Traditionelle Wechselstromschütze gelten als zuverlässige elektrische Geräte, doch treten im Betrieb häufig Probleme wie Spulendurchbrennen, Kontaktklemmen und Kerngeräusche auf. Dieser Artikel analysiert den unzuverlässigen Betrieb von inländischen Produkten, die den IEC-Normen entsprechen, und schlägt eine Methode zur Entwicklung eines hochzuverlässigen Wechselstromschützes durch Erweiterung des Betriebsspannungsbereichs der Spule vor. Die wichtigsten Konstruktionspunkte werden ebenfalls kurz erläutert. Schlüsselwörter: Breiter Spannungsbereich, hohe Zuverlässigkeit, Schütz. Traditionelle Schütze weisen im Betrieb häufig drei Hauptprobleme auf: Spulendurchbrennen, Kontaktklemmen und Kerngeräusche. Die Ursachen liegen sowohl im Produkt selbst als auch in der Nutzung und der Stromversorgung. Ziel dieses Artikels ist die Verbesserung der Konstruktion und Fertigung traditioneller Schütze, um einen zuverlässigen Betrieb auch bei großen Netzspannungsschwankungen zu gewährleisten. Für die Entwicklung und Fertigung hochwertiger Schütze ist es unerlässlich, die Ursachen dieser drei Hauptfehler und deren Lösungen zu verstehen. 1. Kerngeräusche: Die Ursache liegt darin, dass beim Nulldurchgang des Stroms die Anziehungskraft des Wechselstrom-Elektromagneten unter die Reaktionskraft sinkt, was zu einem unsicheren Eingriff des Kerns führt. Wenn die Oberflächen der Kernpole uneben sind, entsteht Geräusch – das sogenannte Kerngeräusch. Eisenkerne, die im Werk Geräusche verursachen, verlassen das Werk nicht. Obwohl die Norm vorschreibt, dass der Geräuschpegel in einem Meter Entfernung 40 Dezibel nicht überschreiten darf, wird die Werksnorm häufig durch manuelles Abtasten beurteilt. Überschreitet das Geräusch ein leichtes Taubheitsgefühl, gilt der Kern als unzulässig. Die manuelle Prüfung der Qualität des Eisenkerns gilt derzeit als recht streng. Natürlich ist dies kein wissenschaftlicher Standard, aber die Lärmbelastung in der Produktionshalle ist hoch, und die Verwendung eines Dezibelmessgeräts zur Prüfung und Identifizierung ist zudem unpraktisch. Bei Abweichungen beim Abtasten dienen zuvor gespeicherte Muster als Kriterien. Um das Geräusch im Werk zu reduzieren, werden die Eisenkerne fest vernietet und glatt geschliffen, um die Anforderungen zu erfüllen. Im Betrieb verursachen folgende Situationen Geräusche und führen zum Betriebsstopp: 1) Verschmutzungen auf der Poloberfläche (z. B. Rost oder Ölflecken auf dem Eisenkern); 2) Der Magnetring ist gebrochen; 3) Fremdkörper (z. B. kleine Feststoffpartikel) gelangen auf die Poloberfläche. All dies führt zu starken Geräuschen im Eisenkern. 2. Es gibt viele Gründe für das Durchbrennen einer Spule: 2.1 Unzureichende Auslegungstoleranz: 2.1.1 Falsche Wahl des Lackdrahts: Um Kosten zu sparen, wird Lackdraht mit einer Temperaturbeständigkeit unter 130 °C verwendet. Teilweise kommt sogar ölbasierter Lackdraht zum Einsatz. 2.1.2 Spulentemperaturanstieg: Die Auslegung erfordert in der Regel eine Temperatur unter 60 K. Üblicherweise wird hochfester Polyesterlackdraht mit einer Temperaturbeständigkeit von 155 °C verwendet. Manche Konstrukteure reduzieren aus Kostengründen die Windungszahl der Spule und erhöhen so den Spulentemperaturanstieg auf 70–80 K, teilweise sogar auf 90 K. Dadurch wird der Lackdraht über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt, was die Isolationsfestigkeit der Spule verringert. 2.1.3 Unzureichende Abstimmung von Anziehungs- und Reaktionskräften: Bei niedriger Spannung ist das Einrücken erschwert, die Einschaltzeit verlängert sich, und die Spule muss den hohen Anlaufstrom länger tragen. Dies erhöht den Heizwiderstand der Spule, verstärkt die Anziehungskraft und erschwert das Einrücken zusätzlich, bis es schließlich nicht mehr möglich ist. Bei Betrieb der Spule mit einer Luftspulen-Drossel kann der hohe Spulenstrom schnell zum Durchbrennen führen. 