Die Schaltlösungen von Omron werden die Nutzung erneuerbarer Energien vereinfachen, die Einführung sauberer Technologien wie EV fördern und den Energieverbrauch insgesamt senken.

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Schalter für Energiespeicher Relais der neuen Art für intelligente Gebäude

05.10.2022

Die Welt verändert sich schnell, und wir stehen als Gesellschaft vor großen Herausforderungen. Dazu gehören das Erreichen der Kohlenstoff-/Klimaneutralität, die Verwirklichung einer digitalen Gesellschaft und eine verlängerte gesunde Lebenserwartung. Die Elektronikindustrie kann zu diesem Wandel einen großen Beitrag leisten.

Omron ist davon überzeugt, dass die Elektronikindustrie einen großen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderungen leisten kann. Präsident und CEO Yoshihito Yamada erläuterte die Rolle, die das Unternehmen bei der Verkündung seiner SF2030-Vision des Unternehmens spielen kann. In diesem Artikel untersuchen wir die verfügbaren Lösungen für die Umstellung der Energiequellen, ein Element dieser Vision. Diese Schaltlösungen werden die Nutzung erneuerbarer Energien vereinfachen, die Einführung sauberer Technologien wie EV fördern und den Energieverbrauch insgesamt senken.

Solarmodule und Ladestationen für E-Fahrzeuge

Der Markt für Systeme zur Erzeugung erneuerbarer Energien in Haushalten wandelt sich von einem Einspeisetarifmodell (FIT), bei dem ungenutzte („überflüssige“) Energie aus Solarmodulen in das Stromnetz eingespeist wird, zu einem Eigenverbrauchssystem oder einem größeren Energiespeichersystem (ESS), das die Netzabhängigkeit verringert und die optimale Nutzung von emissionsarmem oder -freiem Strom erleichtert.

Eine Reaktion darauf ist zum Beispiel das neue Power-Relais G9KB. Es leistet bidirektionale Hochleistungs-Gleichstromschaltungen für die nächste Generation erneuerbarer Batteriespeichersysteme (BESS) für Privathaushalte und Gleichstrom-Wallboxen für Elektrofahrzeuge (EVs). In Anwendungen dieser Art kann es zwei unidirektionale Standardrelais ersetzen, um ein zuverlässiges und sicheres Umschalten zwischen dem Laden und Entladen von Strom aus Speichergeräten zu ermöglichen. Das bidirektionale Relais kann in einem Power Conditioner eingesetzt werden, um eine stabile Stromabgabe von einer Batterie zu gewährleisten, und es ist besonders vorteilhaft für erneuerbare Energiesysteme in Haushalten: zum Beispiel, wenn Strom aus Sonnenkollektoren zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs verwendet wird.

Das G9KB (DC 600 V/50 A) verfügt über Omrons ungepolte Lichtbogenlöschungstechnologie (CAE), die den Lichtbogen mithilfe der Magnetkraft eines in der Nähe des Kontaktpunkts platzierten Permanentmagneten „streckt“. Dadurch eignet sich das Relais für die nächste Generation von Vehicle-to-Home- (V2H) und Vehicle-to-Grid- (V2G) Ladesystemen. In einem V2H-System ermöglicht das Relais die Nutzung einer EV-Batterie als Stromquelle für ein Haushaltsstromsystem, wenn die Solarzellen keinen Strom erzeugen.

In einem V2G-System hingegen kann die gespeicherte Energie in das Netz eingespeist werden. Für diese Anwendungen wurde außerdem ein DC-Leistungsrelais mit geringem Platzbedarf auf den Markt gebracht, das ohne Leistungseinbußen Platz auf der Leiterplatte spart: Ein einzelnes G5PZ-X-Relais mit einer Größe von nur 15,2 mm (B) x 26,4 mm (L) deckt 200 VDC/20 A ab. Zwei dieser Relais können jedoch in Reihe geschaltet werden, um Ströme bis zu 400 VDC/20 A zu schalten.

Relais für Gebäudeautomationssysteme

In typischen Gebäudeautomationssystemen sind die Lasten sehr unterschiedlich und umfassen Heizung, Klimatisierung, Beleuchtung und andere Elemente. Neueste angewandte Technologien stellen auch neue Anforderungen an die Relais. Eine Reihe von Plattformrelais erfüllen alle unterschiedlichen Anforderungen eines Gebäudeautomationssystems. Die G5Q-Familie bietet beispielsweise verschiedene Spezifikationen mit demselben PCB-Layout, um unterschiedliche Schaltanforderungen zu erfüllen. Wie bei anderen Bauteilklassen auch sind Relaishersteller gefordert, ihre Komponenten kompakter zu gestalten. Früher waren Designs mit einer Länge von fast 30 mm durchaus akzeptabel - heute nicht mehr. Das G5Q ist daher nur 20 mm lang, 15 mm hoch und 10,3 mm tief, bietet aber eine hohe Spezifikation.

