KEM Konstruktion 11.2018

AUTOMATISIERUNG
ELEKTROTECHNISCHE BAUELEMENTE
Phoenix Contact entwickelt spezielle Relais für höhere DC-Lasten
Keine Chance für Lichtbögen
Bei einem Ausfall der Netzspannung dienen Gleichspannungssysteme über 100 V DC
als batteriebasierte
Notstromversorgungen. Standard-Koppelrelais können jedoch mit derart hohen Lasten nicht umgehen. Lichtbögen
sind die Folge. Um diese zu verhindern, hat Phoenix Contact eigens Relais entwickelt, in die Dauermagnete
integriert wurden, die Lichtbögen im magnetischen Feld ablenken und löschen.
Dipl.-Ing. (FH) Dirk Wortmann, Senior Specialist Relay Technology & Application,
Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont
Handelsübliches
Koppelrelais mit
Blasmagnet für hohe
DC-Lasten zur
Montage auf einer
DIN-Tragschiene
In zahlreichen industriellen Bereichen werden zum Schalten unterschiedlicher
Verbraucher elektromechanische Relais (EMR) oder
Solid-State-Relais (SSR) verwendet. Diese Schaltgeräte funktionieren
im Schaltschrank an den am weitesten verbreiteten Spannungsebenen
24 V DC und 230 V AC in der Regel zuverlässig. Müssen jedoch
Gleichstromlasten bei höherer Spannung und oft zugleich höherer
Leistung geschaltet werden, erweisen sich die gängigen Standardausführungen
der EMR und SSR als nicht geeignet und fallen oftmals
schnell aus.
Höhere Schaltspannung, niedrigerer Schaltstrom
Wo liegen die Gründe, die dazu führen, dass die oftmals aus Unwissenheit
in Applikationen installierten Standard-Koppelrelais schon
nach kurzer Zeit defekt werden? Die Antwort ergibt sich aus dem
komplett unterschiedlichen Verhalten von Koppelrelais beim Schalten
von AC- und DC-Spannung. Dazu ein kurzer Exkurs in die physikalischen
Grundlagen: Nahezu alle heute angebotenen Standard-
Koppelrelais weisen Kontaktabstände im Bereich von etwa 0,3 bis
0,4 mm auf. Diese Distanz reicht problemlos aus, um Lasten bis
230 V AC selbst bei höherem Strom abzuschalten. Nach spätestens
einer Halbwelle der sinusförmigen Netzspannung kommutiert die
Spannung und sorgt so für ein automatisches Löschen eines even-
Bild: Phoenix Contact
tuell beim Abschalten entstandenen Lichtbogens. Bei Gleichspannung
tritt diese Spannungskommutierung logischerweise nicht auf,
weshalb der maximal zulässige Schaltstrom insbesondere bei einer
höheren Schaltspannung drastisch absinkt. Das AC- und DC-Schaltverhalten
wird häufig in einem Graphen dargestellt, und die Kurven
werden als Lastgrenzkurven bezeichnet.
Anwendern ist das unterschiedliche Verhalten der Relais meist nicht
bewusst, denn bei den in der Automatisierungstechnik weit verbreiteten
Spannungen von 24 V DC und 230 V AC zeigt sich der abschaltbare
Strom als völlig identisch: hier im Beispiel des 10-A-Koppelrelais
eben 10 A. Liegt hingegen eine Applikation vor, bei der die zu schaltende
Gleichspannung erheblich höher ist – beispielsweise 220 V DC
–, kann das 10-A-Koppelrelais lediglich 0,3 A abschalten. Vor diesem
Hintergrund kommt es leider immer wieder zu Fehlanwendungen,
die teilweise bereits beim ersten Schaltspiel zu einem Totalausfall
der Standard-Koppelrelais führen.
Integration eines Dauermagneten in das Relais
Herkömmliche Koppelrelais sind mit dem Abschalten höherer DC-
Lasten überfordert. In der Automatisierungstechnik werden also
ebenfalls Speziallösungen verlangt. Als hilfreich hat sich der zusätzliche
Einbau einer magnetischen Funkenlösung in das Relais erwiesen.
Das Prinzip ist einfach: In den Kontaktraum eines solchen Spezialrelais
wird ein Dauermagnet integriert. Entsteht nun beim Abschalten
ein Lichtbogen, wird dieser nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten
im magnetischen Feld abgelenkt. Anstatt wie bisher direkt
an der kürzesten Stelle zwischen den geöffneten Relaiskontakten
zu brennen, weicht der Lichtbogen seitlich zwischen den Kontakten
aus. Da der Vorgang wie ein Herausblasen aussieht, werden die Relais
Blasmagnetrelais genannt. Dabei verlängert sich der Lichtbogen
erheblich und sogar die höhere DC-Schaltspannung reicht nicht
mehr aus, um ihn aufrecht zu erhalten. Der Lichtbogen verlischt daher
innerhalb weniger Millisekunden. Typische Koppelrelais dieser
Gattung schalten Lasten bis 220 V DC und 10 A sicher ab. Hierbei handelt
es sich immerhin um den 30-fachen Wert im Vergleich zu baugleichen
Relais ohne Blasmagnet.
Hochvolt-Mosfets oder Kontakt-Reihenschaltung?
Eine weitere interessante Alternative zum Schalten von Lasten bei
höherer Gleichspannung resultiert aus dem Einsatz von modernen
Solid-State-Relais (SSR). In diesem Fall liegt der Schlüssel in der Verwendung
moderner Hochvolt-Motsfet. So wird bis 300 V DC rein
elektronisch geschaltet, ohne dass überhaupt ein Lichtbogen ent-
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