2.1.4 Der Betriebsspannungsbereich des Produkts ist nicht ausreichend. Bei einer Spannung unter 85 % kann es zu Überhitzung und fehlendem Einrücken kommen. Bei einer Spannung über 110 % überhitzt die Spule und brennt durch. 2.2 Unzureichender oder unkontrollierter Produktionsprozess: 2.2.1 Unzureichende Wareneingangskontrolle: Ungleichmäßige Lackierung des Lackdrahts mit vielen Nadellöchern im blanken Draht. 2.2.2 Fehler im Spulenwickelprozess, mangelnde oder unsachgemäße Spannungsregelung. Die Kontrolle der Wicklungsspannung beim Spulenwickeln stellt sicher, dass die Spule weder zu locker noch zu fest gewickelt wird, wodurch eine Dehnung des Lackdrahts und eine Verringerung der Isolationsfestigkeit verhindert wird. 2.3 Zugehörige Probleme während der Anwendung: 2.3.1 Kontrolle der Spulenstromversorgung: Bei Stromversorgung über einen Transformator entspricht die Ausgangsspannung des Transformators nicht der Nennspannung Us; die Spannung ist zu hoch und überschreitet die Standardvorgaben. 2.3.2 Einfluss der Wahl der Steuerspannung: Us ist in den Spannungen 380 V, 220 V, 110 V und bis zu 12 V verfügbar. Allgemeine Auswahlkriterien sind: a) Us sollte nicht zu hoch sein. Wenn 110 V verwendet werden können, sollte 380 V nicht gewählt werden, da höhere Spannungen mehr Windungen erfordern, was beim Abschalten zu einer hohen Überspannung führt und die Spulenisolierung beschädigt. Für Spulen mit höheren Spannungen wird dünnerer Lackdraht verwendet. Geringfügige Abweichungen bei der Spannungsregelung beim Wickeln von dünnerem Lackdraht können die Isolationsfestigkeit zwischen den Lagen und Windungen der Spule verringern. b) Us sollte auch nicht zu niedrig sein. Wenn 48 V verwendet werden können, sollte 12 V nicht gewählt werden, da der Kontakt bei Spannungen unter 20 V unzuverlässig sein kann. Niedrigere Spannungen erfordern größere Drahtdurchmesser, um ein Dehnen und Ausdünnen des Lackdrahts zu verhindern. Allerdings sind übermäßig große Drahtdurchmesser schwierig zu wickeln, insbesondere bei Schützen mit hoher Kapazität (250 A) oder höher. Es empfiehlt sich, einen Us-Wert von mindestens 110 V zu wählen. 3. Ursachen für Kontaktverschweißungen: 3.1 Ungeeignete Materialwahl: Einige Entwickler glauben, dass Reinsilberkontakte in einem 25-A-Stromkreis eine geringere Verschleißfestigkeit aufweisen als AgNi10 mit niedrigerem Silbergehalt. Die Praxis zeigt jedoch, dass AgNi20 auch in einem 32-A-Stromkreis eine gute Verschleißfestigkeit besitzt. Um Silber zu sparen, wählen Techniker mancher Unternehmen AgCdo15-Kontakte mit niedrigerem Silbergehalt, was die Produktleistung beeinträchtigt. 3.2 Unzureichender oder unkontrollierter Produktionsprozess: 3.2.1 Unzureichende Kontrolle der Kontaktqualität bei der Wareneingangsprüfung: Abweichungen bei den Kontaktmaterialien, -prozessen oder der Zusammensetzung beeinträchtigen die Schweißbarkeit. 3.2.2 Um eine hohe Kontaktschweißqualität zu gewährleisten, müssen Schweißprozessparameter wie Stromstärke, Zeit und Druck streng kontrolliert werden; andernfalls kommt es zu mangelhaften Schweißverbindungen. 3.2.3 Schweißen beweglicher Kontakte: Da zwei Kontakte vorhanden sind, beeinflusst die Wärme der ersten Schweißung die Schweißqualität der nachfolgenden Schweißung. Daher sind Prozessmaßnahmen zur Sicherstellung der Schweißfestigkeit der nachfolgenden Schweißung besonders wichtig. 3.3 Zugehörige Probleme im Betrieb: 3.3.1 Fehler im Steuerkreis (z. B. im Spulenkreis ein geringfügiger Überhub des normalerweise geschlossenen Kontakts oder zeitweises Öffnen des Kontakts während Vibrationen). 