Programm Anwenderforum Relaistechnik 2023

Dem Relais als Grundbauteil in der Elektrotechnik fällt eine wichtige Rolle zu: Das Schalten und Trennen von Schaltkreisen sowie die Isolation zwischen unterschiedlichen Stromkreisen. Hierfür ist es für die Anwendungsentwicklung notwendig, die wichtigsten Grundeigenschaften von Relais zu verstehen, um die richtigen Relais richtig in seine Anwendung zu integrieren. Diese werden unter Bezug der Interaktion von Relais mit der Anwendung vorgestellt und es wird auf typische Sachverhalte hingewiesen. Es wird Bezug genommen auf Themen wie: Wärme, Isolation, Umwelteinflüsse, Lebensdauer, elektrische Sicherheit, Brandschutz und Zuverlässigkeit - mit dem Ziel dem Anwender von Relais eine Basis zu schaffen, um die Eigenschaften von Relais im Kontext der eigenen Anwendung beurteilen zu können. 

Dem Relais als Grundbauteil in der Elektrotechnik fällt eine wichtige Rolle zu: Das Schalten und Trennen von Schaltkreisen sowie die Isolation zwischen unterschiedlichen Stromkreisen. Hierfür ist es für die Anwendungsentwicklung notwendig, die wichtigsten Grundeigenschaften von Relais zu verstehen, um die richtigen Relais richtig in seine Anwendung zu integrieren. Diese werden unter Bezug der Interaktion von Relais mit der Anwendung vorgestellt und es wird auf typische Sachverhalte hingewiesen. Es wird Bezug genommen auf Themen wie: Wärme, Isolation, Umwelteinflüsse, Lebensdauer, elektrische Sicherheit, Brandschutz und Zuverlässigkeit - mit dem Ziel dem Anwender von Relais eine Basis zu schaffen, um die Eigenschaften von Relais im Kontext der eigenen Anwendung beurteilen zu können. 

Ob Großkonzern oder KMU: Die zunehmende Komplexität fordert die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mehr denn je. Mehr Kunden und mehr Technik: Das führt zu steigender Arbeitsbelastung, und gerade in der Entwicklung fehlt dann der Systemüberblick. Für eine saubere Produktentwicklung bleibt kaum noch Zeit. Der schnelle Versuch, intuitiv eine brauchbare Lösung zu finden, verbessert die Lieferfähigkeit nicht. Ganz im Gegenteil. Komplette Projekte stehen auf der Kippe. Ist das wirklich nötig?

Die Eröffnungskeynote am 17. Oktober auf dem Kongress Power of Electronics wirft aus der Sicht von Paul, dem Entwickler, und Carla, der Managerin, einen Blick auf einen scheinbar ewigen Interessenkonflikt: Paul ist Elektronikentwickler und will nur seinen Job erledigen. Doch stattdessen klagt er über immer neue Aufgaben und verliert Zeit durch wechselnde Aufgaben. Seine Chefin Carla spürt den Druck von Kunden und Mitbewerbern und muss immer mehr Projekte gleichzeitig starten. 

Konflikte und Stress nehmen auf beiden Seiten zu. Die beiden werden getrieben, statt die Kontrolle zu behalten. Dabei möchten sie eigentlich das Gleiche: Ihre Arbeit erledigen und Qualität liefern.

Mit Verständnis für das Gesamtsystem lässt sich der Konflikt lösen und damit die Lieferfähigkeit verbessern. Die Grundlagen dafür sind geeignete Führung, Fokussierung auf den Kundennutzen (Value), Transparenz und geeignete Werkzeuge zur Visualisierung und Steuerung des Wertflusses (Flow). 

Die Keynote macht das Unsichtbare diskutierbar und gibt Lösungsimpulse. Denn Erfahrungen aus der Praxis zeigen: Paul und Carla können mit weniger Stress und kühlem Kopf mehr erreichen!

