WORKSHOP INDUSTRIERELAIS

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1 WORKSHOP INDUSTRIERELAIS Relais Situation heute Anatomie eines Relais Signal-, Steuer- und Leistungsrelais Parameter des Relais Elektromechanischer oder elektronischer Kontakt? Anwendungsfehler als Beispiel COMAT AG Bernstrasse 4 CH-3076 Worb Phone +41 (0) Fax +41 (0) info@comat.ch

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3 Inhaltsverzeichnis Relais Situation heute 4 Anatomie eines Relais 5 Anwendungsbereiche 8 Fehlersuche 11 3

4 Relais Situation heute EINLEITUNG Das elektromechanische Relais ist eine eher altmodische und unterbewertete Komponente der Elektrotechnik. Trotz seiner enormen Verbreitung weltweit und einem aktuell noch nicht absehbaren Zeitpunkt für die Ablösung durch andere Bauteile wie z.b. Halbleiter-Relais, wird die Thematik des elektromechanischen Relais in den heutigen Erziehungssystemen kaum oder gar nicht mehr gelehrt. Aber: Relais werden noch in fast allen Schaltschränken und elektrischen Installationen verwendet. Das Marktvolumen weltweit beträgt auch heute noch rund 6 Milliarden Euro (2011). Elektro-Profis und junge Ingenieure sind an Themen wie Computer, Software, Telekommunikation und anderen, offensichtlich interessanteren und moderneren Studiengängen interessiert. Die Komplexität eines einfachen Relaiskontakts gerät in Vergessenheit. Und dieses fehlende Wissen wiederum ist der Grund für viele Probleme in der Planung und Konstruktion von elektrischen Systemen, welche hohe Kosten und viel Mühen nach sich ziehen. Und genau diese Lücke versucht die Comat AG mit fundiertem Fachwissen der Mitarbeiter im technischen Support zu füllen. Die folgenden Seiten sollen auch Ihnen die Gelegenheit geben, Ihr Wissen über den elektrischen Relais- Kontakt aufzufrischen und dadurch in Zukunft vielleicht das eine oder andere Problem mit diesen Komponenten verhindern zu können. Ein Standard-Relais gibt es nicht ganz einfach weil der Standard-Kontakt nicht existiert! Die Spezialität der Comat Releco Gruppe sind Nischenmärkte, obwohl natürlich auch die Produkte für Standard-Anwendungen einen wichtigen Platz im Produktsortiment einnehmen. Die Firmengruppe ist hauptsächlich im Bereich Industrie (Schaltschrankbau, Maschinenbau, Fahrzeugbau) tätig, fokussiert sich aber auch immer mehr auf die Bereiche Gebäudeautomation, HLK und Elektro-Installation. Trotz der weltweiten Marketing-Präsenz und Produktionsstätten in fünf verschiedenen Ländern ist die Comat Releco immer noch zu hundert Prozent im Besitz des Managements, welches darum bemüht ist, die Innovationsrate mit kontinuierlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung hoch zu halten. Wir unterscheiden hauptsächlich drei verschiedene Applikationsbereiche:: Signal-Bereich: 10 µa / 100mV 1 ma / 5 V (Analogsignale) Kontroll-Bereich: 1 ma / 5 V 100 ma / 30 V (I/O's von SPS Steuerungen) Leistungs-Bereich: 100 ma / 30 V 16 A / 250 V Diese Bereiche sind allerdings nur empfohlene Richtwerte. Unter Einfluss von Schaltfrequenz, Strom/ Spannungs-Verhältnis und anderen Effekten können diese Werte variieren. Die genannten Werte sind typische Werte. 4