3.3.2 Die Auslegung der Vorwärts- und Rückwärtssteuerschaltung berücksichtigt nicht die Lichtbogenzeit beim Schalten (insbesondere bei Schwerlastbetrieb mit kontinuierlichem Rückwärtsbremsen und energieintensivem Bremsen; ein übermäßiger Temperaturanstieg beim Lichtbogenlöschen verlängert die Lichtbogenlöschzeit). Auch einseitiges Streben des Anwenders nach maximaler Geschwindigkeit kann dazu führen, dass die Schaltverzögerungseinheit vernachlässigt wird, was einen Lichtbogenkurzschluss, starke Kontaktkorrosion und sogar Verschweißen zur Folge hat und die Trennung verhindert. 3.3.3 Übermäßiger Temperaturanstieg an den Verdrahtungspunkten aufgrund von Verdrahtungsfehlern: Übermäßige Wärme wird auf das Kontaktsystem übertragen, wodurch der bewegliche Kontakt weich wird oder die Kontaktdruckänderungen beeinflusst werden, was zu Kontaktverschweißungen führt. Gleichzeitig können hohe Temperaturen die Phasenisolation beeinträchtigen und Phasenkurzschlüsse verursachen. 3.3.4 Fehler oder Kurzschlüsse im Lastkreis: Dies führt dazu, dass der Schütz Kurzschlussströme trennt, was zu Verschweißen oder Durchbrennen führt. 3.3.5 Beim Anlauf unter hoher Last sinkt die Netzspannung Us unter 85 % und erreicht sogar 70 %. Dies führt dazu, dass der Anlaufschütz nicht zuverlässig einrückt und ein Rattern auftritt. Die Hauptkontakte schalten unter dem Anlaufstrom ständig ein und aus und schmelzen durch einen Lichtbogen, bis sie fest miteinander verschweißt sind. 3.3.6 Kontinuierliches und häufiges Tippbetrieben: Tippbetrieb ist eine gängige Methode für Anwendungen, die sehr kleine Bewegungen in beweglichen Maschinen erfordern, wie z. B. das Einstellen von Werkzeugen in einer Stanzmaschine, das Heben in Kränen oder das vorsichtige Absetzen schwerer Gegenstände. Da der Tippmotor nur einen sehr kleinen Winkel drehen kann, bevor er sofort abschaltet, setzt kontinuierliches und häufiges Tippbetrieb die Kontakte einem Hochstromlichtbogen aus, der zum Verschweißen der Kontakte und damit zu einem sofortigen Fehler führt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass selbst ein herkömmlicher, guter Schütz, der die Anforderungen von Normen wie GB, IEC und VDE erfüllt, Ausfälle aufweisen kann. Daher bleibt die Verbesserung von Konstruktion und Produktleistung zur Erzielung höherer Zuverlässigkeit eine Herausforderung. 4. Entwicklung hochzuverlässiger Schütze Um 1995 setzte ein großer inländischer Klimaanlagenhersteller fast 500.000 Schütze ein, die von führenden ausländischen Unternehmen lizenziert worden waren. Bei über 200 Einheiten (0,04 %) kam es zu Spulendurchbrennen oder Kontaktverschweißungen. Das Unternehmen führte Überprüfungstests durch, die die Einhaltung der Normen bestätigten. Dies unterstrich die Notwendigkeit der Entwicklung hochzuverlässiger Produkte. Der Autor geht davon aus, dass das Problem auf Unterschiede in der Netzspannung der Betriebsumgebung zurückzuführen ist und schlägt folgende Konstruktionspunkte vor: 4.1 Auslegung der Spule für Gleichstrombetrieb: Geräuschreduzierung und geringerer Stromverbrauch. 4.2 Entwicklung eines Schützes mit Weitbereichsbetriebseigenschaften: Erweiterung des herkömmlichen Schützes um eine Weitbereichskomponente, wodurch der Wechselstromschütze gute Weitbereichsbetriebseigenschaften erhält. Das zugehörige Schaltbild ist in Abbildung 1 dargestellt. 4.3 Schaltbild: 4.3.1 Wie im Schaltbild dargestellt, arbeitet die Spule trotz Wechselstrombetrieb in einem Gleichstromkreis, und der Elektromagnet erzeugt keine Geräusche. 4.3.2 Durch den Gleichstrombetrieb werden die Gefahren von Windungsschlüssen in der Spulenwicklung vollständig eliminiert. 4.3.3 Durch den Gleichstrombetrieb kann die zum Halten der Spule benötigte Spannung (beispielsweise für einen 9-A-Schütz) auf 8–10 V reduziert werden. Die tatsächliche Leistungsaufnahme der Spule beträgt nur ca. 0,3 Watt, und der Temperaturanstieg ist sehr gering, sodass die Spule nicht durch Überhitzung durchbrennt. Durch die reduzierte Kondensatorspannung ist die Betriebsspannung der Spulenwicklung sehr niedrig, wodurch Isolationsschäden durch hohe Betriebsspannung vermieden werden. 