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Auswahl von Halbleiterrelais oder Halbleiterschützen für die Start-/Stopp-Ansteuerung von Wechselstrommotoren Von Alessandro Bosio, Motion Control Business Development Manager, und Paul Bachman, Fellow Engineer Crydom

EINFÜHRUNG Halbleiterrelais (SSR) und Halbleiterschütze (SSC) eignen sich ideal für die Regelung von dynamischen Lasten wie Motoren, insbesondere wenn für eine Anwendung häufige oder mehrere Start-/Stopp-Zyklen erforderlich sind. Die Auswahl des richtigen Halbleiterrelais/Halbleiterschützes zum zuverlässigen Starten und Stoppen des Motors einer Anwendung erfordert ein spezifisches Verständnis der Anforderungen, die der Motor und die Anwendung an die Halbleitersteuerung stellen. Die in PS oder kW angegebenen Leistungszulassungen für die Motorsteuerung, über die zahlreiche der Halbleiterrelais und Halbleiterschütze von Crydom verfügen, beseitigen Unsicherheiten und vereinfachen den Auswahlprozess erheblich. Für die Motorsteuerung können jedoch auch Halbleiterrelais verwendet werden, die lediglich eine Zulassung für den allgemeinen Gebrauch aufweisen.

Crydom Inc. 2320 Paseo de las Americas, Suite 201, San Diego, CA 92154 Tel.: +1 (877) 502 5500 - Fax: +1 (619) 210 1590 - Email: [email protected]

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Im Folgenden wird ein möglicher Prozess zur Auswahl des richtigen Halbleiterrelais für die Motorsteuerung in Fällen besprochen, in denen PS- oder kW-Nennleistungen von Halbleiterrelais nicht bekannt sind oder nicht vorliegen.

Hinweis: Halbleiterrelais (SSR) und Halbleiterschütze (SSC) haben im Wesentlichen oder sogar exakt dieselbe Funktion. Der Unterschied besteht darin, dass ein Schütz definitionsgemäß eine Leistungszulassung für die Motorsteuerung in PS oder kW aufweisen muss, während ein vergleichbares Halbleiterrelais mit Zulassung für den allgemeinen Gebrauch nicht zwingend auch über eine Zulassung für die Motorsteuerung verfügt. Abgesehen vom Evaluierungsprozess (Prüfung) und der sich ergebenden Korrelation der zugelassenen Nennleistungen gibt es faktisch keinen Unterschied zwischen einem Halbleiterrelais mit und ohne Motornennleistung in PS.

VOLLLASTSTROM (FLA) UND STROM BEI FESTGEBREMSTEM ROTOR (LRA) In Fällen, in denen keine PS-Nennleistung für das Halbleiterrelais vorliegt, ist nach der ordnungsgemäßen Abstimmung der Betriebs- und Steuerspannung auf die Anwendung der nächstwichtigste zu berücksichtigende Parameter der anfängliche Einschaltstrom, den der Motor während des Anlaufs aufnimmt. Der Anlauf des Motors aus dem Stillstand führt zu einer hohen Anlauf- oder Einschaltstromaufnahme durch den Motor, um die kombinierte Masse des Motor-/Lastsystems zu überwinden. Größere träge Massen (Motor/Last) führen zu höheren Einschaltströmen mit längerer Dauer. Der Laststrom erreicht seinen höchsten Wert direkt nach dem Starten des Motors, wenn der Motor aus dem Stillstand anläuft, und ist nur durch den Wert des Wicklungswiderstands des Motors begrenzt. Dies ist ein vorübergehender Zustand, der je nach Art der mechanischen Last und Anwendung von mehreren Zyklen bis zu einigen Sekunden dauern kann (Anlauf). Dieser Anlaufstrom entspricht im Wesentlichen dem Strom, den der Motor aufnehmen würde, wenn sein Läufer (seine Welle) „festgebremst“ wäre und sich nicht drehen würde. Er wird daher auch als LRA = 4- bis Strom bei festgebremstem Läufer 8-facher FLA (Locked Rotor Current oder LRA) bezeichnet. Während der Motor seine Drehzahl bis zur Betriebsdrehzahl erhöht, nimmt der Strom bis auf einen Wert ab, welcher der an die Last abgegebenen Leistung (PS) Crydom Inc. 2320 Paseo de las Americas, Suite 201, San Diego, CA 92154 Tel.: +1 (877) 502 5500 - Fax: +1 (619) 210 1590 - Email: [email protected]

