Nutzung von Hybrid-Solid-State-Relais in Niederspannungsschaltanlagen

Hohe Schaltleistungen bei langer Lebensdauer

Die Niederspannungsschaltanlagen Sivacon S8 von Siemens setzen sich aus verschiedenen Einschüben zusammen. Diese werden im Rahmen eines speziellen Prüfverfahrens elektronisch auf einen sicheren Betrieb getestet. Zuverlässige und langlebige Hybrid-Solid-State-Relais von Phoenix Contact steuern dazu die auf den Einschüben installierten Geräte an.

(Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Koppelrelais gelten als universelle und robuste Helfer, die millionenfach in der Industrie zum Einsatz kommen. Doch im Zuge der Digitalisierung wird diesen wichtigen Schnittstellen zwischen Steuerung und Anlage oftmals kein hoher Stellenwert beigemessen. Zudem erscheinen sie als wenig innovativ. Dabei darf allerdings nicht vergessen werden, dass die Relais unverzichtbare Aufgaben erfüllen – wie das Anpassen, galvanische Trennen und Vervielfachen von Signalen. Die Hybrid-Solid-State-Relais der Produktfamilie PLC Interface von Phoenix Contact können aber weitaus mehr. Die Baureihe, die aus elektromechanischen und Solid-State-Relais besteht, kombiniert die Vorteile der beiden Technologien. Die Verantwortlichen des Siemens-Standorts in Leipzig haben sich deshalb für dieses neuartige hybride Relaismodul entschieden.

Sichere Verteilung von Energie

Als weltweit tätiges Unternehmen fokussiert sich Siemens auf die Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung. Mit rund 377.000 Mitarbeitern in 200 Ländern hat sich der Konzern als einer der größten Anbieter energieeffizienter und ressourcenschonender Technologien etabliert. Er nimmt eine führende Rolle bei Systemen für die Energieerzeugung und -übertragung sowie die medizinische Diagnose ein. Bei Lösungen für die Infrastruktur und Industrie erweist sich Siemens ebenfalls als Vorreiter. Das Kompetenzzentrum für Niederspannungsschaltanlagen des Unternehmens befindet sich in Leipzig. Neben der Funktion als Leitfertigung sind an diesem Standort auch das Angebots-, Produkt- und Projektmanagement, die Entwicklung, Qualitätssicherung sowie weitere Unterstützungsfunktionen für das internationale Geschäft mit Niederspannungsschaltanlagen beheimatet. In Leipzig werden unter anderem Energieverteiler und Motor Control Center der Produktfamilie Sivacon S8 produziert, die sich in unterschiedlichen Branchen verwenden lassen, beispielsweise in Rechenzentren, der Öl- und Gasindustrie sowie in Chemieanlagen. Bei Sivacon S8 handelt es sich um eine zuverlässige Niederspannungsschaltanlage für Anwendungen in der Industrie und Infrastruktur, welche sich durch ein hohes Maß an Sicherheit für Personen und Anlagen auszeichnet. Mit der Baureihe bietet Siemens eine Lösung, um Energie sicher zu verteilen sowie Daten und Prozesse intelligent zu managen. Jede Anlage setzt sich aus bedarfsgerechten, standardisierten sowie in Serie hergestellten Bausteinen zusammen. Steht wenig Platz zur Verfügung, lässt sich mit der Universaleinbautechnik ein flexibles und wirtschaftliches Konzept umsetzen. Sivacon S8 erlaubt die Kombination verschiedener Einbautechniken – wie Einschubtechnik, Festeinbau mit Fachtüren oder Stecktechnik – in einem Feld. Als Variante mit Einschubtechnik stellt die Produktfamilie die geeignete Lösung für das Motor Control Center industrieller Anlagen dar, in denen eine hohe Abzweigverfügbarkeit sowie schnelle Anpassung der Energieversorgung gefordert wird.

Kompakt und platzsparend: aufgrund einer Baubreite von nur 14mm lassen sich zahlreiche Hybrid-Solid-State-Relais installieren. (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Elektronischer Test mit speziellem Prüfverfahren

