Schalter Schütze richtig auswählen

DC-Leistungsschütze sorgen unter anderem in Elektrofahrzeugen für einen sicheren Betrieb im Antriebsstrang. Wie man das richtige Schütz auswählt, wissen die Experten der Schaltbau GmbH.

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Für die Trennung des Umrichters im Antriebsstrang eines elektrisch betriebenen Flugzeugschleppers suchte der Hersteller ein bidirektionales DC-Schütz. Da die Bremsenergie zurückgewonnen und in das Batteriepaket zurückgespeist wird, war die Bidirektionalität ein wichtiges Auswahlkriterium. Fündig wurde er bei der Schaltbau GmbH. Zum Einsatz kommt das Schütz C310. Mit Luft als Isoliermedium läuft es nicht Gefahr, undicht zu werden im Gegensatz zu gekapselten/gasgefüllten Schützen. Entscheidend war auch die hohe Stromtragfähigkeit. In der gewählten Ausführung C310A/500 kann das Schütz bis zu 500 A dauerhaft führen; bei Kurzschluss dürfen für eine Sekunde sogar 3000 A fließen, ohne dass die Kontakte verschweißen.

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Die Auswahl des richtigen Bauteils gestaltet sich nicht immer leicht. Wichtig ist, die realen Applikationsanforderungen genau zu definieren und bereits in der frühen Entwicklungsphase im Dialog mit den Herstellern der Schaltgeräte zu stehen. Bemessungsisolationsspannung und Bemessungsbetriebsstrom sind dabei wichtige Werte. Während die Spannung meistens einfach zu definieren ist, kann es bei der Festlegung des Stroms zu Problemen kommen. Der Bemessungsbetriebsstrom, oder auch thermische Dauerstrom, beschreibt die Stromstärke, welche im Mittel im Normalbetrieb fließt.

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Bemessungsbetriebsstrom von DC-Leistungsschützen

Je nach Kontaktwiderstand der Hauptkontakte im Schütz, der vor allem von Kontaktmaterial und Kontaktkraft abhängt, sorgt der Bemessungsbetriebsstrom für eine Erwärmung des Schützes. Der Bemessungsbetriebsstrom von DC-Leistungsschützen wird von den Herstellern unter festgelegten Umgebungsbedingungen definiert. Je nach den Einbaubedingungen kann der Wert auch abweichen, ohne dass ein Schaden zu erwarten ist. Wird der DC-Schütz beispielsweise in einem belüfteten Schaltschrank installiert, sind Überschreitungen um 25 % keine Seltenheit. Eine individuelle Vereinbarung mit dem Hersteller ist dabei allerdings wichtig.

Das Abschaltvermögen wiederum kann teilweise deutlich über, aber auch deutlich unter den Auslegungsparametern liegen. Je nach Applikation gibt es Betriebspunkte, in welchen kurzzeitige Stromspitzen auftreten. Diese sind jedoch für die thermische Betrachtung vernachlässigbar. Trotzdem sollte das DC-Leistungsschütz in der Lage sein, im Fehlerfall auch in diesen Betriebspunkten sicher abzuschalten. Zusätzlich zu den Strom- und Spannungswerten ist die Induktivität im Stromkreis ein entscheidender Faktor, der das Abschaltvermögen deutlich beeinflussen kann. Aufgrund der induktiven Eigenschaften entsteht je nach Höhe der Induktivität beim Ausschalten eine Spannungsspitze, welche die Lichtbogenintensität erhöht. Beim DC-Leistungsschützes C294 der Schaltbau GmbH beispielsweise steigert sich das Ausschaltvermögens um 300 %, wenn die Induktivität von τ = 15 ms auf τ = 1 ms verringert wird (s. Tabelle).

Applikation entscheidet über das DC-Leistungsschütz

Bei der Auswahl des DC-Leistungsschützes müssen weitere Kriterien berücksichtigt werden: Beispielsweise sind nicht alle Schütze für bidirektionale Anwendungen - wie sie im elektrischen Flugzeugschlepper benötigt wurden - vorgesehen und können Ströme nur in einer Stromrichtung abschalten. Der Einschaltstrom spielt bei vielen Anwendungen ebenfalls eine Rolle. Wenn das DC-Leistungsschütz passend ausgewählt wird, kann unter Umständen auf einen zusätzlichen Vorladekreis verzichtet werden. Wie bei allen Anwendungen ist die Betrachtung des Kurzschlussfalls vorzunehmen. Bei passender Abstimmung von DC-Leistungsschütz und Hauptsicherung sollte eine Beschädigung des Schützes im Kurzschlussfall verhindert werden. Schließlich muss auch festgelegt werden, ob der Schaltzustand des Schützes für eventuelle Sicherheitsfunktionen überwacht werden muss. In diesem Fall ist ein Rückmeldekreis vorzusehen.

Die Lebensdaueranforderung an ein DC-Leistungsschütz wird im Wesentlichen über die Applikation definiert. Man entscheidet hierbei zwischen mechanischer (Schaltspiele ohne Last) und elektrischer (Schaltspiele unter definierter Last) Lebensdauer. In vielen aktuellen Applikationen, wie Batteriespeichern oder auch im Automobilbereich, schaltet das Schütz in der Regel lastfrei. Die Leistungselektronik regelt die Leistung ab, bevor das Schütz für die galvanische Trennung sorgt. In diesem Fall orientiert sich die Anforderung an der mechanischen Lebensdauer, die deutlich höher ist. Abschaltungen unter Last sind in diesem Szenario ausschließlich Notabschaltungen, die in der Regel nur wenige Male während der Gesamtlebensdauer des Systems auftreten.

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Schütze für Industrie- und Bahnapplikationen

Es gibt auch Anwendungen, bei denen das Schaltgerät die arbeitende Rolle („hot switching“) einnimmt. In Industrie- bzw. Bahnapplikationen gibt es Fälle, in denen das Schütz mehrere 100.000-mal den Bemessungsbetriebsstrom abschalten muss. Schaltbau bietet hierfür mit der CT- und der C310-Serie verschiedene DC-Schütze, die für einen ähnlichen thermischen Dauerstrom ausgelegt sind. Allerdings ist das größere der beiden (CT-Serie) für ein hohes Abschaltvermögen und eine hohe elektrische Lebensdauer bei hoher Induktivität (τ = 15 ms) konstruiert. Das kleinere Schütz (C310-Serie) hingegen wurde für den Einsatz in Anwendungen entwickelt, in denen Schaltspiele unter Last nur selten vorkommen und die Induktivität kleiner als τ = 0,1 ms ist. Dieser Unterschied spiegelt sich bei Bauraum, Gewicht und Kosten wider.

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* B.Eng. Martin Zierer ist Applikationsingenieur bei der Schaltbau GmbH.

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