5 Anatomie eines Relais BETRIEB UND ANWENDUNG Ein Relais ist ein elektromechanischer, ferngesteuerter Schalter mit im Normalfall zwei Schaltpositionen, welcher durch einen elektrischen Strom kontrolliert wird. Der Schalter wird durch einen Steuerstromkreis aktiviert und steuert damit andere Stromkreise. Relais werden daher hauptsächlich für die folgenden Anwendungen (und Kombinationen daraus) verwendet: Simultane Beeinflussung mehrerer Laststromkreise mit einem einzigen Steuerstromkreis. Schalten von grossen elektrischen Leistungen mit einem Niederspannungs-Steuerkreis. Galvanische Trennung vom Laststromkreis zum Steuerstromkreis. Das elektromechanische Relais arbeitet nach dem Prinzip einer Magnetspule (Elektromagnet). Ein elektrischer Strom in einer Spule kreiert einen magnetischen Fluss durch den ferromagnetischen Kern. Dies wiederum lässt eine Kraft auf den Anker einwirken, welcher dadurch einen oder mehrere Kontakte schliesst. Der Anker fällt durch das Entregen der Spule in seine Ausgangsposition zurück. 5

6 Anatomie eines Relais KONTAKTTYPEN Ein elektromechanisches Relais hat mechanische Kontakte, welche entweder in der Konfiguration als Schliesser-, als Öffner- oder als Wechselkontakt ausgelegt sind Schliesserkontakt Ein Kontakt wird als Schliesser, NO-Kontakt (=normally open) oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er bei nicht angeregtem Anker, resp. nicht angeregter Spule offen ist und sich schliesst, wenn die Spule mit einem Stromfluss angeregt wird. Dies ist die am häufigsten verwendete Konfiguration eines mechanischen Kontakts Öffnerkontakt Ein Kontakt, welcher den Stromkreis unterbricht, wenn die Spule aktiviert wird, nennt man Öffner, NC-Kontakt (=normally closed) oder Ruhekontakt. Er wird oft für Notfall-Abschaltungen oder ähnliche Anwendungen verwendet. Wechselkontakt Eine Kombination aus Arbeits- und Ruhekontakt wird als Wechsler, CO-Kontakt (=changeover) oder Umschaltkontakt bezeichnet. Die Wurzel des Schliessers und des Öffners sind hier miteinander verbunden (Kennzeichen: drei Anschlüsse). Ein Relais hat meistens einen oder mehrere solcher Kontakte. Verschiedene Kontakttypen: Standardkontakt Doppelkontakt Mehrpunkt-Kontakt (geriffelte Oberfläche) 6

