Elektromagnetische Relais
Erstklassiger Netzschutz für PV-Inverter
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Wichtige Kenngrößen wie Antriebs- und Halteleistung
Ein möglicher Nachteil von elektromechanischen-Relais ist, dass die Spule stets an die Stromversorgung angeschlossen sein muss, um die Kontakte unter normalen Betriebsbedingungen geschlossen zu halten. Dies erhöht den Stromverbrauch des Systems , was im Kontext einer Solarenergieanwendung nicht gerade wünschenswert ist. Überdies kann die kombinierte Wirkung des Leistungsverlusts von bis zu acht Relaisspulen in einem dreiphasigen System beträchtlich sein.
Um diese Verluste zu minimieren, verwendeten einige Hersteller bistabile Relais. Hier ist allerdings die Eigensicherheit (fail-safe) nicht gewährleistet und zusätzliche Elektronik vonnöten um den Betrieb in einer Notsituation durch Öffnen sicherzustellen (fail-open). In der Praxis ist dieser Ansatz nicht weit verbreitet. Alternativ kann das Steuersignal für die Relaisspule optimiert werden um Strom zu sparen. Bei einem Relais mit einer Spulenspannung von 12VDC erreicht man dies beispielsweise, indem ein hoher Anfangsimpuls von etwa 18V bis 22V für kurze Zeit bis zu etwa 500 Millisekunden angelegt wird um die Relaiskontakte zu schließen wenn der Wechselrichter an das Netz angeschlossen werden soll. Dieser Initialimpuls kann dann auf ein Niveau von etwa 4,5 V gesenkt werden um eine effektive Spulen-Haltekraft aufrechtzuerhalten. Das Signal kann auch pulsweitenmoduliert sein um die in der Ansteuerschaltung abgegebene Gesamtleistung weiter zu reduzieren.
Kriterium: Warmstartleistung
Ein sorgfältiges Design der Ansteuerschaltung sorgt für einen zuverlässigen Warmstart um den Wechselrichter erneut an das Stromnetz anzuschließen wenn erforderlich. Inverter sind, vor allem wenn in heißen Klimazonen im Freien eingesetzt, hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Zusätzlich kann I2R-Erwärmung die Betriebstemperatur des Relais erhöhen. Ein Temperaturanstieg hat einen linearen Anstieg des Spulenwiderstands und ihrer Anzugsspannung zur Folge, eine Wärmeausdehnung in den Komponenten des Kontaktmechanismus sowie plus erhöhte Kupfer- und Eisenverluste. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands für Kupferdraht liegt bei etwa 0,4% pro 1°C, der Spulenwiderstand steigt im gleichem Maße. Im Pflichtenheft werden die Betriebs- und Abfallspannungswerte jedoch bei typisch 20°C spezifiziert. Da diese Werte jedoch unter Warmstartbedingungen eventuell nicht eingehalten werden können, oder die Betriebstemperatur höher als 20°C ist, sollte das ordnungsgemäße Funktionieren unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen bestätigt werden.
Die Auswahl eines für den AC-Netzschutz entsprechend ausgelegten Relais – anstatt eines Allzweckrelais mit der scheinbar passenden Spannung und Leistung – empfiehlt sich für ein zuverlässiges Warmstartverhalten mit minimalen Leistungsverlusten. Nach langjähriger Erfahrung bei der Optimierung der Magnetisierungseigenschaften von Relaisspulen ist Omron eine hocheffiziente Magnetisierungsschaltung gelungen, die im Netzschutzrelais G7L (Bild 3) zu erstklassiger Spulenhalte- und Schaltleistung führt. Das zweipolige Bauelement ist derzeit der Maßstab für PV-Wechselrichteranwendungen und erfordert ein Spulenhalteleistung von nur 320mW (160mW pro Kontakt).
Lebensdauer und Nennstrom
Entwickler sollten auf die Haltbarkeit eines Relais achten. Über die typischen Lebensdauer eines netzgekoppelten transformatorlosen PV-Wechselrichters hinweg, die in der Regel bei einem absoluten Minimum von sieben Jahren typischerweise bis zu 15 Jahren beträgt, müssen die Relais aufgrund außergewöhnlicher Umstände etwa 500 mal von Netz getrennt werden. Das G7L zeigte bei der Lebensdauerbelastungsprüfung eine signifikante Überlegenheit von erreichten 30.000 Schaltspielen. Das ist eine deutlich höhere Anzahl als in einer PV-Anwendung erwartet.