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Abbildung 1 0,1 bis 2 Sekunden

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entspricht. Die höchste Stromaufnahme in diesem Zustand ist der Volllaststrom (Full Load Current oder FLA) des Motors. Siehe Abbildung 1. Das Verhältnis zwischen dem Volllaststrom (FLA) und dem Strom bei festgebremstem Rotor (LRA) variiert von Motor zu Motor, fällt in der Regel jedoch in einen bekannten Bereich. Wenn also der stationäre Strom (oder FLA) eines bestimmten Motors bekannt ist, müssen wir beachten, dass der Anlaufstrom (oder LRA) bis zum 4- bis 8-fachen des FLA-Werts betragen kann. Obwohl der LRA möglicherweise nur für einen kurzen Zeitraum anliegt (von einigen hundert Millisekunden bis zu zwei Sekunden oder mehr), muss das ausgewählte Halbleiterrelais diesen Spitzenwerten basierend auf der für die Anwendung erforderlichen Start-/ Stopp-Frequenz wiederholt standhalten.

Hinweis: Halbleiterrelais und Halbleiterschütze weisen keinen verschleißanfälligen Mechanismus auf und bieten daher, wenn sie auf Grundlage der o. g. Kriterien sorgfältig ausgewählt werden, eine deutlich höhere Lebensdauer als mechanische Relais oder Schütze mit ähnlichen Nennströmen (in den meisten Fällen mehr als 25 Jahre).

AUSWAHL VON SSRS/SSCS MIT PS/KW-NENNLEISTUNG Für Halbleiterrelais und Halbleiterschütze, die über eine Zertifizierung oder behördliche Zulassung als „Motor Controller“ (Motorsteuerung) verfügen, werden Motornennleistungen in PS (Pferdestärken) angegeben. Dies vereinfacht den Auswahlprozess für die jeweilige Anwendung erheblich, da die PS-Zulassung durch UL- oder IEC-Standards mit LRA- und FLA-Zulassungen korreliert ist. Halbleiterrelais und Halbleiterschütze mit Zulassung für die Motorsteuerung werden daher oft bevorzugt, weil die erforderlichen Korrelationsberechnungen bereits durch die Zertifizierungsstellen durchgeführt wurden.

Hinweis: Crydom bietet ein breites Sortiment an Produkten mit Zulassung für die Motorsteuerung. Diese Produkte sind in der „Crydom Motion Control Brochure“ (Broschüre zu Antriebslösungen von Crydom) zusammengefasst, die einen Überblick über das Angebot von Crydom im Bereich der Antriebssteuerung einschließlich der PS/kW-Nennleistungen und wichtigsten Merkmale bietet. Über den folgenden Link gelangen Sie zu der Broschüre auf der Website von Crydom: http://www.crydom.com/en/Tech/Brochures/MC_brochure-DE.pdf

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Ein wichtiger Vorteil der Spezifikation eines Halbleiterrelais oder Halbleiterschützes mit Zulassung für die Motorsteuerung ist, dass der Zulassungsprozess für die Endanwendung deutlich vereinfacht wird und außerdem die Kosten für die Zulassung der Motorsteuerung vom Hersteller der Halbleitersteuerung getragen werden (in diesem Fall Crydom). Eine Reihe von Crydoms Mitbewerbern haben aus dem einen oder anderen Grund für ihre Halbleiterrelais keine Zulassung für die Motorsteuerung erhalten, sodass bei solchen Produkten der Endanwender die Kosten der Zulassung für den Einsatz in seinen Produkten aufbringen muss.

