EP3123490B1

EP3123490B1 - Relais mit zwei parallel geschalteten strompfaden

Info

Publication number: EP3123490B1
Application number: EP15791313.8A
Authority: EP
Inventors: Richard Bayer
Original assignee: Zettler Electronics GmbH
Current assignee: Zettler Electronics GmbH
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2035-11-10
Also published as: US20170250045A1; WO2016075128A1; EP3123490B9; US10032586B2; EP3123490A1; CN107210145B; CN107210145A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Relais mit zwei parallel geschalteten Strompfaden sowie das Relais zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

In der Photovoltaikbranche werden üblicherweise Wechselrichter zur Umwandlung des von den Photovoltaikanlagen auf Dächern gelieferten Gleichstromes in Wechselstrom eingesetzt. Die hierfür eingesetzten Wechselrichter verfügen üblicherweise über eine eingangsseitige Gleichspannungsseite, einen Gleichspannungszwischenkreis und eine ausgangsseitige Wechselspannungsseite zur Einspeisung der von den Photovoltaik - Modulen erzeugten elektrischen Leistung in das elektrische Versorgungsnetz. Um die Wechselrichter Eingangs- sowie Ausgangsseitig sicher freischalten zu können d.h. galvanisch vom Netz oder der Photovoltaikanlage zu trennen bzw. zum sicheren führen von Strömen im Betrieb werden mechanische Trennschalter zur Erzeugung einer galvanischen Trennstrecke genutzt. Die Trennschalter werden meist in Form von Relais realisiert, die in den Wechselrichtern direkt auf den Platinen angeordnet sind. Wechselrichter verfügen im Regelfall über eine Steuerung bzw. Regelung, die den Level der ausgangsseitigen Spannung bzw. die vom Wechselrichter in das Netz eingespeiste Leistung regelt. Die Steuerung bzw. Regelung übernimmt ebenfalls die Steuerung der Relais sowie alle sonstigen Aufgaben zum Betrieb des Wechselrichters wie eine EVU (Energieversorgungsunternehmen) seitige Reduzierung der Einspeiseleistung. Ist der Schalter geschlossen, kann ein Laststrom fließen, ansonsten nicht.
Relais sind Schalter, die mittels eines Aktors, in der Regel durch Ein/und Ausschalten eines Elektromagneten zwischen wenigstens zwei Schaltzuständen (z.B. Schalter offen / Schalter geschlossen) geschaltet werden.
Dazu haben Relais einen ersten Kontakt, der relativ zu einem zweiten Kontakt beweglich ist. Der erste Kontakt hat in der Regel einen federelastischen Metallstreifen, der mit einem Ende an einem Träger befestigt ist, so dass das andere Ende beweglich ist. Das bewegliche Ende trägt ein erstes Kontaktstück zur Kontaktierung eines gegenüberliegenden zweiten Kontaktstücks. Das erste Kontaktstück und das zweite Kontaktstück werden bei geschlossenem Kontakt gegeneinander gedrückt. Das zweite Kontaktstück ist an einer leitfähigen Metallschiene befestigt. Die Metallschiene kann ein starres Profil sein oder ebenfalls ein federelastischer Metallstreifen. Die Halteschiene und der federelastische Metallstreifen werden in der Fachsprache auch verallgemeinernd jeweils als Kontaktfinger bezeichnet. Der erste Kontaktfinger und der zweite Kontaktfinger bilden zusammen mit den jeweiligen Kontaktstücken einen Hauptkontakt. Die Kontaktstücke können als z.B. Niet oder als auf die Kontaktfinger aufgeschweißte Kontaktfläche ausgeführt sein. Die Kontaktstücke können aus leifähigen Materialien wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder Messing bestehen.
Durch den Aktor kann der erste Kontakt bewegt werden, so dass er den zweiten Kontakt kontaktiert oder von ihm getrennt ist. Das Rückstellen des ersten Kontaktfingers kann über eine zusätzliche Feder, oder alleine über die Federelastizität des Kontaktfingers und / oder den Aktor erfolgen.
Als Aktor wird üblicherweise ein elektrisch ansteuerbares Antriebselement genutzt. Relais haben oft als Aktor einen Linearmotor, welcher beispielsweise aus einer Spule und einem dazu beweglich gelagerten Anker besteht. Auf den Anker wirkt bei eingeschalteter Spule eine Kraft, die den Anker bewegt. Der bewegliche Anker ist in der Regel mit den beweglichen ersten Kontaktstücken oder den dazugehörigen Kontaktfinger gekoppelt, so dass diese bei einer Bewegung des Ankers mitbewegt werden.
Bei Hochstromanwendungen, wie z.B. dem zuvor genannten Wechselrichter, haben Relais zur Erhöhung der Ausfallsicherheit bzw. der Stromtragfähigkeit oft zwei parallel geschaltete Hauptkontaktpaare mit je einem ersten beweglichen Kontakt und je einem zweiten Kontakt. Jeder der vier Kontakte hat ein Kontaktstück, welches einem komplementären Kontaktstück gegenüber sitzt. Ein gemeinsamer Aktor wirkt auf die beiden beweglichen Kontakte.
US 2014/0062626 A1 beschreibt ein elektromagnetisches Relais. Die Grundlegende Idee ist es ein prellarmes Relais mit einem einstellbaren Kontaktabstand zu realisieren.
DE 7323597 U betrifft einen elektrischen Schalter mit parallel geschalteten Polen pro Phase und Mitteln zur Symmetrierung der Stromverteilung.
WO 2008/116432 A1 beschreibt ein mehrphasig schaltendes Relais. Die einzelnen Kontaktelemente werden über eine thermisch leitende Brücke aus elektrisch isolierendem Material verbunden.
DE 3843359 A1 betrifft ein Doppelrelais. Das Relais besteht jeweils aus zwei voneinander unabhängigen Wechselkontakten. Die Kontakte sind so ausgeführt, dass diese zwischen jeweils zwei verschiedene Stellungen gesteuert werden können.

