Sicherheitsrelais

Energieeffiziente Konstruktion und Betrieb von Relais mit zwangsgeführten Kontakten

22.07.2008 | Autor / Redakteur: Jürgen Steinhäuser* / Andreas Mühlbauer

Wie in allen Bereichen der Elektronik ist auch bei der Ansteuerung von Relais Energieeffizienz gefordert. Diese lässt sich durch konstruktive Maßnahmen beim Entwurf sowie durch entsprechende Beschaltung erreichen. Bei Sicherheitsrelais sind zudem gesetzliche Vorgaben zu beachten, die den reibungslosen und sicheren Betrieb garantieren sollen.

Allenthalben wird Energiesparen postuliert. Unausgesprochen bleibt oft, dass in nahezu jedem Pflichtenheft der Industrieelektronik dem Energieverbrauch seit Jahren hohe Priorität zukommt. Relaishersteller verfolgen dieses Thema noch länger. Seit den Anfängen der Relaistechnik geht es auch um Verlustleistung und Eigenerwärmung des Magnetsystems. Lösungen wie bistabile und gepolte monostabile Relais oder Relais mit sensitiven Spulen haben sich am Markt durchgesetzt.

Dabei sind jedoch die Grenzen der einzelnen Lösungen bei deren Einsatz immer mit zu berücksichtigen. Ist es bei polarisierten Systemen die Frage nach der Umgebungstemperatur und dem Verhalten bei Schock und Vibration, so ist es bei sensitiven Spulen die Frage nach der Stabilität der nicht unendlich dünn zu fertigenden Drahtquerschnitte. Besondere Magnetwerkstoffe kommen zur Anwendung oder die Relaiskonstruktion und Verarbeitung wird aufwändiger, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

Leider ist nicht jede gute Lösung umsetzbar. Bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten ist eine so genannte Remanenzspule, bei der nach dem Ansteuerimpuls die Erregerspannung abgeschaltet wird, die Schaltkontakte des Relais in der Arbeitsstellung verharren und erst bei einem weiteren Erregerspannungsimpuls in die Ausgangsstellung zurück fallen, verboten. Dies liegt an der Forderung, dass das Sicherheitsrelais nach dem Abschalten der Erregerspannung immer in eine definierte Grundstellung zurückfallen müssen. Ansonsten ist ein gefährlicher Fehlzustand, wie beispielsweise das Verschweißen der Kontakte, nicht erkennbar.

Konstruktive Energiesparmaßnahmen

Die Lösungsstrategie kann somit nur Optimierung des monostabilen Magnetsystems sein. Konstruktiv muss der größt mögliche Raum für den Relaisantrieb im Relaisgehäuse angestrebt werden, der zudem die entstehende Wärme durch die Spulenerregung gut über das Relaisgehäuse abführt. Führen wir uns vor Augen, dass pro 10 K Temperaturanstieg Kupfer seinen Widerstand um 4% erhöht. Somit ist bei einer Spulengrenztemperatur von rund 120°C schnell ein Widerstandsanstieg der Relaisspule um 40% erreicht und verringert dadurch die Transformation von elektrischer in magnetische Energie.

Bei der Konstruktion ist die Werkstoffauswahl ein weiterer Schlüssel zum Erfolg. Die Qualität des verwendeten Weicheisens für den Magnetkreis und die Kupferlackdrähte sind entscheidend für das Verhalten bei möglichen Überlastungen und für das Langzeitverhalten. Zusätzlich ist die Kontaktführung mehr noch als bei Standardrelais ein entscheidendes Kriterium. Sie muss den Forderungen der Zwangsführung über die gesamte Lebensdauer entsprechen und möglichst reibungsfrei arbeiten.

Zusätzlich lassen sich monostabile Relais im so genannten Absenkbetrieb betreiben. Monostabile elektromechanische Relais haben im Einschaltmoment, wenn der Anker den weitesten Abstand (Luftspalt) zum Spulenkern hat, den größten Energiebedarf. Ursache sind die viel schlechteren magnetischen Eigenschaften von Luft im Gegensatz zu den verwendeten Weicheisenwerkstoffen. Die so genannte Haltespannung beträgt nach dem Ansteuern rund 30 bis 50% der Erregerspannung des Relais.

Bild 4: Energiesparendes Sicherheitsrelais SIR 4 mit sensitiver Spule für Schaltlasten bis 10 A
Bild 4: Energiesparendes Sicherheitsrelais SIR 4 mit sensitiver Spule für Schaltlasten bis 10 A

Bei Sicherheitsrelais von Elesta liegt die Halteleistung bei rund 30% der Erregerleistung. Für ein 4-poliges Relais der Serie SIS bedeutet dies beispielsweise, dass sie Ansteuerleistung nach dem Einschalten von 500 auf 150 mW Halteleistung abgesenkt werden kann. Da der Einschaltmoment in der Energiebilanz kaum ins Gewicht fällt, ist der Einschaltimpuls praktisch vernachlässigbar. Dabei ist wichtig, dass durch die Absenkung alle mechanischen Werte wie Schock- und Vibrationsfestigkeit erhalten bleiben.

