Energie sparen bei Relais mit zwangsgeführten Kontakte Weniger ist mehr

Man kann nicht nur mit bistabilen Relais, sondern auch mit monostabilen Relais energieeffiziente Schaltungsdesigns realisieren. Wichtig ist dabei allerdings, dass der Entwickler die Arbeitsbedingungen...

Energie sparen bei Relais mit zwangsgeführten Kontakte

Man kann nicht nur mit bistabilen Relais, sondern auch mit monostabilen Relais energieeffiziente Schaltungsdesigns realisieren. Wichtig ist dabei allerdings, dass der Entwickler die Arbeitsbedingungen des in Frage kommenden Relais genau kennt; unter anderem also die Errregerspule nicht anhand von Worst-Case-Bedingungen, sondern praxisgerecht auswählt.

Spätestens seit den UN-Klimaberichten und den darauf folgenden Verlautbarungen von G8 und EU ist klar, das es eine gesellschaftliche Aufgabe ist, in Sachen Klimaschutz gezielter tätig zu werden. Die Realisierung der hehren Ziele liegt bei jedem Einzelnen und somit ist es Aufgabe des einzelnen Unternehmens, diese Vorgaben in verkaufsfähige Produkte zu transformieren. Nicht immer ist es damit getan, neue Bauelemente aus dem Ärmel zu schütteln, die dann als „Problemlöser“ fungieren. In vielen Fällen wird es notwendig, die bisherigen Vorgehensweisen zu überprüfen und aus den Gegebenheiten neue Konzepte zu entwickeln. Dies ist gerade dann unerlässlich, wenn normative oder konstruktive Vorgaben technisch vorstellbare Lösungen aus Sicherheitsgründen ausschließen – z.B. bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten, die bei sicherheitsrelevanten Steuerungen der Automatisierung, im Aufzugsbau, in der Medizintechnik etc. zum Schutz von Menschen und Absicherungen von Maschinen und Anlagen eingesetzt werden.

Konstruktiv wird bei Sicherheitsapplikationen vom Ruhestromprinzip ausgegangen. Es bedeutet, dass nach dem Abschalten des Systems die Versorgungsspannung nicht mehr wirkt und das System in seine „Grundstellung“ zurückfällt. Ist ein Zurückfallen in die Grundstellung nicht möglich, da z.B. ein Arbeitskontakt des Relais durch Verschweißen nicht mehr öffnet, so wird dies durch die Zwangsführung „erkannt“. Denn in diesem Fall können die Ruhekontakte des Relais nicht mehr in die Grundstellung zurückfallen, und der Ruhekontakt wird quasi zum Monitoring genutzt.

Diese pragmatische Funktion bedingt, dass die Relais immer in einer definierten Stellung sein müssen. Aus dem Blickwinkel der energieeffizienten Konstruktion wäre die klassische Lösung der Einsatz von bistabilen Relais, welche jedoch durch mangelnde Eindeutigkeit der Schaltstellung nicht genutzt werden können.

Dennoch ist es auch bei Nutzung monostabiler Relais möglich, energieeffizientes Schaltungsdesign zu realisieren; darüber hinaus kann man ohne Mehraufwand die Relaisperformance deutlich steigern – was gerade bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten besonders wichtig ist. Relais mit zwangsgeführten Kontakten fallen vom Konstruktionsprinzip in den Bereich der Starkstrom-Printrelais (Schaltströme bis ca. 16 A). Im Gegensatz zu Standardrelais gibt es jedoch Unterschiede, die einen etwas größeren Energiebedarf zur Folge haben. Hierzu gehören Faktoren wie

  • Kontakte, die miteinander mechanisch verlinkt sind,
  • größere Kontaktöffnungsweiten,
  • die normativ bedingte Überdimensionierung von Relaiselementen,
  • eine Abfallspannung, die höhere Werte annehmen darf.

Somit wird klar, warum z.B. bei einem klassischen Printrelais mit zwei Wechselkontakten die Spulenerregerleistung bei rund 500 mW liegt und beim optisch sehr ähnlichen Relais mit zwangsgeführten Kontakten mit rund 700 mW zu Buche schlägt.