AUSWAHL VON SSRS/SSCS OHNE PS/KW-NENNLEISTUNG Im Folgenden wird der Prozess der Bestimmung der effektiven Nennleistungen von Halbleiterrelais ohne Zulassung für die Motorsteuerung für den Einsatz in Motorsteuerungsanwendungen beschrieben: Beispielfrage: „Kann ich ein Standard-Halbleiterrelais (das nicht in der „Crydom Motion Control Brochure“ enthalten ist und für das daher keine PS- oder kW-Motornennleistung vorliegt) verwenden, um das Starten/Stoppen eines Motors zu steuern?” Antwort: Ja, Sie müssen nur den Volllaststrom (FLA), den Einschaltstrom (LRA) und den Leistungsfaktor (in der Regel 0,1 bis 0,9) des Motors beachten, um die richtige Schaltart (Nulldurchgang oder momentan schaltend) zu bestimmen sowie den möglichen Bedarf an einem SSR-Transientenschutz bestimmen, um das geeignete Halbleiterrelais zu wählen. Zur Unterstützung beim Auswahlprozess für Halbleiterrelais bietet die folgende Tabelle 1 eine einfache und angemessen präzise allgemeine Methode zur Korrelation von HP/kWNennleistung, Nennvolllaststrom, Phasen und Lastspannung. Die Laststromwerte in Tabelle 1 sind typisch und basieren auf Industriedurchschnittswerten für Motornennleistungen im ungünstigsten Fall mit Nennmotorwirkungsgraden von 20 % für kleinere Motoren und bis zu 60 % für größere Motoren. Hinweis: Die Laststromwerte in der Tabelle sind Volllast-Betriebsströme des Motors und beinhalten keine Einschaltstoßströme (LRA). Wie jedoch weiter oben erläutert, sind der FLA und LRA durch die Standards mit den PS-Nennleistungen korreliert.

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Volllaststrom (FLA)

Motorleistung PS 1/6 1/4 1/3 1/2 3/4 1

KW 0,12 0,18 0,25 0,37 0,55 0,75

115 V 4 5,2 6,5 8 11,8 14

1 1/2 2 3 4 5 1/2 7 1/2 10 15 20

1,1 1,5 2,2 3 4 5,5 7,5 11 15

19 24 35 47 61 80 -

Einphasig 230 V 400 V 2 2,5 3,2 2 4,2 2,7 5,5 3,5 7 4,3 9,2 12,5 17 23 30 40 48 64 -

5,5 6,8 10 13 17 23 29 36 46

440 V 1,8 2,4 3,2 3,9

115 V 4 5,5 7

5 6,2 9 12 15,5 21 26 33 42

10,5 14 19 25 33 44 56 -

Dreiphasig 230 V 400 V 440 V 1,9 1,1 1 2,8 1,6 1,5 3,5 2,1 1,9 5,1 6,6 9,5 12,7 16,5 22 28 41 -

2,8 3,7 5 6,8 8,9 12 15 22 28

550 V 0,8 1 1,4

2,6 3,4 4,6 6,2 8,1 11 14 20 26

2 2,6 4 5,5 7 9 11 17 21

Tabelle 1 – Verhältnis von PS/KW zu FLA, Phasen und Lastspannung Zur zusätzlichen Unterstützung beim Auswahlprozess für Halbleiterrelais enthält Tabelle 2 eine Aufstellung der Typischen Motor-Volllastströme (FLA) von SSRs im Vergleich zu Nennströmen für den allgemeinen Gebrauch. Der Wert bei festgebremstem Läufer in Tabelle 2 ist die relevante Bemessung der Stoßstromfestigkeit von Halbleiterrelais, da dies der Parameter ist, der geprüft wird und den UL-Anforderungen entsprechen muss. (Gemäß dem allgemeinen Verfahren für die UL-Prüfung muss das SSR eine Sekunde lang einem Prüfstrom standhalten, der das 6-fache des Volllastnennstroms beträgt. Die Prüfung wird 50 Mal bei einem Lastspiel von 1 Sekunde im eingeschalteten und 9 Sekunden im abgeschalteten Zustand mit einem Leistungsfaktor von 0,45 wiederholt).

