Was bei der Wahl eines sicheren Leistungsrelais wichtig ist

Die Entscheidung für ein geeignetes Relais in Industrieapplikationen muss wohlüberlegt sein. Vorab sollten Entwickler in der Regel Spannung und Eingangsströme sowie die baulichen Gegebenheiten prüfen, wobei sie erforderliche Mindestabstände zwischen einzelnen Bauelementen berücksichtigen müssen. Noch komplexer wird das Ganze, wenn bestimmte Sicherheitsstandards einzuhalten sind.,

Auswahl von Relais für Umgebungen mit komplizierter Elektrik

In den vergangenen zehn Jahren hat die industrielle Fertigung einen enormen Wandel vollzogen. Aus dem vordergründigen Ziel der effizienteren Gestaltung von betrieblichen Abläufen entstanden Trends wie Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT), die wiederum den Vormarsch der industriellen Automationstechnik und -systeme vorantrieben.

Industrielle Systeme benötigen eine effiziente Methode zur Steuerung von zu Industrieanlagen führenden Stromschienen über eine Niederspannungsschnittstelle. Elektromagnetische Relais haben sich hierbei als besonders effektiv erwiesen und können in der Regel mehrere Kontaktsätze mit einem Signal ein- oder ausschalten. Während einfache Relais zwar eine unkomplizierte und kostengünstige Lösung darstellen, können Situationen auftreten, in denen die zu steuernden Anlagen strengen Anforderungen an die funktionale Sicherheit unterliegen. Ein Bediener, der eine hydraulische Presse verwendet, muss sich zu 100 Prozent darauf verlassen können, dass diese nur auf Anweisung arbeitet. Funktionale Sicherheitsnormen wie die IEC 61508 und ihre Pendants für Industrieanlagen legen die Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) fest, die erforderlich sind, um die Bediener der Anlagen zu schützen und Schäden am Gerät zu verhindern. Die Sicherheitsnorm IEC 61810-3 (ehemals EN 50205) gilt ausschließlich für Relais, die für Sicherheits- und selbstüberwachende Steuerungsapplikationen eingesetzt werden.

Einschaltströme können elektrische Schalttechnik wie Schalter, Schütze und Relais potenziell beschädigen. Sie treten auf, wenn die an der Last ankommende Versorgungsspannung übermäßige Ströme verursacht. Induktive Lasten wie Motoren und Transformer und kapazitive Lasten wie Energiespeicher sind besonders anfällig für hohe Einschaltströme. Die Stärke der Einschaltströme kann bis zum Vierzigfachen des durchschnittlichen Dauerstroms betragen. In einem Relais kann der plötzliche Stromstoß zu einer sofortigen Lichtbogenbildung zwischen den Relaiskontakten führen, wodurch diese miteinander verschweißt werden. Das Relais scheint weiterhin normal zu funktionieren, während seine Fähigkeit, den Strom zur Last abzuschalten, beeinträchtigt ist.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Einschaltströme zu reduzieren. Dazu gehört die langsame Erhöhung der an die Last angelegten Spannung oder die Verwendung eines sogenannten Zero-Crossover-Switch (ZCS) wie z. B. eines Solid-State-Relais (SSR). Ein Zero-Crossover-Switch arbeitet mit einer AC-Versorgungsspannung, indem er erkennt, wann die Spannung zwischen der positiven und der negativen Spitze – dem Nulldurchgangspunkt – null wird und somit auch der Strom null ist. Sobald der Nulldurchgang erfolgt, kann das Relais die Last ein- oder ausschalten.

Leider liegt es in der Natur hochinduktiver Lasten, dass der Punkt des maximalen Stroms der Spannungsspitze erheblich hinterherhinken kann, wodurch sich auch der Zeitpunkt des Nullpunkts von Spannung und Strom verschiebt. Folglich können das Zero-Crossover- bzw. Solid-State-Relais-Konzept dazu führen, dass Hochströme geschaltet werden. Außerdem sind ZCS/SSR als potenzielle Quelle störender und unerwünschter elektromagnetischer Störungen (EMI) aufgrund der verwendeten Schaltmethoden bekannt. Die Einhaltung der funktionalen Sicherheit mit einem ZCS/SSR erfordert eine komplexe Überwachung der Halbleiterschaltungen.

Die praktikabelste und unkomplizierteste Art, Stromkreise zuverlässig und sicher zu schalten, ist die Verwendung eines zwangsgeführten Relais (Force-Guided Relay, FGR). Diese Relais unterliegen der bereits erwähnten Norm IEC 61810-3. Ein zwangsgeführtes Relais basiert auf einer Konstruktion, die sicherstellt, dass normalerweise geöffnete Kontakte (Schließer, NO) nicht denselben Zustand annehmen können wie normalerweise geschlossene Kontakte (Öffner, NC). Sollte ein Verschweißen der Kontakte oder ein anderer potenzieller Fehler innerhalb des Relais auftreten, wird bei der erzwungenen Bewegung der Kontakte ein festgelegter Mindestabstand von 0,5 mm zu den ausgefallenen Kontakten gewahrt. Bild 1 illustriert im Detail das Konstruktionsverfahren eines Satzes zwangsgeführter Relaiskontakte.