7 Anatomie eines Relais Kontaktmaterialien Wir verwenden in unseren Relais 5 verschiedene Kontaktmaterialien. Nachfolgende Tabelle zeigt eine kurze Übersicht des Leistungsvermögens der verschiedenen Materialien. Material AgNi (Silber-Nickel) AgNi µm Au (AgNi mit Hauchvergoldung) AgNi + 10 µm Au (AgNi mit Goldplattierung) Beschreibung Der am häufigsten verwendete Kontakt mit guter Lichtbogen- und Oxidationsfestigkeit. Anwendungsbereich: 10 ma / 12 V bis 10 A / 250 V Prinzipiell gleich wie der obenstehende Standard-Kontakt, aber mit höherer Oxidationsfestigkeit (sehr geeignet für lange Lagerung). Anwendungsbereich: 10 ma / 12 V bis 10 A / 250 V Der meistverwendete Kontakt für das Schalten von kleinen Kontrollsignalen. Anwendungsbereich: 1 ma / 5 V bis 100 ma / 30 V AgNi / W AgNi mit Wolfram-Vorlaufkontakt Schlechter Leiter, wird aber aufgrund seiner hohen Lichtbogenfestigkeit in Hochleistungsrelais gegen hohe Einschaltströme eingesetzt. Anwendungsbereich: 10 ma / 12 V bis 10 A / 250 V; Einschaltstrom bis 500 A AgSnO 2 Silber-Zinn-Oxid Sehr geeignet als Leistungskontakt in Netzapplikationen mit relativ hohen Einschaltströmen bis 120 A. Gute Lichtbogenfestigkeit. Anwendungsbereich: 10 ma / 12 V bis 10 A / 250 V; Einschaltstrom bis 120 A SCHUTZBESCHALTUNGSARTEN UNSERER RELAIS X LED-Schaltstellungsanzeige mit Gleichrichter Für DC- und AC-Relais bis 250 V Stromstösse von 1 kv bis 24 V Stromstösse von 2 kv von 25 bis 60 V Stromstösse von 4 kv von 61 bis 250 V A1 A2 X LED-Verbrauch: 1 ma D Integrierte Freilaufdiode DX Freilaufdiode und LED-Schaltstellungsanzeige Dämpft die Transienten, welche beim Entregen der Spule entstehen. Stromstösse von 2 kv bis 60 VDC Stromstösse von 4 kv von 61 bis 250 VDC F Integrierte Polaritäts- und Freilaufdiode FX Integrierte Polaritäts- und Freilaufdiode und LED Eine Diode in Serie mit der Spule schützt das Relais vor falsch gepoltem Anschliessen. Stromstösse von 1 kv bis 60 VDC Stromstösse von 4 kv von 61 bis 250 VDC D A1 A1 + + A2 A2 - - Erhöht die Rückfallzeit um den Faktor 4 F A1 A1 + + A2 A2 - - Erhöht die Rückfallzeit um den Faktor 4 DX FX B Integrierter Brückengleichtrichter BX Integrierte Brückengleichtrichter und LED-Anzeige Erlaubt die Ansteuerung des Relais mit AC- oder DC-Spannung ohne Polaritätsprobleme. Nur in Spannungen bis 60 V verfügbar. Stromstösse von 1 kv. A2 B Erhöht die Rückfallzeit um den Faktor 3 A1 A2 BX R R RC-Glied. Ein Entstör-Element für AC-Spulen. Stromstösse von 2 kv. A1 A2 7

8 Anwendungsbereiche SIGNAL-, STEUER- UND LEISTUNGSRELAIS Signalrelais Komponenten zum Schalten von Signalen mit sehr kleiner Leistung nennen wir in unserer Dokumentation generell Signalrelais. Typische Werte: Sehr kleine Leistungen sind Lasten im Bereich von 10 µa / 100 mv 1 ma / 5 V Analoge Signale im Bereich von 0 10 V oder 4 20 ma. Anforderungen für zuverlässiges Schalten von Signal-Lasten sind: Doppelkontakt Goldplattiert (> 3 µm Au) Steuerrelais Komponenten zum Schalten von Signalen mit kleiner Leistung nennen wir in unserer Dokumentation generell Steuerrelais. Typische Werte: Kleine Leistungen sind Lasten im Bereich von 1 ma / 5 V 100 ma / 30 V Eingänge von SPS-Steuerungen mit Leistungen von (5 ma / 24 V DC). oder Anforderungen für zuverlässiges Schalten von Kontroll-Lasten sind: Doppelkontakt Goldplattierung auf Einzelkontakt Leistungsrelais Komponenten zum Schalten von Signalen mit grosser Leistung nennen wir in unserer Dokumentation generell Leistungsrelais. Typische Werte: Hohe Leistungen sind Lasten im Bereich von 100 ma / 30 V 16 A / 250 V. oder Anforderungen für zuverlässiges Schalten von Lasten < 6 A / 24 VDC; < 6 A / AC230 V: Einzelkontakt Doppelkontakt (mit Spezifikation bis 6A) oder Anforderungen für zuverlässiges Schalten von Lasten > 6 A / 24 VDC; > 6 A / AC230 V: Einzelkontakt Doppelt unterbrechender Kontakt (hohe DC-Lasten) Spezielle Hochleistungsrelais Hohe DC-Lasten: DC-Lasten sind sehr unangenehm. Einseitig gerichtete Materialwanderung verursacht Oxidationspunkte und Krater. Wir empfehlen Relais mit grossen Kontaktabständen, doppelt unterbrechenden Kontakten oder mit Blasmagnet Hohe Einschaltströme: Diese Ströme bewirken oftmals ein Verschweissen der Kontakte. Daraus entsteht der Effekt einmal-ein-nie-mehr-aus.» Wir empfehlen hier die Verwendung von Relais mit grossen Kontaktkräften und speziellen Kontaktmaterialien wie AgSnO2 oder AgNi/W. Damit können Einschaltströme bis 500 A verarbeitet werden. 8