Spulenansteuerung richtig ausgelegt

In vielen Betrachtungen wird bei Auslegung der Spulenansteuerung mit den Spulendaten des Herstellers gearbeitet. Es werden also Spulenwiderstand und Erregerspannung bei 20 °C herangezogen und die notwendige Spulenleistung errechnet – sofern diese nicht bereits in den Datenblättern (Tabelle) angegeben ist. Hier ist jedoch zu differenzieren. So stellt sich die Frage: Wofür wird eigentlich diese Leistung benötigt? Konstruktionsbedingt wird die höchste Energie zur Überwindung des Luftspaltes zwischen Anker und Joch benötigt, da die magnetische Flussdichte in Luft sehr viel geringer als bei magnetischem Weicheisen ist. Daraus folgt, dass nur für einen relativ kurzen Zeitraum die „volle Energie“ benötigt wird. Ist der Anker aus den „Startblöcken draußen“, muss die Energie eigentlich nur noch so lange auf diesem hohen Niveau bleiben, bis der Anker sicher auf dem Joch aufliegt und alle Dynamik des Systems verschwunden ist. Die Halteleistung ist nach dem Anschalten sehr viel geringer, und die Energieversorgung des Relais kann folgerichtig gedrosselt werden. Einzig die Frage der Dimensionierung ist jetzt noch offen.

Voraussetzung für die Absenkung der Erregerspannung ist, dass alle funktionalen Parameter wie Vibrations- und Schockfestigkeit erhalten bleiben. Dies sollte bei modernen Relaiskonstruktionen auch nach Absenkung der Erregerspannung gewährleistet sein. Hinzu kommt noch die Betrachtung der Temperaturbereiche (Umgebungstemperatur), in denen das Relais arbeiten soll, und Schwankungen in der Spulenerregerspannung (Bild 1). Im Ergebnis beträgt die zu erzielende Halteleistung rund ein Drittel der Erregerleistung.

Systemstabilität jedenfalls wird durch eine korrekte Definition der Ansteuerungszeit des Relais in der Applikation erreicht, und hier werden in der Praxis oft Fehler gemacht! Angaben zu Ansprech- und Prellzeiten des Relaisherstellers beziehen sich auf Werte, die mit „guter“ Spannungsqualität und ohne Schutzbeschaltung unter Laborbedingungen nach standardisierten Testbedingungen ermittelt werden. Leider sind die Verhältnisse in der Praxis etwas differenzierter zu betrachten. Schutzbeschaltungen oder Wechselwirkungen durch andere Bauelemente und das Platinendesign wirken auf die Relaiszeiten. Mit verlängerten Ansprech- und Abfallzeiten ist daher zu rechnen. Hinzu kommt, dass es bei Lastschaltungen – statistisch gesehen – zu verspäteten Kontaktöffnungen kommen kann. In der Praxis können sich die Schaltzeiten bis zum Faktor 10 erhöhen. In den meisten Fällen liegt diese Zeitspanne jedoch darunter. Als Faustformel sind 50 bis 100 ms für das Einschalten des Relais ausreichend. In vielen Fällen ist es zusätzlich sinnvoll, die Ansteuerleistung für den Erregerzeitraum zu erhöhen. Dadurch werden die Schaltzeiten etwas verkürzt, was wiederum positive Auswirkungen auf das Prellverhalten und damit auf die Kontaktlebensdauer haben kann.

Beim Berechnen des Energieverbrauchs wird sehr deutlich, dass die angesprochen Maßnahmen zu einer rapiden Senkung führen. Dazu ein Beispiel, bei der die nur sehr kurz wirkende Ansprechleistung nicht berücksichtigt wurde und als Randparameter folgende Werte gelten:

  • Anzahl der Relaismodule pro Werkzeugmaschine: 5 Stück
  • Anzahl der Relais pro Modul: 3 Stück
  • Erregerleistung: 600 mW
  • Halteleistung: 180 mW
  • Betriebsdauer pro Tag (Relais angezogen): 5 h
  • Nutzungszeit pro Jahr: 300 Tage = 1500 h

Dies ergibt einen Energieverbrauch pro Jahr von 13,50 kWh bei voller Erregerleistung, während sie bei Betrieb mit Haltespannung auf 4,05 kWh/ Jahr sinkt. Es lassen sich also Energieeinsparungen von ca. 70 % realisieren.