Das Schrack-Sortiment an zwangsgeführten Relais von TE Connectivity wird in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Sicherheitsverriegelungen, Not-Aus-Schalter und Robotersteuerungssysteme. Außerhalb der Industrie komen FGRs in diversen Steuerungssystemen zum Einsatz, etwa in Aufzugstürsteuerungen, Eisenbahnsignalen und medizinischen Diagnosegeräten.

Das Schrack-Portfolio bietet eine Vielzahl flexibler Designoptionen, wie beispielsweise mehrere Kontaktkonfigurationen, verschiedene Kontaktüberzugoptionen und eine Vielzahl von Stiftanordnungen zur Erreichung höherer Nennspannungen. Standardmäßige und empfindliche Spulenoptionen bieten eine längere Lebensdauer und ein verbessertes Wärmeableitungsprofil. Bild 2 zeigt das Schrack-FGR-Portfolio, das von der 2-poligen SR2M-Serie bis zur 7-poligen SRL7-Familie reicht.

Ein Beispiel für ein FGR ist das Schrack SR2M (siehe Bild 3). Dieses 2-polige Relais entspricht der Norm EN 61810-3 (vormals EN 50205) und verfügt über eine verstärkte Isolierung zwischen den Polen. Die Schaltkontakte sind für 250 VAC ausgelegt, mit einem Maximum von 400 VAC und einem Nennschaltstrom von 6 A. Das Kontaktmaterial ist Silber-Nickel (AgNi). Die Kontaktanordnung ist 1 Form A (SPST-NO) und 1 Form B (SPST-NC). Die Betriebsspannung der Relaisspule ist modellabhängig und deckt alle gängigen Nennspannungen von 5 VDC bis 110 VDC ab. Es ist entweder im Steck- oder Lötstiftformat erhältlich.

Zu den gängigen Einsatzbereichen des SR2M gehören die Notabschaltung, die Steuerung hydraulischer Pressen, die Steuerung von Aufzügen und Rolltreppen sowie die Sicherheitsüberwachung.

Ein weiteres FGR-Beispiel ist das vierpolige Schrack SR4D/M. Dieses Relais (siehe Bild 4) ist entweder mit 3 Form A-Kontakten und 1 Form B-Kontakt (3 NO + 1 NC) oder mit 2 Form A-Kontakten und 2 Form B-Kontakten (2 NO + 2 NC) erhältlich. Das Kontaktmaterial ist Silberzinnoxid (AgSnO2), der Nennstrom pro Kontakt beträgt 8 A.

Die meisten industriellen Produktionsanlagen werden von auf DIN-Schienen montierten Prozesslogik-Steuerungen (SPS) gesteuert, die in einem Schaltschrank untergebracht sind. Da die Maschinen immer komplexer werden und die Anlagendichte zunimmt, wird der Platz in der Fabrik immer knapper. In der Regel sind die Ingenieure auf einen einzigen Schaltschrank pro Produktionsanlage beschränkt, was die Steuerungsausrüstung einschränkt. Moderne Industriesteuerungen müssen eine hohe Funktionsdichte aufweisen, um mehr Funktionen auf einem gegebenen Raum unterzubringen. Dieser Ansatz erfordert jedoch auch, dass die Wärmeabgabe auf ein Minimum reduziert wird.

Ein Beispiel eines zwangsgeführten Relais für DIN-Schienen ist das kompakte Schrack XT (siehe Bild 5).

Das Schrack XT ist in einpoliger oder zweipoliger Ausführung und mit Nennströmen von 16 A (1P) oder 8 A (2P) erhältlich. Das FGR-Relais kann entweder mit einer 24-VDC-Spule oder einer 24-VAC-, 115-VAC- oder 230-VAC-Spule bestellt werden.

Die Einhaltung geltender Sicherheitsstandards ist in allen Bereichen des menschlichen Alltags von essenzieller Bedeutung. Das gilt insbesondere für industrielle Prozesse, bei denen Maschinen und Prozessanlagen zum Einsatz kommen, die ein Sicherheitsrisiko darstellen können. Funktionale Sicherheitsstandards liefern einen Rahmen zur Einschätzung und Ermittlung von Risiken. Im speziellen Fall der Relais regelt die Spezifikation IEC 61810-3 die Verwendung zwangsgeführter Relais für Sicherheitssteuerungsapplikationen.