9 Anwendungsbereiche RELAIS PARAMETER Signalrelais Steuerrelais Leistungstelais Hochleistungsrelais Interface Relais C10-T12 C10-T11 C10-A10 C10-A15 Anzahl Kontakte Nennlast AC-1 [6 A /250 V] [6 A /250 V] 10 A /250 V 10 A /250 V Nennlast AC-15 2 A /250 V 6 A /250 V Nennlast DC A /30 V [6 A/30 V] 0.2 A /30 V [6 A / 30 V] 10 A /30 V 10 A /30 V Einschaltstrom max. [15 A (20 ms)] [15 A (20 ms)] 30 A (20 ms) 120 A (20 ms) Empfohlene Mindestlast 1 ma /5 V 5 ma /5 V 10 ma /10 V 10 ma /10 V Kontaktmaterial AgNi + 5 µm Au AgNi µm Au AgNi AgSnO2 Kontakttyp Doppelkontakt (Wechsler) Doppelkontakt (Wechsler) Wechselkontakt Wechselkontakt Miniatur Industrie-Relais C7-T22 C7-T21 C7-A20 C7-W10 Anzahl Kontakte Nennlast AC-1 [6 A /250 V] [6 A /250 V] 10 A /250 V 10 A /250 V Nennlast AC-15 6 A /250 V 6 A /250 V Nennlast DC A /30 V [6 A/30 V] 0.2 A /30 V [6 A/30 V] 10 A /30 V 10 A /30 V Einschaltstrom max. [15 A (20 ms)] [15 A (20 ms)] 30 A (20 ms) 500 A (2.5 ms) Empfohlene Mindestlast 1 ma /5 V 5 ma /5 V 10 ma /10 V 10 ma /10 V Kontaktmaterial AgNi + 10 µm Au AgNi µm Au AgNi W + AgNi Kontakttyp Doppelkontakt (Wechsler) Doppelkontakt (Wechsler) Wechselkontakt Schliesskontakt Leistungsrelais C5-A30 C5-M10 Anzahl Kontakte 3 1 Nennlast AC-1 16 A /400 V 16 A /400 V Nennlast AC-15 8 A /400 V Nennlast DC-1 16 A /30 V 10 A /220 V Nennlast DC-13 2 A /220 V Einschaltstrom max. 40 A (20 ms) 40 A (20 ms) Empfohlene Mindestlast 10 ma /10 V 10 ma /10 V Kontaktmaterial AgNi AgNi Kontakttyp Wechselkontakt Doppelt unterbrechender NO mit Blasmagnet [] = Theoretische Werte, nicht für den Betrieb vorgesehen = Nicht für diese Betriebs- und Belastungsart vorgesehen 9