Spezifische Anwendungen haben ihre eigenen Herausforderungen. So erzeugen beispielsweise LED-Beleuchtung, Wasserpumpen und kapazitive Eingangsfilter mit Leistungsfaktorkorrektur hohe Einschaltströme, die in der Regel Mikrosekunden lang sind. Dadurch werden die Relaiskontakte extrem belastet. Wenn Relaiskontakte miteinander verschweißen, wird das Relais und damit das Gerät zerstört. Der Typ G5Q-1A4-EL2 wurde für kapazitive Einschaltströme im µs-Bereich entwickelt.

Dieses Relais ist vollständig gekapselt und kann Einschaltströme von 40 A/100 µs und Nenn-Ausschaltströme von 1 A/250 V AC bis zu 100.000 Mal schalten. Außerdem entspricht es der UL508 TV3 (Einschaltströme von 51 A). Dies wurde durch eine neue Form der Kontaktfedern erreicht, deren Federkraft auf die Spulenleistung von 400 mW optimiert ist. Dies unterdrückt schädliches Kontaktprellen und Lichtbogenbildung und trägt nachhaltig zur Erhöhung der Relais-Lebensdauer bei.

Der gleiche Aufbau ist für induktive Motorlasten (zum Beispiel Lüfter) verfügbar, die länger anhaltende Einschaltströme im Millisekundenbereich aufweisen. Das G5Q-1A4-EL3 ist entsprechend ausgelegt und kann mindestens 300.000 Schaltspiele mit 250 VAC/30 A 500 ms Einschaltstrom (induktive Last) mit einem Abschaltstrom von 3 A (cosφ0,5) durchführen. Auch dieses Relais ist vollständig gekapselt und entspricht der Norm IEC/EN 60079-15.

PWM-gesteuerte und bistabile Relais

Da Relais selbst Strom verbrauchen, ist Systementwicklern die Reduzierung dieser Leistungsaufnahme ebenfalls ein Anliegen. Hauptursache dafür ist der „Spulenhaltestrom“, der benötigt wird, um den Relaiskontakt geschlossen zu halten, wenn der Stromkreis unter Spannung steht. Die Relais G2RL, G5Q and G5NB unterstützen eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Haltestroms, wodurch das Tastverhältnis und damit der durchschnittliche Strom reduziert werden. Sie bieten eine um circa 50 Prozent niedrigere Spulenleistung als vergleichbare Standardversionen. Dies senkt den gesamten Stromverbrauch und damit die Wärmeentwicklung im Relais, verbessert den Wirkungsgrad und verringert die Wärmebelastung, insbesondere bei Anwendungen, bei denen mehrere Relais gleichzeitig eingesetzt werden. Alle drei Relais-Familien sind ebenfalls optional in den IEC/EN 60335-1 konformen Versionen erhältlich.

Bei bistabilen Relais entfällt die Notwendigkeit eines Haltestroms für die Spule gänzlich. Das bistabile 16A-Relais G5RL-K-EL beispielsweise ist nach IEC60669-1 zugelassen und weist eine hohe Einschaltstrombelastbarkeit von bis zu 255 A (Kondensator 140 μF) aus. Damit eignet es sich ideal für anspruchsvolle Schaltumgebungen mit stark schwankenden Lasten. Das Bauelement ist auch mit der internationalen Sicherheitsnorm für elektrische/elektronische Haushaltsgeräte (IEC60335-1) kompatibel.

Fazit

Elektromechanische Leiterplattenrelais sind beliebt, weil sie zuverlässig und sicher sind, eine hohe Isolierung bieten und kostengünstig sind. Relaishersteller haben sich den Herausforderungen neuer Anwendungen gestellt und neue Lösungen entwickelt. Auf diese Weise helfen sie Kunden, Systeme zu liefern, die eine nachhaltige, energieeffiziente Welt für uns alle schaffen.

Bildergalerie

  • Das Leistungsrelais G9KB bietet bidirektionale Hochleistungs-Gleichstromschaltungen für die nächste Generation erneuerbarer Batteriespeichersysteme (BESS) für Haushalte und
    DC-Wallboxen für Elektrofahrzeuge (EV).

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  • Der innovative Schaltkontakt des G5Q-Relais vervierfacht die Lebensdauer.

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  • Das kompakte Hochspannungs-Gleichstromrelais G5PZ-X dient zur Steuerung von EV-Ladegeräten und Solarpanels.

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  • Das bistabile Relais G5RL-K-EL erfüllt die Anforderungen intelligenter Gebäudeautomationssysteme.

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  • Steve Drumm, Strategic Marketing Manager, Solutions in Energy, Omron Electronic Components Europe

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