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Motorlaststrom in A

SSR Nennstrom für allgemeinen Gebrauch – A

Volllaststrom in A FLA (Betrieb)

Strom bei festgebremstem Läufer (LRA) (Anlauf)

5

1

6

10

2

18

15

3

30

20

4

36

25

6

42

30

7

54

40

9

72

50

12

90

75

17

120

90

20

138

100

25

156

125

30

180

Tabelle 2 – Nennstrom für allgemeinen Gebrauch im Vergleich zu FLA/LRA Hinweis: Tabelle 2 ist für alle UL-zugelassenen SSRs und SSCs von Crydom repräsentativ. Produkte des Wettbewerbs bieten möglicherweise keine vergleichbare Leistung, sodass die Entsprechung von Nennströmen für „Allgemeinen Gebrauch im Vergleich zum FLA/LRA-Wert“ in der Tabelle u. U. nicht anwendbar ist. Ein abschließender Punkt, der bei der Auswahl des geeigneten Halbleiterrelais für eine Anwendung berücksichtigt werden muss, ist die Einschaltart des Ausgangs des Halbleiterrelais/Halbleiterschützes. Für Motoren wird aufgrund des hoch induktiven Charakters der Last selbst im Allgemeinen eine „momentan schaltende“ Ausführung bevorzugt (mit Ausnahme bestimmter Motoranwendungen mit hohen numerischen Leistungsfaktoren > 0,85). Bei Nullspannung/Nulldurchgang schaltende Ausgänge (beide bezeichnen dieselbe Funktion), die große Vorteile bei der Steuerung von Ohmschen Lasten bieten (mit oder ohne signifikanten Einschaltstrom), können bei Lasten mit sehr geringem numerischem Leistungsfaktor (in der Regel < 0,4) von Nachteil sein. Nachstehend finden Sie zwei Beispiele für die Verwendung der Tabellen bei der Auswahl eines Halbleiterrelais ohne HP/kW-Nennleistung für eine Motorsteuerungsanwendung: Auswahl 1: Ein Kunde möchte ein Series1-Halbleiterrelais für die Schaltschrankmontage von Crydom (das nicht über eine Zulassung für die Motorsteuerung verfügt) verwenden, um einen

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einphasigen Wechselstrommotor mit einer Nennleistung von 3 PS bei 230 VAC zu starten und zu stoppen. Tabelle 1 können wir entnehmen, dass für einen einphasigen Wechselstrommotor mit einer Nennleistung von 3 PS bei 230 VAC der FLA 17 A beträgt, während wir in Tabelle 2 sehen können, dass der Ausgangsnennstrom von Halbleiterrelais für den allgemeinen Gebrauch, der einem FLA-Nennstrom von 17 A entspricht, 75 A beträgt. Der Kunde kann somit ein Crydom D2475-10 Halbleiterrelais (75 A, 230 VAC, momentan schaltend) verwenden, um den betreffenden Motor zu steuern. Auswahl 2: Ein Kunde möchte wissen, ob er ein Halbleiterrelais für die Leiterplattenmontage der PF-Serie von Crydom (bei dem es sich um ein 25-A-Halbleiterrelais für den allgemeinen Gebrauch ohne Zulassung für die Motorsteuerung handelt) verwenden kann, um einen dreiphasigen Wechselstrommotor mit einer Nennleistung von 2,2 kW bei 400 VAC zu starten und zu stoppen. Tabelle 1 können wir entnehmen, dass für einen dreiphasigen Wechselstrommotor mit einer Nennleistung von 2,2 kW bei 400 VAC der FLA 5 A beträgt, während wir in Tabelle 2 sehen können, dass der Ausgangsnennstrom von Halbleiterrelais für den allgemeinen Gebrauch, der einem FLA-Nennstrom von 5 A entspricht, 25 A beträgt. Der Kunde kann somit das PF-Halbleiterrelais von Crydom verwenden, da es für den allgemeinen Gebrauch bis 25 A zugelassen ist. Es lässt sich also zusammenfassen, dass die Auswahl von Halbleiterrelais oder Halbleiterschützen mit Zulassung für die Motorsteuerung sich sehr einfach gestaltet, wenn die PS- oder kW-Nennleistungen bekannt sind. Es kann jedoch mithilfe eines einfachen Prozesses und der in diesem Dokument beschriebenen Tabellen auch ein Halbleiterrelais von Crydom mit Zulassung für den allgemeinen Gebrauch ausgewählt werden. Weitere Informationen über die Halbleiterrelais und Halbleiterschütze von Crydom erhalten Sie über Ihren Crydom-Händler, Außendienstmitarbeiter oder unter www.crydom.com.

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