10 Anwendungsbereiche MECHANISCH In der heutigen Zeit wird der elektronische Kontakt (Halbleiter-Kontakt, Solid-State-Kontakt) zum ernsthaften Konkurrenten für den normalen, elektromechanischen Kontakt. Halbleiter-Relais sind auch heute noch teurer als normale Relais und haben ein paar Nachteile aber eben auch einige Vorteile. Zu beachtende Kriterien, um den richtigen Kontakt zu wählen: Schaltfrequenz / Schalthäufigkeit Art der zu schaltenden Last Schaltstrom / -spannung Lebensdauer / Wartungszyklus Schaltfrequenz / Schalthäufigkeit Verfügbare Daten von verschiedensten Relais-Herstellern lassen auf eine Relais-Lebensdauer von, natürlich in Abhängigkeit der geschalteten Last, einigen hunderttausend Schaltspielen schliessen. Das klingt nach viel, relativiert sich aber bei genauerem Hinsehen. In schnell arbeitenden Maschinen und Installationen aus z.b. der Papier-, Verpackungs- oder Textilindustrie sind einige Vorgänge pro Tag keine Seltenheit. In diesem Fall würde die Relais-Lebensdauer nur ein paar Tage betragen. Ein Standard-Relais ist hier nicht die korrekte Lösung. Es sollte zwingend ein Halbleiter- Relais eingesetzt werden. Art der zu schaltenden Last Eine 70W Fluoreszenzlampe mit einem integrierten Vorschaltgerät und Kompensation soll mit einem Relais geschaltet werden. Die Lampe wird nur einmal täglich ein- und ausgeschaltet. Die erwartete Anzahl Schaltvorgänge ist also ideal tief. Allerdings tritt hier ein anderes Problem auf: Der Einschaltstrom einer solchen Lampe ist sehr hoch, was den Einmal-Ein-Nie-Mehr-Aus-Effekt herbeiführen kann. Die Wahl eines elektromechanischen Kontakts ist hier korrekt, aber es muss sichergestellt werden, dass der Kontakt fähig ist, Einschaltströmen von bis zu 100 A standzuhalten. Relais mit Wolfram-Vorlaufkontakt (z.b. Comat C7-W10) Schütz (z.b. Comat RIC40-400) Ähnliche Probleme können auch beim Schalten von Motoren, Schützenspulen, Halogenlampen, etc. auftreten. Schaltstrom und -spannung Halbleiter-Kontakte für hohe Schaltleistungen brauchen viel Platz und generieren viel thermische Energie. Wenn also Platzbedarf ein entscheidendes Kriterium ist, dann ist die Verwendung von elektronischen Kontakten nicht angebracht. Hier sollte ein elektromechanisches Relais eingesetzt werden. Lebensdauer / Wartungszyklus Schalten von DC-Lasten, im Speziellen induktive DC-Lasten wie Ventile, DC-Schütze, Magnet-Kupplungen, etc. können die Lebensdauer eines Schaltkontakts massiv verkürzen. Diese Lasten verfügen über viel elektromagnetische Energie, welche durch den Stromfluss hervorgerufen werden. Diese Energie muss beim Abschalten des Kontakts abgeführt werden. Ohne geeignete Gegenmassnahmen wird die Energie in einen Lichtbogen gewandelt, wenn der Kontakt geöffnet wird. Und bei Gleichstrom gibt es keinen Nulldurchgang wie beim Wechselstrom, welcher den Lichtbogen eliminieren würde. Gleichspannungen von über 30 V und Gleichströme über 1 A sind problematisch und limitieren die Lebensdauer. In diesem Fall werden Halbleiter-Kontakte oder elektromechanische Relais mit Blasmagnet verwendet. 10

