“;
VDE-Verlag, Berlin, Frankfurt 2000
4 H.-P. Dietrich, U. Lorenz:
„Ein Kleinrelais, das hoch hinaus will“;
http://www.schaltrelais.de/technik/15_4.htm;
Forum Innovation deutscher Schaltrelais-
Hersteller im ZVEI / „Relais aktuell“
Ströme schalten per Lichtbogen. Der Lichtbogen ist der billigste, sicherste und
ein in sich synchron arbeitender Schaltmechanismus, der in atmosphärischer Umgebung
funktioniert. Er verliert seine Leitfähigkeit genau im gewünschten Moment,
wird zum Isolator und setzt die Schaltenergie in Wärme um, was Überspannungen
am Kontakt verhindert. Er entsteht über die Erwärmung des öffnenden Kontakts
am Punkt des Engewiderstands aufgrund der damit verbundenen Ionisierung der
Luft. Es gilt, die Auswirkungen des Aufschmelzens beziehungsweise Verdampfens
sowie des Transports von Kontaktmaterial zu verringern.
Der Anwender der zeitlich kontrollierten Schaltung profitiert von günstigeren
Bedingungen beim Nachweis der EMV-Parameter, weil durch die nullpunktnahe
Kontaktöffnung die Einschwingspannungen mit ihren hochfrequenten Schwingungen,
die unkontrolliert bis zum Zweifachen des Scheitelwerts beobachtet werden,
nach dem Durchlaufen des Abszissenschnittpunkts und erneuten Zündens des
Lichtbogens ebenfalls eingedämmt werden.
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ANSCHALTEN
ONLINE-SERVICE
Online-Dokument mit den ausführlichen
Grafiken zu Kraft, Weg und Arbeit am
nicht erregten bistabilen Relais sowie
zur Lichtbogenlänge als Funktion von
Strom, Spannung und Zeit
weitere Informationen zur SART-
Technik
DIE AUTOREN
Bild 3. Anschalten im richtigen Zeitpunkt; links: 5 ms/Div, oben Strom durch Verbraucher, unten
Netzspannung; rechts: Zoom, 250 μs/Div
Dipl.-Phys. HANS-PETER DIETRICH ist Gebietsverkaufsleiter
bei Panasonic Electric Works in
Holzkirchen.
Detektieren und Nutzen von Niedrig--
stromfenstern für Relaisbetätigungen.
In der Praxis wurde bereits eine
Glühlampenanordnung mit bis zu 300 A Einschaltstrom
(zeitlich unkontrolliert schaltend)
durch Synchronisation mit dem Strom-/
Spannungs-Null für das DE-Relais erfolgreich
getestet, das für 25.000 Schaltspiele, 16 A
beziehungsweise für 105 Schaltspiele, 10 A
ohmsche Last spezifiziert ist [4]. (ml)
LOTHAR FEIGE ist Geschäftsführer von
Pikkerton in Berlin.
www.EL-info.de 345301
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