Den richtigen Schütz auswählen: Kriterien für Konstrukteure

Elektromechanische Schaltgeräte haben gegenüber Halbleiterschaltern wie IGBTs einen entscheidenden Vorteil – die galvanische Trennung. Da das mechanische Öffnen eines DC-Stromkreises unter Last unweigerlich zu einem Lichtbogen führt, der im Anschluss behandelt und gelöscht werden muss, ist die Bauteilauswahl jedoch nicht trivial. Dazu kommt eine weitere Schwierigkeit: Datenblätter unterschiedlicher Hersteller sind kaum vergleichbar. Zwar gibt es nach EN 60947 Klassifizierungen für Prüfverfahren und Gebrauchskategorien, Angaben dazu sind aber in den wenigsten Datenblättern zu finden. Außerdem gibt es gerade für niederinduktive Systeme keinen einheitlichen Standard.

Der erste Schritt zur optimalen Bauteilauswahl ist die Definition der realen Applikationsanforderung. Im Idealfall sollte diese in der frühen Entwicklungsphase und im engen Dialog zwischen Entwickler und Hersteller der Schaltgeräte erfolgen. Bemessungsisolationsspannung und Bemessungsbetriebsstrom sind dabei elementare Werte. Während die Spannung meistens recht einfach zu definieren ist, kommt es bei der Festlegung des Stroms teilweise zu ersten Problemen. Der Bemessungsbetriebsstrom, oder auch thermische Dauerstrom, beschreibt die Stromstärke, welche im Mittel im Normalbetrieb fließt. Je nach Kontaktwiderstand der Hauptkontakte im Schütz, der maßstäblich von Kontaktmaterial und Kontaktkraft abhängt, sorgt der Bemessungsbetriebsstrom für eine Erwärmung des Schützes. Der Bemessungsbetriebsstrom von DC-Leistungsschützen wird von den Herstellern unter festgelegten Umgebungsbedingungen definiert. Je nach tatsächlichen Einbaubedingungen kann der tatsächlich zulässige Wert auch abweichen, ohne dass ein Schaden zu erwarten ist. Wird der DC-Schütz beispielsweise in einem belüfteten Schaltschrank installiert, sind Überschreitungen um 25 Prozent keine Seltenheit. Wichtig ist jedoch, dass diese individuell mit dem Hersteller vereinbart werden müssen.

Neue Herausforderungen für die wechselstromgeprägte Elektroindustrie

Insbesondere für Schütze - wie sie z.B. in der Elektromobilität eingesetzt werden - ergeben sich bisher unter Umständen unbekannte Fehlerbilder. Um den Anforderungen der erweiterten bidirektionalen Gleichstromanwendungen gerecht zu werden, wurde die neue Schützserie C303, als Teil der neuen Marke Eddicy von Schaltbau entwickelt und kürzlich vorgestellt. Sie ist für eine Reihe von Branchen geeignet, darunter stationäre Ladeinfrastruktur, Batterieprüfstände, Nicht-IATF-Elektrofahrzeuge, Gleichstrom-Mikronetze, Intralogistik und mehr. In Vorträgen stellen Experten die Herausforderungen des elektromechanischen DC-Schaltens und der Lichtbogenlöschung in Kombination mit Praxisbeispielen vor.

Die Merkmale der Produktserie C303:

• Vollständig bidirektional, erfüllt wichtige Betriebskriterien (KO) für Anwendungen wie Energiespeicherung, Ladestationen, Elektrofahrzeuge und Vehicle-to-Grid (V2G).
• Sehr niedriger Kontaktwiderstand von etwas über 100 µΩ, erstklassige Leistung mit geringer Kontakterwärmung und geringem Leistungsverlust durch optimierte Kontaktpillen
• Ein richtig konzipierter Spulenantrieb mit schnellem Einschalten und AgSnO2-Kontaktspitzen führt zu einer überlegenen Leistung bei Kurzzeitströmen (5 kA-Kapazität für 20 Millisekunden ohne Kontaktschweißen) und einer hohen Einschaltkapazität (Ströme bis zu 2 kA ohne Kontaktschweißen).
• Hohe Diagnoseabdeckung und Leistung für Sicherheitsberechnungen durch NC-Hilfskontakt mit Spiegelkontaktfunktion gemäß EN6047-4-1 Anhang F
• Kleinstes Schaltbau-Schütz für 350A Thermostrom, komplette Plug-and-Play-Fähigkeit.

