Ratgeber
Speicherprogrammierbare Steuerungen – kurz SPS – regeln und steuern üblicherweise komplexe elektrische Anlagen. Dazu gehören zumeist auch 3-polige Drehstrommotoren im Kilowatt-Leistungsbereich. Einen solchen Motor direkt an die SPS anzuschließen, wäre fatal: Ein Fehler in der Motorschutzschaltung oder in Vorsicherungen würde sich höchst negativ auf die Steuerung auswirken. Die Energieversorgung der Motoren erfolgt deshalb über ein Relais mit hoher Schaltleistung, dem Leistungsschütz. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen Typen und Bauformen dieser Sicherheitskomponenten vor und erklären deren Aufbau und Funktion.
Ein Schütz ist ein elektromechanisches Steuergerät. Es dient dazu, die Verbindung zwischen der Last und der Stromversorgung herzustellen oder zu unterbrechen. Die Verwendung eines Schützes ähnelt der eines Relais: Es gibt einen Steuerstromkreis und einen Schaltstromkreis, beide Kreis sind galvanisch getrennt, also elektrisch nicht miteinander verbunden. Allerdings wird das Gerät, das für Anwendungen mit höherer Stromstärke infrage kommt, nicht als Relais, sondern als Schütz bezeichnet. Bei einer Stromaufnahme ab etwa 7 Ampere beziehungsweise einer Leistung ab 3 Kilowatt wird in der Regel der Begriff Leistungsschütz verwendet.
Ein Leistungsschütz verfügt je nach Anwendung und Last über mehrere Kontakte. Im Allgemeinen sind diese Kontakte normalerweise offen, wofür das Kürzel NO üblich ist. Daher wird die Last abgeschaltet, wenn die Spule des Leistungsschützes stromlos ist. Das Leistungsschütz kann jedoch sowohl für Schließer- als auch für Öffneranwendungen ausgelegt sein. Die häufigste Anwendung eines Schützes ist die als Schließer zum Ein- und Ausschalten von induktiven Lasten wie Elektromotoren oder Transformatoren, er ergänzt Vorsicherungen und Motorschutzschalter. Leistungsschütze lassen sich aber auch für das Schalten ohmscher Lasten wie Wärmegeräte, Elektroheizstäbe oder Widerstände verwenden. Diese Steuergeräte werden als AC1 bezeichnet, für induktive Lasten dagegen als AC3.
Ein Leistungsschütz besteht im Wesentlichen aus dem Gehäuse, einer Spule, einem beweglichen Eisenkern, einem Anker und den Anschlusskontakten.
Das Gehäuse, in der Regel aus Kunststoff, schützt die innenliegende Elektromechanik und ermöglicht die Befestigung beispielsweise auf einer DIN-Schiene oder an der Wand. Es besitzt auf der Vorderseite die Anschlusskontakte sowohl für den Steuerstromkreis als auch für den Schaltstromkreis.
Wichtigstes Element des Leistungsschütz ist die Spule. Sie besteht aus Kupferdraht, gewickelt auf einen beweglichen Eisenkern. Diese Kombination verhält sich bei Stromdurchfluss wie ein Elektromagnet. Im Allgemeinen enthält die Spule zwei Teile, neben dem beweglichen auch einen festen Teil. Zwischen den beiden Teilen ist eine Feder angebracht. Es handelt sich dabei um eine Federrückholvorrichtung: Ist die elektromagnetische Kraft der Spule größer als die Kraft der Feder, drückt der mit dem Eisenkern verbundene Anker auf die Kontakte des Schaltstromkreises.
Die Kontakte werden miteinander verbunden, der Strom zu Last fließt. Im umgekehrten Fall zieht die Feder die Kontakte wieder auseinander, das Schütz ist erneut in der NO-Ausgangsstellung. Solange Strom durch die Spule fließt, verbleiben die Kontakte im Einschaltzustand, das Schütz verhält sich dementsprechend monostabil.
1. Rückstellfeder | 2. Arbeitskontakt-Anschluss | 3. Spulen-Anschluss | 4. Eisenkern | 5. Spule | 6. Anker | 7. Arbeitskontakt | 8. Schaltstück
Wie bereits erwähnt, verhalten sich Leistungsschütze im Allgemeinen als Schließer, die Stromzufuhr zur Last wird erst dann eingeschaltet, wenn durch die Spule des Leistungsschützes der Steuerstrom fließt und die Kontakte des Schaltstromkreises verbunden sind. In manchen Fällen allerdings kann es vorkommen, dass statt des Schließers ein Öffner besser geeignet wäre. Hier wir die Last solange mit Energie versorgt, bis die Spule ihrerseits Strom führt. Leistungsschütze dieser Art sind mit NC vom Englischen Normally Closed gekennzeichnet. Für industrielle Anwendungen sind allerdings überwiegend Schließer in Gebrauch.
Schaltkontakte = rot / Steuerkontakte = gelb
Die Schaltkontakte eines Leistungsschützes sind mit einstelligen Ziffern beschriftet. Für den Anschluss eines 3-phasigen Wechselstroms mit 1 für L1, 3 für L2 und 5 für L3. Die Lastklemmen tragen die Ziffern 2 für T1, 4 für T2 und 6 für T3.
Die Steuerkontakte tragen dagegen eine zweistellige Beschriftung. Die erste Stelle steht für die fortlaufende Ordnungsziffer, beispielsweise die 1 an dem Kontakt 13 – 14. An der zweiten Stelle steht die Funktionsziffer, an welcher zu erkennen ist, ob es sich bei dem Kontakt um einen Öffner oder Schließer handelt.
So ist die 1 – 2 der Steuerkontakt für einen Öffner, beispielsweise an K1: 21 – 22. Die 3 – 4 kennzeichnen den Steuerkontakt für einen Schließer, beispielsweise an K1: 13 – 14.
Auch elektromotorische Anwendungen ohne die Kontrolle über eine SPS können von Leistungsschützen profitieren: über ein sogenanntes Hilfsschütz. Optisch und vom Aufbau her nahezu identisch mit einem Leistungsschütz, ist das Hilfsschütz hinsichtlich seiner Leistungsparameter eine Art Mittelding zwischen Leistungsschütz und Relais. Es wird als Ein- und Ausschalter für die Last verwendet, indem es die Steuerspannung für das Leistungsschütz bereitstellt. Die Bedienung erfolgt in der Regel intuitiv über Taster oder Schalter. Im Gegensatz zu den Anschlüssen bei Leistungsschützen – den Hauptkontakten – wird bei Anschlüssen von Hilfsschützen von Hilfskontakten gesprochen.
Lässt sich die mechanische Lebensdauer eines Leistungsschützes beziffern?
Leistungsschütze von namhaften Herstellern sind ausgesprochen widerstandsfähig gegenüber mechanischen Aktionen. Die Lebensdauer beträgt meist Schaltspiele im unteren zweistelligen Millionenbereich.
Gibt es einen Unterschied beim Bemessungsbetriebsstrom Ie zwischen einer induktiven und einer ohmschen Last?
Die Unterschiede sind teilweise erheblich. Bei einer induktiven Last an einem AC3-Leistungsschütz für 400 Volt liegt der Bemessungsbetriebsstrom beispielsweise bei 9 Ampere. Ein AC1-Leistungsschütz für ohmsche Lasten mit der gleichen Spannung lässt sich dagegen mit 22 Ampere belasten. Es kommt aber in jedem Fall auf die Leistungsklasse des Schützes an. So liegen die Werte zum Beispiel für ein 450-Kilowatt-Leistungsschütz bei 1000 Ampere beziehungsweise bei 1225 Ampere.