4.3.4 Wie aus der Abbildung ersichtlich, öffnet sich nach dem Einrasten des Produkts der automatische Steuerschalter K, wodurch die Spule vom Anlauf mit voller Gleichspannung auf den Haltebetrieb mit niedriger Gleichspannung umschaltet. Diese Betriebscharakteristik ermöglicht eine Erweiterung des Steuerspannungsbereichs der Spule. Bei einer Betriebsspannung von 140 % beträgt die Leistungsaufnahme der Spule ca. 2 Watt. Der Temperaturanstieg der Spule beträgt ca. 40 K und ist damit 20–30 % geringer als bei einem herkömmlichen Schütz. 4.4 Weitbereichsbetrieb: Der Weitbereichsbetrieb zeigt sich darin, dass die Spulenbetriebsspannung von 85–110 % des herkömmlichen Schützes auf 70–130 % erweitert werden kann. Die Obergrenze von 130 % dient hauptsächlich dazu, ein Durchbrennen der Spule bei zu hoher Netzspannung zu verhindern. Die Untergrenze von 70 % gewährleistet den ordnungsgemäßen Betrieb des Produkts auch bei einem plötzlichen Abfall der Steuerspulenspannung auf 70 % und verhindert so das bei herkömmlichen Schützen auftretende ruckartige Anziehen. Dadurch wird ein Ein- und Ausschalten des Hauptstromkreises mit dem Sechsfachen des Anlaufstroms verhindert und ein Verschweißen der Kontakte vermieden. Der Schlüssel zur Auslegung des Weitbereichsbetriebs liegt in: 4.4.1 Anlaufspannung: Durch die Anpassung des Drahtdurchmessers und der Windungszahl wird die Anlaufstromstärke erhöht. Um ein unruhiges Anziehen der Spule unter hohen Temperaturen zu gewährleisten, muss ein Wert von 65–68 % erreicht werden. 4.4.2 Auslösespannung: Bei dieser Konstruktion muss die Auslösespannung niedrig und nahe am Standardwert (größer als 0,1 µs) gewählt werden, um ein optimales Auslöseverhalten (vollständiges Auslösen) zu erzielen. Die Auslösespannung wird hauptsächlich durch den Öffnungsweg des automatischen Steuerschalters und die Kapazität des Abwärtskondensators bestimmt. Ein größerer Öffnungsweg des automatischen Steuerschalters und eine kleinere Kapazität des Abwärtskondensators ermöglichen eine höhere Auslösespannung, während ein kleinerer Öffnungsweg und eine größere Kapazität des Abwärtskondensators eine niedrigere Auslösespannung bewirken. 4.4.3 Zeitpunkt der automatischen Schalterabschaltung: Der automatische Schalter sollte so ausgelegt sein, dass er vor oder nach dem Schließen der Hauptkontakte abschaltet. Bei Systemen mit großem Öffnungsweg der Hauptkontakte und großer Trägheit der beweglichen Kontakthalterung und des Ankerbewegungssystems sollte er vor dem Schließen der Hauptkontakte abschalten. Bei Systemen mit geringer Trägheit kann die Trennung nur nach dem Schließen der Hauptkontakte oder gleichzeitig erfolgen. Im selben System ist es vorteilhafter, wenn der automatische Schalter vor dem Schließen der Hauptkontakte trennt, anstatt danach. Die verbleibende Stoßenergie des Magnetsystems ist geringer, was zu weniger Kontaktvibrationen führt und somit die mechanische und elektrische Lebensdauer des Produkts verlängert. 5. Leistungsvergleich: Am Beispiel der bekannten in- und ausländischen herkömmlichen Wechselstromschütze 3TF40, 3TF51, LC1-09 und LC1-150F werden die für den Weitspannungsbetrieb ausgelegten Schütze BC98-9 und BC98-140 verglichen (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Aus dem obigen Vergleich geht hervor, dass der BC98-AC-Schütz, der über energiesparende Komponenten für den Weitspannungsbetrieb verfügt, die bekannten in- und ausländischen herkömmlichen Wechselstromschütze in allen Vergleichskriterien deutlich übertrifft. Die neue Generation des BC98-AC-Schützes überwindet die Nachteile herkömmlicher Wechselstromschütze, wie etwa das Durchbrennen der Spule, das einfache Verschweißen der Kontakte und das Kerngeräusch, und eröffnet damit einen neuen Weg zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Wechselstromschützen.