Effizienz durch RC-Glieder und PWM

Bild 1: Relaisspulen-Ansteuerung durch RC-Kombination
Bild 1: Relaisspulen-Ansteuerung durch RC-Kombination

Ein klassisches Verfahren, um Energie zu sparen ist es, nach der Ansteuerung der Relaisspule mittels einer RC-Kombination die Erregerleistung abzusenken. Die Ansteuerung erfolgt in Form eines Startimpulses, bei dem die Ladezeit des Kondensators so gewählt wird, dass ein sicheres Anziehen des Relais gewährleistet ist.

Hierfür ist den im Datenblatt angegebenen Ansprech- und Prellzeiten noch ein zeitlicher Zuschlag hinzuzufügen. Die in den Datenblättern angegebenen Schaltzeiten beziehen sich auf die Relaisansteuerung ohne Schutzbeschaltungen oder sonstige Einflüsse der realen Steuerung. Abhängig von der Applikation ist eine Zeit bis 100 ms im Regelfall ausreichend.

Nach dem Ladevorgang des Kondensators wirkt der Widerstand des RC-Gliedes als Strombegrenzung. Trotz des Widerstands als zusätzlicher Verbraucher ist der Energiebedarf in der Ansteuerung insgesamt geringer als ohne RC-Kombination. Leistungseinsparungen um 50% lassen sich hierbei realisieren.

Bild 2: Relaisspulen-Ansteuerung durch Pulsweiten-Modulation (PWM)
Bild 2: Relaisspulen-Ansteuerung durch Pulsweiten-Modulation (PWM)

Einfach, kostengünstig und noch energieeffizienter ist oftmals die Absenkung der Spulensleistung durch Pulsweitenmodulationen (PWM). Entsprechende Halbleiterlösungen sind am Markt weit verbreitet. Teilweise werden aber auch noch diskret aufgebaute Schaltungen eingesetzt. Neben den richtig gewählten Zeiten für die Relaisansteuerung und Haltbetrieb sind die Pausenzeiten in der Modulation zu beachten. Sie sind um ein vielfaches niedriger zu wählen als die Abfallzeiten des Relais.

Üblicherweise wird in Frequenzbereichen um 500 Hz gearbeitet. Resonanzeinflüsse durch die Pulsweitenmodulation oder Veränderungen der Schaltzeiten des Relais auf Grund der Schutzbeschaltung sind dabei immer mit zu berücksichtigen. Schutzglieder wie Freilaufdioden schützen die Elektronik vor der Gegeninduktion, die beim Abschalten der Relaisspule entsteht. Durch die geringere Verlustleistung, gegenüber der RC-Kombination liegen die Einsparpotentiale noch weitaus höher. Über 60% sind bei der Pulsweitenmodulation durchaus realistisch.

Das richtige Relais für jeden Zweck

Bild 3: SIF4 und SIF6 – flache Sicherheitsrelais mit 4 bzw. 6 zwangsgeführten Kontakten
Bild 3: SIF4 und SIF6 – flache Sicherheitsrelais mit 4 bzw. 6 zwangsgeführten Kontakten

Bei der Spulenansteuerung ist bei Absenkbetrieb immer zu überlegen, ob es nicht sinnvoll ist, die Spannung für den recht kurzen Ansteuerimpuls höher als die Nennspannung des Relais zu wählen. Durch eine solche Maßnahe werden die Schaltzeiten im Regelfall schneller und sicherer. Auf die Eigenerwärmung der Relaisspule, bedingt durch die kurze Impulszeit, hat diese Maßnahme normalerweise auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen keinen Einfluss.

Darüber hinaus gibt es noch die Möglichkeit spezielle Spulensysteme zu fertigen, welche auf bestimmte Marktbedürfnisse speziell abgestimmt sind. Gerade für Einsatzgebiete der Bahntechnik, im Anlagenbau und der Prozesstechnik sowie bei Baumaschinen und im Bergbau kann Elesta spezielle Relaisvarianten recht einfach realisieren.

Dies liegt zum einen an der soliden Grundkonstruktion der Relais und deren Magnetsysteme, die noch Freiräume zulassen. Zum anderen besteht die Möglichkeit, auch kleinere Serien schnell und kostengünstig zu fertigen. Dies gilt auch für Relaisbedarfe für spätere Umrüstungen oder Revisionen, wie sie beispielsweise im Kraftwerksbau verlangt werden.

*Jürgen Steinhäuser ist Vertriebsleiter bei Elesta relays.

 

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