Bereits beim Aufbau der Einschübe nutzt Siemens zur Installation und Verdrahtung der einzelnen Komponenten Produkte von Phoenix Contact. Nach ihrer Fertigstellung werden die vom Anwender individuell konfigurierbaren Bausteine mit einem speziellen Prüfverfahren elektronisch getestet und dazu eine reale Applikation im Feld simuliert. An dieser Stelle kommt das Hybrid-Solid-State-Relais von Phoenix Contact zum Einsatz. Im Bereich der Qualitätsanforderungen und Prüfungen setzt Siemens ebenfalls einen hohen Standard, damit seine Kunden ein zuverlässiges Produkt erhalten. Jede Schaltanlage wird in einem besonderen Testverfahren umfassend kontrolliert. Hier spielen die Hybrid-Solid-State-Relais eine entscheidende Rolle. Die nur 14mm schmalen 24VDC-Koppelrelais mit einem 250VAC/10A-Wechslerkontakt steuern jeweils eines der auf dem Einschub verbauten Geräte an. Dabei werden in einem Prüfautomaten bis zu 80 Relais aneinandergereiht montiert, was eine große Herausforderung hinsichtlich der Verlustleistung bedeutet. Gleichzeitig sind hohe Schaltleistungen bis 6A AC-Last gepaart mit einer langen Lebensdauer notwendig. In der Regel erfordert diese Ausgangssituation die Wahl zwischen einem Solid-State- und einem elektromechanischen Relais. In diesem Zusammenhang muss der Anwender Abstriche in Kauf nehmen, denn jede Relaisart hat ihre Vor- und Nachteile. Elektromechanische Relais können hohe Leistungen schalten, verschleißen wegen ihres mechanischen Aufbaus aber mit der Zeit und erzielen somit lediglich eine geringe Lebensdauer. Im Gegensatz zu mechanisch arbeitenden Relais verfügen Solid-State- sowie Halbleiterrelais über keine beweglichen Teile und sind daher praktisch unbegrenzt wartungs- und verschleißfrei. Darüber hinaus überzeugen sie durch eine hohe Systemzuverlässigkeit. Allerdings erweisen sie sich als empfindlich gegen Überlast und können im Vergleich zu elektromechanischen Relais bei gleicher Größe nur geringe Lasten schalten.

Clevere Verschaltung verschiedener Relaisarten

Aufgrund von Recherchen sowie der guten Erfahrungen mit den anderen von Phoenix Contact bezogenen Komponenten fiel die Wahl der Leipziger Verantwortlichen auf das Hybridmodul, das alle gestellten Anforderungen erfüllt. Durch die Kombination der positiven Eigenschaften beider Relaisarten bietet es Siemens eine einzigartige, leistungsstarke Lösung. Gemäß Duden beschreibt das Wort ‚Symbiose‘ im biologischen Sinn das Zusammenleben von Lebewesen verschiedener Art zum gegenseitigen Nutzen. So bilden Clownfische eine Gemeinschaft mit Seeanemonen. Der Clownfisch hält sich inmitten der giftigen Tentakel der Seeanemone auf und ist auf diese Weise vor Fressfeinden geschützt. Im Gegenzug reinigt der Clownfisch die Seeanemone und lockt Futter für die Blumentiere an. Auf ähnliche Art profitieren Halbleiter und elektromechanische Relais voneinander, wenn sie – wie im Hybridmodul – geschickt miteinander verschaltet werden. Das Besondere an der Schaltung ist die zeitversetzte Ansteuerung der beiden unterschiedlichen Schalttechnologien. So wird sichergestellt, dass der Halbleiter den jeweiligen Schaltvorgang des Laststroms übernimmt. Wenige Millisekunden später erfolgt die Ansteuerung des Relais, das dann mit seinen niederohmigen Schaltkontakten den Strom führt. Deshalb bleibt die Verlustleistung sehr gering. Andererseits erhöht sich die Lebensdauer des Moduls beträchtlich, denn hier ist nicht die elektrische, sondern die mechanische Lebensdauer anzunehmen, die üblicherweise 20 bis 30 Millionen Schaltspiele beträgt.

Frontansicht einer Niederspannungsschaltanlage Sivacon S8 (Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH)

Deutliche Reduzierung des Verdrahtungsaufwands

Außerdem umfassen die Hybridmodule die typischen Merkmale der Produktfamilie PLC Interface. Beispielsweise sind sie sowohl mit einem Schraubanschluss als auch der Push-in-Schnellanschlusstechnik erhältlich. Die Push-in-Technologie erlaubt das werkzeuglose Stecken massiver und flexibler Leiter mit Aderendhülse – und das schon ab einem Anschlussquerschnitt von 0,34mm2. Ferner trägt das steckbare, teilmaßunabhängige Brückensystem erheblich zur Reduzierung von Verdrahtungsaufwand und Kosten bei. Die 500 Millimeter lange Brücke FBST500, die es zur besseren Unterscheidung in verschiedenen Farben gibt, wird per Seitenschneider auf die erforderliche Länge gekürzt und eingerastet. Dadurch können bis zu 80 Geräte quergerastet werden. Im Vergleich zu konventionellen Drahtbrücken sinkt der Verdrahtungsaufwand deutlich und ermöglicht somit eine einfache und effiziente Potentialverteilung. Die aufgeführten Aspekte haben die Verantwortlichen bei Siemens in Leipzig von der Verwendung der Produktfamilie PLC Interface in den Prüfautomaten für die Niederspannungsschaltanlagen Sivacon S8 überzeugt. Das gilt ebenso für viele weitere Anwender in unterschiedlichen industriellen Bereichen.