Leitfaden zur Auswahl von Zwischenrelais für die Stromverteilung

Verständnis der Rolle von Zwischenrelais in Stromversorgungssystemen

Was ist ein Zwischenrelais und wie funktioniert es?

Zwischenrelais dienen als entscheidende Schaltkomponenten, die es kleinen Steuersignalen ermöglichen, große elektrische Lasten zu steuern. Man kann sie sich im Grunde als Signalverstärker vorstellen, die eine Eingangsquelle wie einen Sensoreingang oder einen SPS-Befehl nutzen und mehrere Schaltkreise gleichzeitig auslösen. Branchenstatistiken zeigen, dass etwa 78 % der automatisierten Systeme auf diese Relais angewiesen sind, um empfindliche Steuerpaneele mit der schweren industriellen Ausrüstung auf der Produktionsfläche zu verbinden. Das ist auch sinnvoll, wenn man bedenkt, wie gefährlich es wäre, Hochspannung direkt durch sensible Elektronik zu leiten.

Elektrische Isolierung zwischen Steuer- und Laststromkreisen

Zwischenrelais bieten erhebliche Sicherheitsvorteile, da sie eine elektrische Trennung zwischen Niederspannungs-Steuerkreisen, die üblicherweise mit etwa 12 bis 24 Volt Gleichspannung betrieben werden, und Hochspannungs-Lastkreisen schaffen, die bis zu 480 Volt Wechselspannung erreichen können. Diese Trennung ist besonders wichtig, da sie verhindert, dass Spannungsspitzen programmierbare Logiksteuerungen, kurz PLCs, beschädigen. Laut einer Branchenstudie von Ponemon aus dem Jahr 2023 reduziert dieser Schutz die Ausfälle von Geräten in betrieblich stark beanspruchten Umgebungen um etwa zwei Drittel. Die hohe Effizienz beruht darauf, dass die elektromagnetische Spule unabhängig von den eigentlichen Kontaktstellen funktioniert. Zwischen Ein- und Ausgang besteht physisch keine direkte elektrische Verbindung, was einen zusätzlichen Schutz vor unerwarteten Störungen bietet.

Flexibilität des Steuersystems durch Signalverstärkung und -verteilung

Zwischenrelais verbessern die Systemanpassungsfähigkeit durch:

• Verstärkung schwacher Sensorausgänge, um Motorstarter anzusteuern
• Vervielfachung von Kontakten, um mehrere Geräte über ein einziges Signal zu steuern
• Umwandlung von Spannungen zwischen verschiedenen Teilsystemen

Diese Fähigkeit ist entscheidend in Anwendungen wie Förderanlagen, bei denen ein einzelner Temperatursensor gleichzeitig Alarme auslösen, Motoren stoppen und Kühllüfter aktivieren muss.

Wichtige elektrische Spezifikationen: Spannung, Strom und Lastkompatibilität

Abstimmung der Spulenspannung auf die Vorgaben des Steuerkreises

Relais müssen innerhalb von ±10 % der Nennspannung des Steuerkreises arbeiten, um zuverlässig zu funktionieren. Ein 24-V-Relais, das mit 28 V betrieben wird, riskiert eine Spulenüberhitzung, während eine 12-V-Speisung eines 24-V-Relais dazu führen kann, dass die Kontakte aufgrund unzureichender magnetischer Kraft nicht schließen.

Bewertung der Schaltstrombelastbarkeit der Kontakte hinsichtlich der Lastkompatibilität

Die Kontaktnennwerte sollten den maximalen Strom der Last um 25–30 % übersteigen, um Einschaltstromspitzen bei induktiven Lasten ausreichend zu bewältigen. In industriellen Anwendungen sind Kontakte mit einer Nennstromstärke von ≥10A üblich, wobei Silber-Nickel-Legierungen in 400VAC-Anwendungen eine um 40 % längere Lebensdauer als Kupfer bieten.

Auswirkung von Einschaltstromspitzen auf die Haltbarkeit von Zwischenrelais-Kontakten

Induktive Lasten wie Motoren erzeugen beim Start Stromspitzen bis zum 12-fachen des normalen Betriebsstroms. Ein 5-PS-Motor, der beim Anlauf 35 A bezieht, kann zu klein dimensionierte Relaiskontakte innerhalb von 500 Schaltvorgängen beschädigen. Moderne relais mit erhöhter Einschaltstromfestigkeit verfügen über kontaktmaterialien mit Wolframverstärkung, die eine Belastung von 1 Million Schaltvorgängen bei 50 A Stromspitzen aushalten.