Das Abschaltvermögen kann deutlich über, aber auch deutlich unter den Auslegungsparametern liegen. Je nach Applikation gibt es Betriebspunkte, in welchen kurzzeitige Stromspitzen auftreten. Diese sind jedoch für die thermische Betrachtung vernachlässigbar. Trotzdem sollte das DC-Leistungsschütz in der Lage sein, im Fehlerfall auch in diesen Betriebspunkten sicher abschalten zu können. Zusätzlich zu den Strom- und Spannungswerten ist die Induktivität im Stromkreis ein entscheidender Faktor, der das Abschaltvermögen beeinflussen kann. Wegen der induktiven Eigenschaften entsteht je nach Höhe der Induktivität beim Ausschalten eine Spannungsspitze, welche die Lichtbogenintensität erhöht. Beim DC-Leistungsschützes C294 von Schaltbau steigert sich das Ausschaltvermögens um 300 Prozent, wenn die Induktivität von τ=15 ms auf τ=1 ms verringert wird.

Bei der Auswahl müssen noch weitere Kriterien berücksichtigt werden. So sind beispielsweise nicht alle Schütze für bidirektionale Anwendungen vorgesehen und können Ströme nur in einer Stromrichtung abschalten. Der Einschaltstrom spielt bei vielen Anwendungen ebenfalls eine entscheidende Rolle. Wenn das DC-Leistungsschütz passend ausgewählt wird, kann unter Umständen auf einen zusätzlichen Vorladekreis verzichtet werden. Wie bei allen Anwendungen ist die Betrachtung des Kurzschlussfalls vorzunehmen. Bei passender Abstimmung von DC-Leistungsschütz und Hauptsicherung sollte eine Beschädigung des Schützes im Kurzschlussfall verhindert werden. Schließlich muss auch festgelegt werden, ob der Schaltzustand des Schützes für eventuelle Sicherheitsfunktionen überwacht werden muss. In diesem Fall ist ein Rückmeldekreis vorzusehen.

Die Lebensdaueranforderung an ein DC-Leistungsschütz wird im Wesentlichen über die Applikation definiert. Man entscheidet hierbei zwischen mechanischer (Schaltspiele ohne Last) und elektrischer (Schaltspiele unter definierter Last) Lebensdauer. In vielen aktuellen Applikationen, wie Batteriespeichern oder auch im Automobilbereich, schaltet das Schütz in der Regel lastfrei. Die Leistungselektronik regelt die Leistung ab, bevor das Schütz für die galvanische Trennung sorgt. In diesem Fall orientiert sich die Anforderung an der mechanischen Lebensdauer, die deutlich höher ist. Abschaltungen unter Last sind in diesem Szenario ausschließlich Notabschaltungen, die in der Regel nur wenige Male während der Gesamtlebensdauer des Systems auftreten.

Es gibt allerdings auch einige Anwendungen, bei denen das Schaltgerät die arbeitende Rolle („hot switching“) einnimmt. In Industrie- oder Bahnapplikationen gibt es Fälle, in denen das Schütz mehrere Hunderttausend Mal den Bemessungsbetriebsstrom abschalten muss. So bietet der Hersteller Schaltbau beispielsweise verschiedene DC-Schütze an, die für einen ähnlichen thermischen Dauerstrom ausgelegt sind. Allerdings ist das größere der beiden, aus der CT-Serie, für ein hohes Abschaltvermögen und eine hohe elektrische Lebensdauer bei hoher Induktivität (τ=15 ms) konstruiert. Das kleinere Schütz, aus der C310-Serie, hingegen wurde für den Einsatz in Anwendungen entwickelt, in denen Schaltspiele unter Last nur selten vorkommen und die Induktivität kleiner als τ= 0,1 ms ist. Dieser Unterschied spiegelt sich unter anderem bei Bauraum, Gewicht und Kosten wider. Jede dieser Schütz-Serien ist in ihrem Anwendungsgebiet, unter Berücksichtigung der technischen Daten aber auch der Kosten, der anderen deutlich überlegen. aru