Wie integrierte Wärmeschutztechnologie Ausfällen von Halbleiterrelais in industriellen Systemen vorbeugen kann

Von Rogelio Castaneda und Oscar Rivera, Sensata Technologies

Sensata Technologies: Was haben große industrielle/gewerbliche HLK- und Kühlsysteme, Schwerlasttransportanwendungen, Förderbänder, Montagelinien sowie medizinische, Energieerzeugungs- und andere komplexe Fertigungssysteme gemeinsam? Motoren. Große und teure Elektromotoren, die durch Überhitzung beschädigt oder sogar zerstört werden können.

Die meisten großen motorgetriebenen Anlagen erfordern eine Vorrichtung, die mit der Stromversorgung des Motors verbunden ist und bei einer drohenden Überhitzung den Motor abschaltet, um ihn vor Beschädigung zu schützen. Oft ist diese Vorrichtung ein elektrisches Relais, das die Stromversorgung ein- und ausschaltet. Es gibt zwei Haupttypen von diesen Relais: elektromechanische (EMR) und Halbleiterrelais (SSR).

Elektromechanische Relais im Vergleich zu Halbleiterrelais

Mehr als 50 Jahre lang waren elektromechanische Relais die Lösung der Wahl für die Regelung von Verbraucherstromkreisen. In den vergangenen zehn Jahren konnten Halbleiterrelais jedoch einen beträchtlichen Marktanteil erobern. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen elektromechanischen und Halbleiterelais, insbesondere im Hinblick auf die Lebensdauer.

Elektromechanische Relais haben einen mechanischen Aufbau und bewegliche Teile, sodass sie hoch anfällig gegen magnetisches Rauschen, Schwingungen, Stöße und weitere externe Einflüsse sind, die sich auf den Verschleiß und die Lebensdauer auswirken können. Halbleiterelais hingegen bieten eine langlebige, vollelektronische Auslegung ohne bewegliche Teile, die verschleißen oder die Genauigkeit beeinträchtigen können. Sie bieten somit einen vorhersagbaren Betrieb und eine längere Nutzungsdauer.

Die durchschnittliche Lebensdauer von elektromechanischen Relais liegt im Bereich von 100.000 bis 500.000 Schaltzyklen im Vergleich zu zwei Millionen Schaltzyklen bei Halbleiterrelais. Mit dieser Lebensspanne halten Halbleiterrelais oft länger als die Anlage, in der sie installiert sind.

Zusätzlich zur längeren Nutzungsdauer, die für höhere Zuverlässigkeit und Kosteneinsparungen sorgt, schalten Halbleiterrelais schneller als elektromechanische Relais, sodass sie sich für ein breiteres Spektrum von Anwendungen mit hohen Lasten eignen. Sie arbeiten lautlos (ohne das unerwünschte Schaltgeräusch von elektromechanischen Relais), erfordern einen geringen Eingangsstrom und produzieren weniger elektrische Interferenzen.

Halbleiterelais sind sowohl stoß- als auch schwingungsfest, eignen sich für erschwerte Betriebsbedingungen und arbeiten dauerhaft präzise und zuverlässig, während elektromechanische Relais häufig ersetzt werden müssen, sodass sie für den Einsatz unter rauen Bedingungen ungeeignet sind.

Halbleiterelais sind elektromechanischen Relais auch in anderen Bereichen überlegen. Sie sind mit Regelungssystemen kompatibel, gegen magnetisches Rauschen immun und vollständig gekapselt. Das Halbleiterdesign macht sie lageunabhängig und bietet Konstrukteuren mehr Flexibilität, indem sie Halbleiterelais in einer Anwendung beliebig platzieren können – sowohl seitlich als auch mit der Oberseite nach unten. Halbleiterrelais können ohne Leistungseinbußen in Umgebungen mit starken Schwingungen montiert werden, während die Mechanik elektromechanischer Relais eine bestimmte Ausrichtung erfordert sowie anfällig gegen Stöße und Schwingungen ist – was die Optionen für die Auslegung beschränkt.

Halbleiterrelais sind in der Anschaffung tendenziell teurer als elektromechanische Relais, was in Anbetracht ihrer Designvorteile wenig überraschend ist. Während der Preisunterschied erheblich sein kann, spielt er jedoch keine Rolle mehr, wenn man die zwei Millionen Schaltzyklen von Halbleiterrelais berücksichtigt.

DIE HERAUSFORDERUNG: WÄRMEMANAGEMENT

Da Halbleiterelais sowohl in offenem als auch in geschlossenem Zustand Strom verbrauchen, erfordert ihr Betrieb ebenso wie die Motoren, die sie steuern, ein adäquates Wärmemanagement. Sollte es zu einer Überhitzung kommen, können die Diagnose und der Austausch eines beschädigten Halbleiterrelais Zeit kosten, in der die Montagelinie oder das Fertigungssystem stillsteht, was zu weiteren Kosten führt.