Fallstudie: Zu gering dimensioniertes Relais versagt in Motorsteuerungsanwendung

Ein Verpackungsbetrieb hatte wöchentliche Relaisausfälle, bis die Analyse ergab, dass 8 A-gewertete Bauteile Spitzenströmen von 92 A beim Motorstart ausgesetzt waren. Der Austausch durch 20 A starke, für Einschaltströme geeignete Modelle beseitigte den vorzeitigen Verschleiß und verdeutlicht die Kostenfolgen einer falschen Kontaktnennstromauswahl.

Lastarten, Umgebungsbedingungen und Anforderungen im Einsatz

Ohmsche vs. induktive Lasten: Auswirkungen auf die Auswahl von Zwischenrelais

Ohmsche Lasten wie Heizungen ziehen einen gleichmäßigen Strom, wodurch die Relaisauswahl unkompliziert ist. Induktive Lasten – einschließlich Motoren und Transformatoren – erzeugen hohe Einschaltströme, die bis zum 12-fachen des Nennwerts betragen können (NEMA 2023), weshalb Relais mit 150–200 % höherer Kontaktnennleistung erforderlich sind, um Kontaktschweißen zu vermeiden.

Bewältigung hoher Schaltkapazitätsanforderungen in der Energieverteilung

In modernen Stromversorgungssystemen können Fehlerströme 65 kA erreichen. In solchen Umgebungen eingesetzte Relais müssen die Norm IEC 60947-2 erfüllen und Lichtbögenkammern sowie magnetische Löschblöcke für Abschaltungen über 15 kA enthalten. Feldmessungen zeigen, dass Doppelkontaktsysteme die Lichtbogenbrenndauer um 40 % gegenüber Einzelkontaktsystemen in 480-V-Schalttafeln reduzieren.

Umwelteinflüsse: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Verschmutzung

Betriebsbedingungen beeinflussen die Zuverlässigkeit von Relais erheblich:

Daten von 23.000 industriellen Einheiten zeigen, dass IP67-gedichtete Relais in Stahlwerken über 90.000 Schaltvorgänge erreichen, mehr als doppelt so viel wie offene Modelle (ABB Power Solutions 2023).

Trend: Zunehmende Verwendung gedichteter Relais in rauen industriellen Umgebungen

Mittlerweile sind in der Lebensmittelverarbeitung und auf Offshore-Plattformen geschlossene Relais nach IEC 60529 IP69K erforderlich. Diese widerstehen Hochdruckreinigungen und chemischer Beanspruchung und halten über 50.000 Schaltzyklen einen stabilen Kontaktwiderstand unter 100 mΩ aufrecht. Die globale Nachfrage nach IP69K-Relais ist seit 2020 jährlich um 18 % gestiegen.

Kontaktanordnungen und Fehlersicherheitskonzepte bei Zwischenrelais

SPDT- und DPDT-Anordnungen für komplexe Steuerlogiken

SPDT-Relais funktionieren, indem sie einen einzelnen Eingang über einen sogenannten gemeinsamen Anschluss (common terminal) mit einem von zwei Ausgängen verbinden. Diese Relais sind sehr nützlich für einfache Automatisierungsaufgaben, bei denen sich etwas umschalten muss, beispielsweise wenn Motoren ihre Drehrichtung wechseln müssen. Es gibt außerdem DPDT-Relais, die anders arbeiten. Sie steuern gleichzeitig zwei vollständig separate Stromkreise und eignen sich daher hervorragend für Backup-Situationen, in denen Zuverlässigkeit oberste Priorität hat. In industriellen Anwendungen können solche Relais beispielsweise Warnleuchten aktivieren und gleichzeitig automatisch Maschinen abschalten, sobald ein unerwarteter Spannungsanstieg oder ein Abfall der Spannung auftritt. Die Fähigkeit, mehrere Funktionen gleichzeitig zu übernehmen, macht DPDT-Modelle besonders wertvoll in sicherheitskritischen Anwendungen über verschiedene Branchen hinweg.