In diesem Vortrag betrachten wir verschiedene Aspekte von Halbleiterrelais, den inneren Aufbau und für welche Art von Anwendungen sie am besten geeignet sind. Zudem wird der Unterschied aufgezeigt von klassischen Solid State Relais (SSR) und Leistungshalbleitern auf MOSFET oder IGBT Basis. Danach werden die physikalischen Eigenschaften von Halbleiterrelais genauer betrachtet und die Unterschiede in der Anwendung zu elektromechanischen Standardrelais (EMR) herausgearbeitet. In einem Ausblick werden Hybridschaltungen mit Solid State Relais und mechanischen Relais für zukünftige DC Anwendungen diskutiert.

Durch die Entwicklung der Elektrofahrzeuge hat es auf dem Markt einen Bedarf nach möglichst kleinen und leichten Hochspannungsrelais gegeben. Gerade hier sind Reedrelais gefordert. Reedrelais können mit einer Spulenspannung von 5 V bis zu 1 kV DC schalten bei einer Leistungsaufnahme von 180mW. Die Durchbruchspannung liegt bei so einem Relais bei 3 kV DC über den Schaltkontakt. Um ein solches Relais herzustellen, benötigt es jedoch auch einen besonderen Umgang mit den Reedkontakten oder auch genannt Reedschaltern. 

Ein Reedschalter besteht in der Regel aus zwei Kontaktdrähten (Paddel), die als Basis-Material eine FeNi-Legierung haben und einem Glaskörper mit Schutzgasfüllung (Stickstoff/Wasserstoff) oder Vakuum (HV-Schalter), dessen Kontaktflächen mit Rhodium, Ruthenium oder Iridium beschichtet sind.

Damit der Glaskörper keine Risse bekommt und das Schutzgas oder das Vakuum nicht entweicht, muss man bestimmte Regeln einhalten, wenn man den Reedkontakt bearbeiten möchte. Hier gibt es zu beachten, dass ein gewisser Mindestabstand zum Glaskörper einzuhalten ist, wenn man die Pins schneiden oder biegen möchte. Ebenso kann der Reedkontakt auch als Positionssensor verwendet werden, was wieder einer speziellen Anordnung von Reed und Magnet bedarf. Hier erhält man durch verschiedene Anordnungen unterschiedliche Schaltergebnisse.

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Relais werden in den verschiedensten Applikationen eingesetzt. Daher gelten unterschiedliche Produktnormen mit unterschiedlichen Anforderungen an das verbaute Relais. 

Der Vortrag soll einen Überblick geben, auf welche prüftechnischen Anforderungen anhand der Applikation bzw. der Applikationsumgebung zu achten ist und zeigt auf, welche grundlegenden Aspekte bei einer Produktzertifizierung in Augenschein genommen werden. Daraus ergeben sich Auswahlkriterien für das Relais selbst und Designanforderungen an die umgebende Applikation.

Im Vortrag wird die innovative sensorlose magnetische Prüftechnologie MagHyst am Beispiel eines fiktiven Schützes erläutert. Es handelt sich dabei um eine vielseitige Technologie, die in den letzten anderthalb Jahrzehnten an verschiedenen Magnetaktoren, Magnetventilen und Magnetbremsen erforscht und erprobt wurde und mittlerweile als Stand der Technik gilt. Aktuell wird die gesammelte Erfahrung auf Relais und insbesondere auf Schütze übertragen. 

Schütze weisen ein komplexes mechanisches Teilsystem auf, in dem verschiedene Toleranz-, Montage- und Betriebsfehler auftreten können. Die rein mechanische Prüfung und Justage von Schützen weisen einige entscheidende Nachteile und Defizite auf, die bei der zunehmenden Komplexität und Vielfalt von Schützen die Suche nach alternativen Prüfmethoden begünstigen.

