Leistungsrelais Wie Relais die Leistung von PV-Wechselrichtern verbessern

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Leiterplattenrelais eröffnen neue Wege für die Entwicklung von PV-Systemen. Sie verkürzen die Designzyklen, bieten eine größere Flexibilität bei der Produktentwicklung und mit ihnen lassen sich höhere Leistungen erzielen.

In den letzten Jahren haben PV-Wechselrichter einen beträchtlichen Aufschwung bei privaten und gewerblichen Stromverbrauchern erlebt, da sie eine bequeme Möglichkeit zur Ergänzung des Stroms aus dem Netz bieten. Sie senken nicht nur die Energierechnung, sondern sind auch eine nachhaltige Lösung. Solarmodule erfordern nur einen minimalen Wartungsaufwand. Auf dem europäischen Festland, wo in einigen Gegenden über einen großen Teil des Jahres viele Sonnenstunden zur Verfügung stehen, werden Fortschritte in der Solartechnik eine reichhaltige und kostengünstige Energiequelle erschließen.

Das macht die Photovoltaik zu einem attraktiven Angebot für alle, die ihre Immobilien nachhaltiger gestalten und gleichzeitig ihre Energiekosten senken wollen. Sie kann auch dazu beitragen, den Übergang zu einem umweltfreundlicheren Netz zu erleichtern. In jüngster Zeit hat die Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EV) das Interesse an der Photovoltaik als integrierter Stromversorgungslösung für EV-Ladegeräte geweckt, die zusätzliche Ladekapazität und höhere Effizienz bei gleichzeitiger Nutzung sauberer Energie bietet.

Um die Relaistechnik an den Punkt zu bringen, an dem die Photovoltaik effektiv, effizient und erschwinglich ist, waren Jahrzehnte der Innovation erforderlich. Die Systeme müssen nicht nur die Möglichkeit bieten, die Paneele je nach Bedarf sicher anzuschließen und zu trennen, sondern auch den Gleichstromausgang in Wechselstrom mit der richtigen Spannung umwandeln.

Relais und Schalter sind von zentraler Bedeutung für die Entwicklung solcher Systeme und Relaishersteller haben nicht lange gezögert, um Relais zu entwickeln und die Anforderungen dieses schnell wachsenden Sektors zu erfüllen.

Kompaktheit vs. Wärmeleistung

Die Grundlage fast aller Aspekte der Relaisentwicklung ist die Wärmeableitung. Hitze ist grundsätzlich schlecht für die Effizienz und die Langlebigkeit elektronischer Geräte und Komponenten, und je mehr die Temperaturen der Komponenten reduziert werden können, desto besser. Erschwerend kommt hinzu, dass es mit zunehmender Ausgangsleistung und Funktionalität des Wechselrichters immer schwieriger wird, die entstehende Wärme effektiv abzuführen. Relais sind Stromschaltgeräte und erzeugen daher viel Wärme, die sie selbst und die sie umgebenden Komponenten beschädigen können.

Inzwischen verlangen die Hersteller von Solarwechselrichtern, dass ihre Relais immer kleiner werden, während die Vorschriften für die Energieeffizienz von Komponenten und Geräten immer strenger werden. Liegen zu viele wärmeerzeugende Komponenten zu dicht beieinander oder werden nicht ausreichend gekühlt, beeinträchtigt dies die Zuverlässigkeit und Sicherheit. Daher sind innovative Ansätze erforderlich, um maximale Effizienz aus dem System herauszuholen.

Bei einem typischen Relais ist der Kontaktwiderstand der Schlüssel zur Steuerung der Wärmeableitung. Das Relais G9KA von Omron verwendet eine besonders reine Form von Silber als Kontaktmaterial. Silber hat die höchste elektrische Leitfähigkeit und den geringsten Kontaktwiderstand aller bekannten Metalle. Silber ist der Standard, an dem alle anderen Metalle in Bezug auf diese Kriterien gemessen werden. In der Praxis bedeutet dies, dass das G9KA eine fünf- bis zehnmal höhere Wärmeleistung aufweist als die meisten anderen Produkte auf dem Markt.

Das Relais ist mit einer Doppelkontaktstruktur aufgebaut, die im Vergleich zu einem Einzelkontakt den Strom pro Kontakt auf fast die Hälfte reduziert und dabei weniger Wärme erzeugt. Bei einer Einzelkontaktkonfiguration müssen die Kontakte mindestens 4 mm voneinander entfernt sein, um die erforderliche Leistung zu erreichen.