Öffner- vs. Schließerkontakte in sicherheitskritischen Stromverteilungssystemen

Wenn kein Strom durch sie fließt, bleiben Öffner-Kontakte einfach geöffnet, bis sie einen elektrischen Impuls erhalten, wodurch sie sich schließen. Das macht sie ideal, um Vorgänge zu starten, beispielsweise wenn ein Motor anspringen soll. Im Gegensatz dazu sind Schließer-Kontakte stets geschlossen, solange sie nicht aktiviert werden. Diese Konfiguration ist besonders wichtig für Sicherheitseinrichtungen, wie etwa den Not-Aus-Button. Nehmen wir Krankenhäuser: Ihre elektrischen Systeme setzen stark auf Schließer-Kontakte, sodass im Falle eines Stromausfalls die Notstromaggregate sofort automatisch starten, ohne dass jemand einen Knopf drücken muss, und gleichzeitig der Teil des Systems abgeschaltet wird, der möglicherweise das Problem verursacht.

Strategie: Auswahl der Kontaktkonfiguration basierend auf sicherheitsgerichteten Anforderungen

Verwenden Sie NC-Kontakte in Systemen, die eine automatische Reaktion auf Fehler erfordern, wie z. B. bei Brandunterdrückung oder Notabschaltungen. Kombinieren Sie für manuelle Übersteuerungsanforderungen, wie bei Förderbandsteuerungen, NO-Kontakte mit mechanischen Verriegelungen. Eine Studie zu Steuerungssystemen aus dem Jahr 2023 ergab, dass redundante SPDT-Anordnungen im Vergleich zu Einzelkontakt-Designs die ungeplante Stillstandszeit in Netzstationen um 62 % reduzieren.

Elektromechanische vs. Halbleiter-Zwischenrelais: Leistung und Trends

Elektromechanische Relais (EMR): Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit

Elektromechanische Relais verwenden physische Kontakte, um Ströme bis zu 10 A zu schalten, und bieten dadurch robuste Leistung in Anwendungen wie der Motorsteuerung und anderen Hochlastanwendungen. Ihre einfache Konstruktion bietet Einsparungen von 85 % gegenüber halbleiterbasierten Alternativen in Szenarien mit geringer Schalthäufigkeit. Der mechanische Verschleiß begrenzt jedoch die Lebensdauer herkömmlicher EMRs auf etwa 100.000 Schaltvorgänge.

Halbleiter-Relais (SSR): Vorteile bei Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer

Festkörperlöschrelais haben keine beweglichen Teile, wodurch ein Schalten in weniger als 1 ms möglich ist – 100-mal schneller als EMRs – und sie somit ideal für Präzisionsanwendungen wie Robotik und HVAC-Steuerungen sind. Branchenstudien bestätigen, dass SSRs mehr als 50 Millionen Schaltvorgänge erreichen können, was ihre höheren Anschaffungskosten in Umgebungen mit hohen Schalthäufigkeiten rechtfertigt.

Phänomen: Die Einführung von Hybridlösungen in modernen Stromverteilungsnetzen

Heutzutage setzen 65 % der Industrieanlagen hybride Relaissysteme ein, die EMRs zur Bewältigung von Spitzenlasten mit SSRs für schnelle Logikschaltungen kombinieren. Diese Strategie nutzt die kosteneffiziente Rate von $0,02/Schaltvorgang der EMRs und die Vibrationstoleranz der SSRs in anspruchsvollen Umgebungen wie Förderanlagen.

Kontroversanalyse: Langfristige Wartungskosten von EMR im Vergleich zu SSR

Obwohl EMRs anfänglich 60 % weniger kosten, belaufen sich ihre Wartungskosten über drei Jahre im Durchschnitt auf 1.200 $ gegenüber 150 $ bei SSRs. Dennoch weisen SSRs bei instabilen Stromnetzen Zuverlässigkeitsprobleme auf – 23 % fallen vorzeitig aufgrund von Spannungsspitzen aus (IEEE 2024). Die Lebenszyklusanalyse zeigt, dass SSRs nach 18 Monaten in Anwendungen mit hohem Arbeitszyklus eine bessere Kapitalrendite erzielen.