Immer kleiner, immer effizienter
Relais verbessern die Leistung von PV-Wechselrichtern
Relais für Photovoltaikanlagen sind keine trivialen Komponenten. Im Gegenteil: In den neuen Relais-Generationen steckt viel Innovation auf kleinem Raum, um zu jeder Zeit Sicherheit zu gewährleisten.
In den letzten Jahren haben PV-Wechselrichter einen beträchtlichen Aufschwung erlebt. Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigert das Interesse an der Photovoltaik als integrierter Stromversorgung für EV-Ladegeräte zusätzlich. In der Technologie, wie sie heute erhältlich ist, steckt jahrelange Entwicklungsarbeit: Die Systeme müssen nicht nur die Möglichkeit bieten, die Paneele je nach Bedarf sicher anzuschließen und zu trennen, sondern auch den Gleichstromausgang in Wechselstrom mit der richtigen Spannung umwandeln. Relais und Schalter sind dabei von zentraler Bedeutung für die Entwicklung solcher Systeme.
Kompaktheit vs. Wärmeleistung
Die Grundlage fast aller Aspekte der Relaisentwicklung ist die Wärmeableitung. Hitze ist grundsätzlich schlecht für die Effizienz und die Langlebigkeit elektronischer Geräte und Komponenten, und je mehr die Temperaturen der Komponenten reduziert werden können, desto besser. Relais sind Stromschaltgeräte und können viel Wärme erzeugen, wodurch Schäden am Relais oder den umliegenden Komponenten auftreten können.
Inzwischen verlangen die Hersteller von Solarwechselrichtern, dass ihre Relais immer kleiner werden, während die Vorschriften für die Energieeffizienz von Komponenten und Geräten immer strenger werden. Liegen zu viele wärmeerzeugende Komponenten zu dicht beieinander oder werden diese nicht ausreichend gekühlt, beeinträchtigt dies die Zuverlässigkeit und Sicherheit. Daher sind neue Ansätze erforderlich, um die Effizient weiter steigern zu können.
Geringerer Übergangswiderstand
Bei einem typischen Relais ist der Kontaktwiderstand der Schlüssel zur Steuerung der Wärmeableitung. Das G9KA-Relais von Omron verwendet eine besonders reine Form von Silber als Kontaktmaterial. Silber hat die höchste elektrische Leitfähigkeit und den geringsten Kontaktwiderstand aller bekannten Metalle. In der Praxis bedeutet dies, dass das Relais G9KA eine fünf- bis zehnmal höhere Wärmeleistung aufweist als die meisten anderen Produkte auf dem Markt.
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Der G9KA verwendet außerdem eine Doppelkontaktstruktur, die im Vergleich zu einem Einzelkontakt den Strom pro Kontakt auf fast die Hälfte reduziert und dabei weniger Wärme erzeugt. Bei einer Einzelkontaktkonfiguration müssen die Kontakte mindestens vier Millimeter voneinander entfernt sein, um die erforderliche Leistung zu erreichen.
Mit einer Zwillingsstruktur kann dieser Spalt auf zwei Millimeter reduziert werden, was aufgrund der kleineren Magnetisierungsspule und des geringeren Platzbedarfs die gleiche Leistung auf kleinerer Fläche ermöglicht. Jeder Kontakt hat einen hohen Kontaktdruck, der in Verbindung mit einem niedrigen Anfangskontaktwiderstand, mehreren Verbindungswegen und einer hohen Leitfähigkeit zu einer optimierten Effizienz und Leistung führt. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz von Relais in kompakteren Anwendungen, wobei dennoch ein ausreichender Kontaktabstand gewährleistet ist.
Einsatz im Feld
PV-Wechselrichter haben in der Regel eine Lebensdauer von fünf bis zehn Jahren, in einigen Fällen sogar bis zu 15 Jahren. Relais sind keine Bauelemente, die einfach ausgetauscht werden können. Daher ist es wichtig, dass jedes Relaisbauteil so robust ist, dass es den Wechselrichter selbst überdauert und während seiner Betriebsdauer keinerlei Wartung erfordert. Die Norm IEC 62109 schreibt außerdem vor, dass die Leistung des Relais nicht mit der Zeit schwanken darf. Dies ist eine Herausforderung, da Solarwechselrichter das ganze Jahr über im Freien installiert und den Elementen ausgesetzt sein können.
Ein typischer Wechselrichter kann an einem einzigen Tag mehrere Schaltzyklen durchlaufen, vor allem zwischen Tag und Nacht, aber auch während Schattenperioden und geplanten oder ungeplanten Ausfallzeiten. Dies kann sich während der Lebensdauer eines typischen Relais zu Zehntausenden von elektrischen Vorgängen summieren. Die Hersteller müssen strenge Tests durchführen, um nicht nur die Langlebigkeit zu gewährleisten, sondern auch den Platzbedarf und das Energiebudget zu jedem Zeitpunkt des Lebenszyklus zu berechnen.
Im Fall von Omron werden diese Berechnungen für die ersten 30.000 elektrischen Schaltspiele durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt weist der G9KA in der Regel nur eine vernachlässigbare Abweichung des Kontaktwiderstands von etwa 0,05 mΩ auf und übertrifft damit viele vergleichbare Produkte. Mit zwei in Reihe geschalteten Redundanzrelais ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls unter normalen Betriebsbedingungen praktisch gleich Null, und die Leistung des Wechselrichters ändert sich von Anfang bis Ende seiner Lebensdauer nur minimal.
Sicherheit und Langlebigkeit
Selbst eine kleine Änderung des Wirkungsgrads kann einen großen Unterschied in der erzeugten Wärmemenge ausmachen. Eine Temperatur der Lastklemme und der sie umgebenden Oberfläche von mehr als 115 ˚C führt zu einer vorzeitigen Alterung der Bauteile, während noch höhere Temperaturen das Risiko einer Lichtbogenbildung und sogar eines katastrophalen Ausfalls erhöhen können. Interne Zwangsbelüftung hilft in der Regel bei der Aufrechterhaltung der Temperatur. Doch ein Relais muss auch Teil eines guten Gesamtsystemdesigns sein, um sicherzustellen, dass die Wärmeableitung über alle Komponenten effektiv gesteuert wird.
Auf der Gleichspannungsseite und am Eingang von PV-Wechselrichtern verwendet das Relais eine Lichtbogensteuerungstechnologie, die einen Permanentmagnetismus nutzt, um den Lichtbogen zu strecken oder zu verlängern. Wird der Lichtbogen in Richtung des Stromflusses gestreckt, kann er leichter gelöscht werden. Dies erhöht die Systemsicherheit und verringert die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls.
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