Mit einer Zwillingsstruktur kann dieser Spalt auf 2 mm reduziert werden, was aufgrund der kleineren Magnetisierungsspule und des geringeren Platzbedarfs die gleiche Leistung auf kleinerer Fläche ermöglicht. Jeder Kontakt hat einen hohen Kontaktdruck, der in Verbindung mit einem niedrigen Anfangskontaktwiderstand, mehreren Verbindungswegen und einer hohen Leitfähigkeit zu einer guten Effizienz und Leistung führt. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz von Relais in kompakteren Anwendungen, wobei dennoch ein ausreichender Kontaktabstand gewährleistet ist.

Lebensdauer in der Praxis im Feld

PV-Wechselrichter haben in der Regel eine Lebensdauer von fünf bis zehn Jahren, in einigen Fällen sogar bis zu 15 Jahren. Relais sind keine Bauelemente, die einfach ausgetauscht werden können. Daher ist es wichtig, dass jedes Relaisbauteil so robust ist, dass es den Wechselrichter selbst überdauert und während seiner Betriebsdauer keinerlei Wartung erfordert.

Die Norm IEC 62109 schreibt außerdem vor, dass die Leistung des Relais nicht mit der Zeit schwanken darf. Dies ist eine Herausforderung, da Solarwechselrichter das ganze Jahr über im Freien installiert und den Elementen ausgesetzt sein können.

Ein typischer Wechselrichter kann an einem einzigen Tag mehrere Schaltzyklen durchlaufen, vor allem zwischen Tag und Nacht, aber auch während Schattenperioden und geplanten oder ungeplanten Ausfallzeiten. Dies kann sich während der Lebensdauer eines typischen Relais zu Zehntausenden von elektrischen Vorgängen summieren. Die Hersteller müssen strenge Tests durchführen, um nicht nur die Langlebigkeit zu gewährleisten, sondern auch den Platzbedarf und das Energiebudget zu jedem Zeitpunkt des Lebenszyklus zu berechnen.

Diese Berechnungen wurden bei Omron für die ersten 30.000 elektrischen Schaltspiele durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt weist das G9KA in der Regel nur eine vernachlässigbare Abweichung des Kontaktwiderstands von etwa 0,05 Milliohm auf und übertrifft damit vergleichbare Produkte bei weitem. Mit zwei in Reihe geschalteten Redundanzrelais ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls unter normalen Betriebsbedingungen praktisch gleich Null, und die Leistung des Wechselrichters ändert sich von Anfang bis Ende seiner Lebensdauer nur minimal.

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Sicherheit und Langlebigkeit

Selbst eine kleine Änderung des Wirkungsgrads kann einen großen Unterschied in der erzeugten Wärmemenge ausmachen. Eine Temperatur der Lastklemme und der sie umgebenden Oberfläche von mehr als 115 ˚C führt zu einer vorzeitigen Alterung der Bauteile, während noch höhere Temperaturen das Risiko einer Lichtbogenbildung und sogar eines katastrophalen Ausfalls erhöhen können.

Interne Zwangsbelüftung hilft in der Regel bei der Aufrechterhaltung der Temperatur. Doch ein Relais muss auch Teil eines guten Gesamtsystemdesigns sein, um sicherzustellen, dass die Wärmeableitung über alle Komponenten effektiv gesteuert wird.

Auf der Gleichspannungsseite und am Eingang von PV-Wechselrichtern verwendet das G9KB eine Lichtbogensteuerungstechnik, die einen Permanentmagneten nutzt, um den Lichtbogen zu strecken oder zu verlängern. Wird der Lichtbogen in Richtung des Stromflusses gestreckt, kann er leichter gelöscht werden. Dies erhöht die Systemsicherheit und verringert die Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Ausfalls.

Fazit: Relaiskonstruktionen für Leiterplatten haben neue Wege für die Entwicklung der Solartechnik eröffnet. Leiterplattensysteme tragen dazu bei, die Designzyklen zu verkürzen und den Ingenieuren eine größere Flexibilität zur Verbesserung ihrer Produkte zu ermöglichen. Außerdem lassen sich kleinere Komponenten entwickeln, die bei weniger Platz höhere Leistungen bringen. Vor dem Hintergrund des Strebens nach Netto-Nullenergie tragen Relaishersteller dazu bei, den Übergang zu einem saubereren Netz zu beschleunigen. (kr)

* Steve Drumm ist Strategic Marketing Manager bei Omron Electronic Components Europe in Hoofddoorp / Niederlande.

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