Um zu verstehen, wie ein Halbleiterrelais funktioniert, nehmen wir als Beispiel den Einsatz des Produkts in kommerziellen Kühlanwendungen für die Gebäudetechnik. In einer Kühlanwendung besteht die Funktion des Halbleiterrelais darin, den Kompressor ein- und auszuschalten, um die Anlagentemperatur in einem festgelegten Bereich zu halten. Die Eingangssteuerung kann von 90 bis 280 V AC variieren, die Abschalttemperatur beträgt 95 °C. Im Schaltkreis ist ein Puffer platziert, der mit einer Reihe von Komponenten sicherstellt, dass die gewünschte Abschaltung erfolgt.

Wenn sich das Halbleiterrelais einschaltet, um Strom zu erzeugen, produziert es auch Wärme. Wenn die Wärme dazu führt, dass der spezifische Halbleitergrenzwert des Produkts überschritten wird, können eine Reihe von Problemen auftreten. Das Halbleiterrelais kann kurzschließen und zu Bränden und Verletzungen führen, es kann beschädigt werden, sodass sich die Lebensdauer des Halbleiters sowie der gesamten Anlage verkürzt, oder es kann die Anlage vollständig abschalten.

HALBLEITERRELAIS DER NÄCHSTEN GENERATION

Um das Überhitzungsproblem zu lösen, werden neue Halbleiterrelais-Technologien entwickelt, bei denen ein Thermostat im Halbleiterrelais selbst integriert ist und sicherstellt, dass das Relais stets sicher und geschützt arbeitet. Dieses richtungsweisende Design beinhaltet alle Vorteile der standardmäßigen Halbleiterrelais-Technologie, beugt jedoch darüber hinaus einer Überhitzung des Halbleiterrelais vor. Als Ergebnis sind die Komponenten und das System vor Schäden geschützt und werden ungeplante Stillstandszeiten vermieden.

Die neue Generation von Halbleiterrelais unterbricht die Eingangsstromversorgung, wenn die Temperatur die gemäß den Anforderungen der Anwendung festgelegte Höchstgrenze überschreitet. Die Stromversorgung wird automatisch wieder eingeschaltet, wenn die Temperatur auf einen Wert innerhalb des normalen Betriebsbereichs abfällt.

Dieser automatische Wärmeschutz wird über einen in das Halbleiterrelais integrierten Thermostat realisiert. Der Thermostat misst die interne Temperatur einer mechanischen Schnittstelle mit einer Metallplatte, an der der integrierte Leistungsschalter montiert ist. Wenn die Wärme den Normalbereich überschreitet, sendet der Leistungsschalter ein Signal zur Abschaltung des Ausgangsstroms an das Halbleiterrelais. Dieser integrierte Wärmeschutz beugt Überhitzung zuverlässig vor, indem die Stromversorgung abgeschaltet wird, bevor es zu Schäden kommen kann. Er spart somit Zeit und Geld und beugt potenziellen Verletzungen vor.

Zusätzlich zur Vorbeugung von Überhitzung kann der integrierte Wärmeschutz auslegungsbedingte Probleme im System selbst beheben. Er kann helfen, mangelhafte Kühlkapazität im Halbleiterrelais oder System, mangelhaften Kontakt mit Kühlkörpern durch Installationsfehler und eine unzureichende Wärmeableitung des Systems sowie weitere Probleme zu erkennen. Dies gibt den für den Systembetrieb zuständigen Technikern ein leistungsstarkes Werkzeug an die Hand.

BREITER ANWENDUNGSBEREICH

Diese primär für gewerbliche Kühlanwendungen entwickelten neuen Halbleiterrelais-Ausführungen lassen sich problemlos für andere industrielle und Fertigungsanwendungen anpassen, um ähnliche Vorteile zu erzielen. Nehmen Sie als Beispiel eine Förderbandanwendung, in der ein Motor festgehen und somit zu einer Überlastung und potenziellen Schäden an der Anlage führen könnte. In diesem Fall würde das Halbleiterrelais mit integriertem Wärmeschutz der Überhitzung vorbeugen, indem das Förderband abgeschaltet wird, sobald ein vordefinierter Wärmegrenzwert im Thermostat des Halbleiterrelais überschritten wird.

Bei Spritzgussanwendungen, in denen beschränkter Raum zum Anstieg der Temperatur im Schaltschrank führen kann, beugt das Halbleiterrelais bei unzureichender Kühlung Überhitzung vor und vermeidet somit teure Reparaturen. In Heizungsanlagen kann das Halbleiterrelais das Heizelement abschalten, wenn ein Problem mit dem Temperaturregler vorliegt, das zu Temperaturinstabilität führt, und so die gesamte Anlage schützen.

Was ist für die Zukunft zu erwarten? Die Weiterentwicklung der Halbleiterrelais wird zu noch mehr integrierten Funktionalitäten führen, sodass der Begriff „Smart SSR“ eine neue Bedeutung erhält. Zukünftige Technologien werden einen Mikroprozessor mit spezifischer Firmware für die gewünschte interne Abschalttemperatur integrieren, der eine Entscheidung über vorprogrammierte Softwareeinstellungen veranlasst. Mit entscheidungsfähigen Halbleiterrelais wird der Schutz von Motoren und Systemen vor Überhitzung und Ausfällen umfassender automatisiert als je zuvor.