Dank magnetischer Technologie sind für eine Positionsbestimmung des Ankers keine weiteren Sensoren erforderlich, außer der ohnehin in jedem Schütz vorhandenen Spule. Diese Technologie eröffnet zahlreiche Prüfmöglichkeiten. Eine dieser Möglichkeiten ist die sensorlose Positionsbestimmung für die Nachhubjustage, die anhand eines realen Beispiels offengelegt wird. Die Untersuchung zeigt, dass klassische mechanische Prüfung und Justage eines Schützes durch eine leicht automatisierbare und ausreichend genaue magnetische Prüfung erweitert oder sogar ersetzt werden kann. Je nach Größe des Schützes dauert der Prüfzyklus wenige Sekunden und kann auch für Justage-Operationen angewendet werden, bei denen möglicherweise mehrere Prüfzyklen erforderlich sind, um den Sollwert zu erreichen.

Die Temperaturanforderungen in Schaltschränken werden immer höher und damit auch die Anforderungen an die Koppelrelais. Temperaturen bis 60°C und höher sind immer häufiger gefordert. 

Daher wird es immer wichtiger Koppelrelais in aufwändigen Testverfahren zu prüfen, um entsprechende Angaben in den Datenblättern geben zu können und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Die wichtigsten Aspekte des Vortrags sind die Identifizierung der Wärmequellen an einem Koppelrelais, die Einflussfaktoren im Schaltschrank und der Prüfaufbau für thermische Prüfungen an Koppelrelais.  

Dieser Vortrag soll den Teilnehmern helfen die Angaben in den Datenblättern von Koppelrelais richtig zu verstehen um damit einen zuverlässigen Betrieb in ihren Anwendungen sicherzustellen.

Wenn gekapselte Relais rauen Umgebungsbedingungen oder äußeren Einflüssen ausgesetzt sind, müssen die Relais entsprechend dicht sein. Denn das Eindringen von Flüssigkeiten kann zu schweren Funktionsstörungen führen. Zur Beschreibung der Dichtheit von Produkten kann die IP-Schutzart oder bei Relais auch die RT-Schutzart herangezogen werden. Hierbei handelt es sich um Typprüfungen im Labor. 

Zur Absicherung der Dichtheit des Produktes im Fertigungsprozess wird die 100 % Stückprüfung eingesetzt, bei der jedes Produkt geprüft wird. Ausgehend von der Definition der IP- und RT-Schutzarten werden Ansätze für die Ableitung von Prüfparametern und Prüfverfahren für die praktische Umsetzung der 100 % Inline-Dichtheitsprüfung von Relais vorgestellt.

Auch heute haben elektromechanische Relais eine große Bedeutung, wenn in Applikationen z.B.  galvanische Trennung gefordert wird, hohe Potentialunterschiede in Ansteuerungen überwunden werden müssen oder komplexe Schaltmatrizen einfach realisiert werden. Anwender kommen dann meist mit konkreten Vorstellungen und Forderungen auf den Relaishersteller zu oder nutzen die Datenblätter für die Relaisauswahl. Es kommt jedoch vor, dass die Informationen der Datenblätter nur zu einem kleineren Teil betrachtet werden bzw. die Interpretation der Informationen zu einer unzureichenden Relaisauswahl führt. Datenblätter können auch bei weiterführenden Fragen für die Kommunikation mit dem Hersteller oder deren Distributionspartnern genutzt werden, um z.B. nützliche Applikationshinweise zu erhalten. 

Wissensinhalte

 Grundsätzliche Forderung an die Art des Relais entsprechend der Applikation

 Kontaktkonfigurationen des Relais

 Ansteuerparameter an der Relaisspule

 Lastparameter am Relaiskontakt

 Kontaktzuverlässigkeit und Kontaktlebensdauer

 Umgebungsparameter in der Applikation

 Forderungen zur Isolationsfestigkeit

 Layoutanforderungen für das Relais

 Verarbeitung der Relais in der Fertigung von PCB

In Maschinen/Anlagen werden erforderliche Maßnahmen zur Risikominderung oft durch Sicherheitsfunktionen realisiert. Seit dem Inkrafttreten der DIN EN ISO 13849-1 bzw. der DIN EN IEC 62061 spielt hierbei das Thema „Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Ausfalls“ eine wichtige Rolle, um die Zuverlässigkeit der realisierten Sicherheitsfunktionen zu bewerten. Dabei muss beachtet werden, dass die durchgeführten Bewertungen nur Gültigkeit haben, solange sich die verwendeten Funktionseinheiten innerhalb ihrer Gebrauchsdauer befinden.

