Leistungsschalter
Die Zukunft gehört dem Gleichstrom
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Bestehende Lösungen - zum Beispiel die EV-Serie
Bei der EV-Relais-Serie von Panasonic wurden die vorhin beschriebenen physikalischen Prinzipien konsequent umgesetzt. Die Kontaktöffnung wird durch einen Brückenkontakt mit reinem Kupfer als Kontaktwerkstoff realisiert. Die Kontakte befinden sich in einer mit Wasserstoff gefüllten Keramikkammer. Ein Permanentmagnet (ca. 15 mT) erzeugt ein nahezu homogenes Magnetfeld. Durch diese Anordnung kann die Kontaktöffnung auf ein Minimum reduziert werden.
Bild 2 zeigt einen Ausschnitt der Kontaktkammer mit abgelenktem Lichtbogen. Die effektive Bogenlänge wird um mehr als das Zehnfache verlängert und beträgt ca. 30 mm. Als Folge kann die Schalteinheit sehr kompakt gebaut werden. In der Ausführung bis 300 A erreicht die Kontaktkraft 15 N und ist geeignet, um Kurzschlussströme bis 6.000 A für 5 ms zu führen, ohne dabei zu verschweißen.
Die Spulenverlustleistung wird in diesem Relais - nach einem Stromimpuls beim Einschalten - durch einen internen Steuerkreis auf 3,6 W Halteleistung abgesenkt, ohne die Kontaktkraft zu verringern. Das EV-Relais ist mit Schraubanschlüssen versehen, um eine effektive Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
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In Bild 3 ist das Schaltvermögen bzw. die Anzahl der zu erwartenden Schaltspiele über dem Strom in Abhängigkeit von der Schaltspannung aufgetragen. Im Diagramm begrenzt die senkrechte rote Linie den Wert für den Einschaltstrom. Für Anwendungen über 300 A kann das Relais die Last zwar noch abschalten, aber die Kontakte würden beim Einschalten verschweißen. Interessant ist auch die Tatsache, dass eine Lichtbogenlöschung bei 1.000 V und 300 A möglich ist.
Diese Leistung erfordert Kontaktöffnungen, die weit über 300 mm liegen. Wie bereits erwähnt, beträgt die tatsächliche Bogenlänge im Relais aber nur ca. 30 mm. Dies wird durch die Verwendung von Wasserstoffgas ermöglicht, das die Bogenlöschung effektiv unterstützt. Gegenüber Luft kann die Lichtbogenstrecke um den Faktor 10 verringert werden.
Mit dieser Konstruktion einer gasdichten Keramikkammer lassen sich die Schaltgeräte deutlich kompakter kon-struieren als vergleichbare luftoffene Systeme. Damit ergibt sich ein weiterer Vorteil: Es gibt keine offenen Funkenstrecken. Das Relais kann damit auch in ATEX-geschützten Umgebungen eingesetzt werden. Der sehr kompakte Schalter ist in verschiedenen Ausführungen von 10 bis 300 A erhältlich und wird überwiegend in Batterietrenneinheiten bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen verwendet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Trennung von Solarmodulen vom Wechselrichter.
Das neue HEV-1000V-Relais
Für Anwendungen bei Solarinstallationen gekoppelt mit einem Batterie-Speichersystem bis 5 kW ist es ausreichend, Ströme bis 20 A bei 800 bis 1.000 V(DC) zu schalten. Um dem Trend im Solarbereich zu genügen und die Bauteilkosten zu minimieren, wurde bei der Relaisserie HEV-1000V (Bild 4) auf eine gekapselte Schaltkammer verzichtet. Dafür wird eine sogenannte Hartgaslöschung verwendet.
In Hartgas-Schaltern wird der zur Löschung notwendige Wasserstoff aus der Wand der Löschkammer gewonnen, die aus einem organischen Isolator besteht. Dazu wird der Lichtbogen durch ein Magnetfeld so abgelenkt, dass er eine möglichst große Fläche des Isolators überstreicht. Allerdings lassen sich nur wenige Abschaltungen bei Volllast durchführen, da sich das feste Isoliermaterial verbraucht.
Die Anzahl der Sicherheitsabschaltungen muss also in enger Abstimmung mit der Anwendung bestimmt werden. Üblicherweise liegen diese in einer Größenordnung von 10 bis 100 Schaltzyklen bei Maximallast. Im Normalbetrieb wird jedoch überwiegend lastfrei geschaltet und der Strom lediglich geführt. Da der Schaltlichtbogen in Luft getrennt wird, muss die Kontaktöffnung gegenüber den gasgekapselten Systemen deutlich erhöht werden. Erreicht wird dies durch das Hintereinanderschalten von zwei Brückenkontakten.
Auf diese Weise sind vier Kontaktöffnungen in Serie geschaltet, die sich zu einem Kontaktabstand von mehr als 10 mm addieren. Der Lichtbogen wird auch hier durch ein Magnetfeld in die Hartgaslöschkammer geblasen, dabei effektiv verlängert und in kürzester Zeit gelöscht. Selbst bei einer Abschaltleistung von 10 A/700 V(DC) pro Kontakt bleibt die Lichtbogenbrenndauer unter 5 ms. Dies ist in Bild 5 gezeigt. Dadurch können mehr als 50 Schaltspiele erreicht werden, was für viele Anwendungen ausreichend ist. Reduziert man die Spannung auf 600 V(DC), so geht die Lichtbogenbrenndauer auf unter 3 ms zurück.
Damit sind dann mehr als 1.000 Abschaltungen möglich. Schaltet man beide Brückenkontakte in Serie, kann entsprechend die doppelte Spannung getrennt werden. Das neue HEV-1000V-Relais ist mit Lötanschlüssen ausgestattet und erlaubt ein kompaktes Layout auf der Leiterplatte. Mit dem HEV-1000V ist es gelungen, das im Moment leistungsfähigste DC-Trennrelais für den Strombereich bis 20 A auf den Markt zu bringen. Die Luft und Kriechstrecken sind dabei für einen Betrieb bis 1.000 V(DC) ausgelegt.
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- Bestehende Lösungen - zum Beispiel die EV-Serie
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