Auch der Nettowert des täglich durch das Relais geleiteten Stroms ist wichtig. In einem kleinen Eigenheimsystem aus gewöhnlich sieben oder acht PV-Modulen, mit einer gesamten DC-Spannung von 350V oder 400V und DC-Strömen von 3A bis 4A, kann der Wechselrichter einem AC-Strom von sagen wir 3,5A ausgesetzt sein und das Relais muss diesen Vollast-Stromfluss nur während der Mittagsstunden unterbrechen. Ist der Wechselrichter mit einer Soft-Start / Soft-Stop Funktion ausgestattet, die die Last elektronisch unterbricht und dann das Relais zur Öffnung oder Schließung der Kontakte steuert, verlängert dies die elektrische Lebensdauer sehr deutlich, da das Relais, bis auf einige Milliampere (mA), fast lastlos schalten muss.
In einem Midi- oder Maxi-Generator hingegen, wo mehrere zusammen geschaltete Solarmodule (Strings genannt) in einen einzelnen Wechselrichter einspeisen, kann die DC-Spannung doppelt so hoch sein und der AC-Strom typisch bei 10A bis 12A oder aber viel höher liegen, so dass ein leistungsstärkeres Relais erforderlich ist. Verschieden kombinierte Strings in paralleler und serieller Schaltung verursachen hohe DC-Ströme die zu invertieren sind. Relais, die in der AC-Netzschutz-Schnittstelle eingesetzt sind, müssen für die typischen und Spitzenlasten- und Schaltzyklen- des Generators entsprechend ausgelegt sein.
Kriterium: Minimaler Luftabstand
Auch wenn die Anlagenbauer bei Wechselrichtern und der dazugehörigen PV-Ansteuerung unter Miniaturisierungsdruck stehen, sollte an die Miniaturisierung von Bauelementen wie dem Netzschutzrelais mit Vorsicht herangegangen werden. Die zu beachtenden Normen IEC 62109-2 und VDE0126-1-1 spezifizieren einen Mindestkontaktluftabstand im geöffneten Zustand. Die so herbeigeführte Isolierung ist nötig zur Gewährleistung der Bediensicherheit, zur Verhinderung von Störfrequenzen und dass überhöhte Kurzschlussströme ins Netz gelangen. Sie schützt den Wechselrichter auch vor potentiell schädlichen Bedingungen auf der Netzseite.
Der Luftabstand ist bei 1,5 mm spezifiziert, doch die neuesten IEC-Standards setzten ihn auf 1,8 mm herauf. Alle für den europäischen Markt, und zunehmend auch für einige Weltmärkte, neu entwickelten Wechselrichter müssen diese Mindestnorm erfüllen. Künftige Gesetzesrevisionen verlangen vielleicht noch größere Luftabstände. Während nun die Bauteilelieferanten bestrebt sind, immer winzigere Komponenten auf den Markt zu bringen, gilt es zu bedenken, dass ein größerer Luftabstand entsprechend auch andere Innenmaße wie beispielsweise den Kontaktfolgeabstandvergrößert. Somit ist für einen breiteren Luftabstand plus gleichzeitiger weiterer Miniaturisierung ein Einfallreichtum gefragt, der aus der Spezifikation nicht unbedingt ersichtlich ist.
Kriterium: Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen
Abschließend ist noch empfehlenswert, die Auswirkungen anhaltend hoher Temperaturen auf die Zuverlässigkeit und Brandsicherheit der Komponenten eines Invertersystems zu bedenken. Feuerbeständigkeitstests wie der Glow-Wire Test (GWT) für Komponenten in weißer Ware sind noch nicht für Vorrichtungen zur Erzeugung von Solarenergie definiert worden. Doch vielleicht bewirkt der zunehmende Einsatz von Micro- und Midi-Generatoren für Privatverbraucher eine Nachfrage nach strengeren Test- und Brandschutznormen. Im Augenblick erwarten die Gerätedesigner und Anlagenkonstrukteure von den Bauelementeherstellern, hitzebeständigere als Allzweckprodukte anzubieten, wie z.B. Isolationsklasse F zusätzlich zum UL94 V-0 gelisteten schwer entflammbaren Kunststoffgehäuse. In der Zukunft könnten Basiskomponenten und andere Bestandteile obligatorischen Vorschriften zu feuerhemmendem Verhalten unterliegen.
Einige Hersteller von Wechselrichtersystemen setzten Lüfter ein, um deren Bestandteile auch angesichts unterschiedlichsten Betriebsumgebungsbedingungen auf einer konstanten Temperatur zu halten. Lüfter mit variabler Drehzahl helfen, die Auswirkungen auf den Stromverbrauch des Systems zu minimieren; nichtsdestotrotz ist eine auf der Komponentenebene eingebaute Langlebigkeit generell die befriedigendere Lösung. Auch wenn qualitativ hochwertige Relais einiges an Schutz vor unbekannten Folgen von Zersetzung und Korrosion bieten können, was billigere Alternativen treffen könnte, sollten Gerätedesigner und Anlagenkonstrukteure auch an die Alterungseffekte aufgrund lang anhaltender Hochtemperaturperioden auf andere Systemkomponenten bedenken.
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