Relais können für sich alleine eine Funktionseinheit sein, sind vor allem aber Bestandteil von Funktionseinheiten – und somit auch von dem Thema Gebrauchsdauer betroffen. Bei Relais ergibt sich die Gebrauchsdauer vor allem aus der Anzahl der Betätigungen (Schaltzyklen) und der gegebenen Schaltlast.

Ist das Ende der Gebrauchsdauer erreicht, muss die Funktionseinheit ausgetauscht werden. Gerade bei älteren Maschinen/Anlagen stellt dieser „gezwungene“ Austausch den Betreiber aber vor große Schwierigkeiten, da eine neue, identische Funktionseinheit meistens nicht mehr verfügbar ist. In dem VDI-Papier „Gebrauchsdauer in der funktionalen Sicherheit“ wurde diese Problematik erläutert und Lösungsmöglichkeiten erarbeitet.

Funktionale Sicherheit zum Schutz von Mensch und Maschine ist und bleibt eine zentrale Anforderung im stetig wachsenden Automatisierungsmarkt. Eine Möglichkeit der Realisierung sind Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach der EN 61810-3. Doch wie unterscheiden sich Sicherheitsrelais von herkömmlichen elektromechanischen Relais und wie gelingt das Design schnell, einfach und unkompliziert? Einige Innovationen im Relaisbereich erlauben künftige Sicherheitsanwendungen in immer kleineren Gehäusen bei höherer Energieeffizienz zu realisieren. In diesem Vortrag wird erörtert, welchen Beitrag Relais mit zwangsgeführten Kontakten zur funktionalen Sicherheit leisten und welche Features für künftige Anwendungen wichtig sind.

,,New Energy Solutions“-Relais (Solar- und EV-Charging) zeichnen sich dadurch aus, dass sie die einschlägigen normativen Forderungen für Anwendungen bei Wechselrichtern, Wallboxen und Ladekabeln erfüllen. So sind EV-Charging-Relais mit speziell geformten Kontaktsatz darauf ausgelegt, hohe Stromspitzen bzw. extrem hohe Kurzschlussströme ohne Öffnen der Kontakte (Levitation) zu führen, um ein Kontaktverschweißen zu verhindern, wobei die Überwachung der Leitungskontakte über Spiegelkontakte erfolgt. Die typischerweise im Lademodi 2 und 3 von Elektrofahrzeugen betriebenen Relais bieten Vorteile gegenüber großvolumigen Lösungen mit Schützen bzw. Halbleitern. 

Im Vortrag wird ein Beispiel zur Auslegung der Relais vorgestellt, das die Kurzschlussfestigkeit nach IEC 62752 erfüllt. Dabei wird insbesondere auf die optimale Gestaltung der  Montageabstände in Bezug auf magnetische Beeinflussung, Isolationskoordination und Wärmeentwicklung eingegangen.

Der Vortrag untergliedert sich in zwei Teile. Teil 1 beleuchtet die anwendungstechnische Seite: Was sind die besonderen Anforderungen an Relais, die in Wallboxen zum Einsatz kommen und welche Vorteile haben elektromechanische Relais gegenüber Schützen und Halbleiterrelais?

Teil 2 fokussiert die produkttechnische Seite: Welche normativen Anforderungen, technischen Lösungen und Prüfverfahren sind für diese speziellen Anforderungen erforderlich?