11 Fehlersuche EINIGE ANWENDUNGSFEHLER ALS BEISPIEL Keine Klarheit über die Art der Last Last zu klein Last zu gross Ohmsche / kapazitive / induktive Last Schlechte oder gar keine Abschätzung der Anzahl Schaltzyklen pro Monat oder Jahr Fehleinschätzung der Umweltbedingungen Staub Aggressive Gase Hohe oder sehr tiefe Temperaturen Logische Fehler Keine Berücksichtigung von Ansprech- oder Rückfallzeiten Schlechtes Timing des logischen Schaltkreises Keine Berücksichtigung von Übergangszeiten Keine Schutzbeschaltung (gegen Induktivität) der Spule (EMV) der Last (EMV und Kontaktlebensdauer) SCHALTEN VON UNTERSCHIEDLICHEN SPANNUNGEN MIT NEBENEINANDER LIEGENDEN KONTAKTEN Das Schalten von verschiedenen Spannungen über ein Relais ist ein in der Praxis häufiger Anwendungsfall. Dass dies gewisse Risiken birgt, zeigte der Einsatz eines Relais vom Typ C9-A41 zum Schalten von 230 VAC und 24 VDC. Im Folgenden soll aufgezeigt werden, worauf geachtet werden muss, um Vorfälle zu vermeiden. Was ist passiert? Die Theorie hinter dem Phänomen! Die kompakten Relais aus der Reihe C9-A41 sind mit vier Wechselkontakten ausgerüstet. Im vorliegenden Fall wurde ein Kontakt mit Steuerspannung 24 VDC und maximal 2 A belastet, während der benachbarte Kontaktsatz eine Spannung von 230 VAC und maximal 0.5 A eine Schützenspule ohne Schutzbeschaltung schalten sollte. Diese Beschaltung führte zu einem Lichtbogen und zu einem Kurzschluss zwischen benachbarten Kontakten. Die Zerstörung des Relais und weiteren umliegenden Komponenten war die Folge. Das Phänomen, welches zu diesem Ereignis führte, lasst sich anhand der Induktionsgesetze erklären (Lenzsche Regel): Sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten einer Spule wird aufgrund der Änderung des magnetischen Flusses eine gegen gerichtete Induktionsspannung erzeugt. Abhängig von der Phasenlage im Ausschaltmoment, kann diese Induktionsspannung durchaus eine Höhe von mehreren Kilovolt erreichen und lässt über dem Relaiskontakt ein Funke entstehen. Die Folge ist die Bildung von Plasma; die frei gewordenen Ladungsträger in der Luft übertragen den Lichtbogen auch auf benachbarte Kontakte und führen zu einem Kurzschluss. Erklärung anhand der Normen In der Relaistechnik kommen insbesondere die Normen EN und EN zur Anwendung. Die Norm EN ist in der Norm EN referenziert und besagt, dass bei Spannungen ab 150 VAC eine Basisisolierung mit einer Luftstrecke von 3 mm gefordert wird. Dies entspricht einer Pulsprüfspannung von 4 kv. Die Luftstrecke zwischen benachbarten Kontakten beim Relais C9 beträgt 1,75 mm und die Prüfspannung ist mit 2 kv RMS angegeben. Dies erklärt aus Sicht der Normen, weshalb der Einsatz dieses Relais zum Schalten von 24 VDC und 230 VAC im gleichen Relais unzulässig ist. Abhilfe Es ist zwingend notwendig, für diese Anwendung den 24 VDC-Stromkreis und den 230 VAC-Stromkreis durch zwei separate Relais zu schalten oder ein Relais mit grösserem Kontaktabstand einzusetzen (Pulsprüfspannung 4 kv). Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Relais aus der Baureihe C5. Diese Relais sind steckbar und in verschiedensten Ausführungen erhältlich. Ebenfalls geeignet sind die Schütze aus der RIC-Serie. Sie können optional mit einem Erweiterungsmodul ausgerüstet werden. Dieses verfügt über zwei Doppelkontakte und ist damit bestens geeignet, kleine Signale im 24 VDC-Bereich zuverlässig zu schalten. 11

12 SUPPORT Um Ihnen bei der Problemlösung zur Seite zu stehen, verfügt Comat über ein kleines, aber daher gut abgestimmtes Team von Support-Ingenieuren, welches sich persönlich um Ihre Anliegen kümmert. Und das in Deutsch, Französisch und Englisch, täglich ab Uhr COMAT AG Bernstrasse 4 CH-3076 Worb Phone +41 (0) Fax +41 (0) info@comat.ch