Darstellung der Erfindung

Relais werden im Photovoltaikbereich in Wechselrichtern genutzt. Ein Relaisausfall führt im Regelfall zu einem Ausfall der gesamten Anlage. Damit ist ein durch die unterbleibende Einspeisung hervorgerufener Gewinnausfall verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ausfallwahrscheinlichkeit von Relais mit wenigstens zwei parallel geschalteten Hauptkontakten bei Ausfall eines Hauptkontaktes zu verringern und einen Weiterbetrieb der gesamten Anlage zu ermöglichen.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass Relais mit zwei parallel geschalteten Hauptkontakten ausfallen, wenn aufgrund äußerer Umstände die Übergangswiderstände zwischen den beiden Kontaktpaaren unterschiedlich sind oder einer der beiden parallelen Strompfade in anderer Weise gestört wird, z.B. weil einer der Hauptkontakte auf Grund eines Montagefehlers oder Verschmutzung, Verzunderung oder eines sonstigen Mangels nicht korrekt kontaktiert wurde. Durch den Ausfall eines Hauptkontaktes kann nur noch über den einen verbleibenden Hauptkontakt Strom fließen. Dabei fließt über den verbleibenden Hauptkontakt, das heißt dessen Kontaktfinger und Kontaktstücke ein Strom, der höher als der spezifizierte Strom des verbleibenden Hauptkontaktes ist. Der spezifizierte Strom wird im Folgenden Nennstrom genannt. Durch den erhöhten Strom über den verbleibenden Hauptkontakt, wird das Relais soweit erwärmt, so dass thermische Schäden an dem Relais oder an Teilen davon entstehen.
Kern der Erfindung ist es den verbleibenden Hauptkontakt oder die verbleibenden Hauptkontakte derart zu kühlen, so dass diese den ausgefallenen Hauptkontakt ersetzen können oder das Relais zumindest eine Zeit lang weiter betrieben werden kann. Durch die Kühlung wird die Stromtragfähigkeit, also der Nennstrom den der mindestens eine verbleibenden Hauptkontakt tragen kann erhöht, ohne den mindestens einen verbleibenden Hauptkontakt sonst zu verändern. Dazu werden die mindestens zwei Hauptkontakte thermisch leitend miteinander verbunden. In anderen Worten, wenigstens zwei der Hauptkontakte sind über einen Wärmeleiter, z.B. über eine thermische Brücke miteinander verbunden. Dadurch wird der defekte Hauptkontakt zum Kühlkörper des mindestens einen verbliebenen Hauptkontaktes.
Sobald einer der wenigstens zwei Hauptkontakte ausfällt, wird der Laststrom über den wenigstens einen verbleibenden Hauptkontakt geführt. Hierbei kann zumindest ein Teil der an dem wenigstens einem der verbleibenden Hauptkontakte als Wärme frei werdenden Verlustleistung über wenigstens einen mit dem verbleibenden Hauptkontakt thermisch leitend verbundenen Kühlkörper abgeführt werden.
Die mindestens zwei ersten Kontakte der Hauptkontakte werden hierzu erfindungsgemäß thermisch leitend miteinander verbunden und / oder können jeder für sich mit einer Einrichtung zum Abführen der an den Kontaktstücken und den Kontaktfingern entstehenden Wärme ausgestattet sein, so dass im Störungsfall das Relais sicher weiterbetrieben werden kann.
Die thermisch leitfähige Verbindung kann auf der gleichen Seite wie die zwei ersten Kontaktstücke angebracht sein. Ebenfalls ist eine Anbringung der thermisch leitenden Verbindung auf der Rückseite der Kontaktfinger möglich. Zur Verbesserung der thermisch leitfähigen Verbindung kann zwischen den Kontaktfingern und der thermisch leitfähigen Verbindung Wärmeleitpaste aufgebracht sein.
Die thermische leitfähige Verbindung zwischen den mindestens zwei beweglichen ersten Kontakten kann durch wenigstens einen Metallstreifen realisiert werden, der bzw. die mindestens zwei Kontaktfinger und / oder Kontaktstücke verbindet. An der Verbindungsstelle kann zwischen dem Kontaktfinger und der thermisch leitenden Verbindung Wärmeleitpaste aufgetragen sein.
Alternativ können die ersten Kontaktfinger auch über anders geformte thermische Leiter welche ebenfalls elektrische Eigenschaften haben wie zum Beispiel mittels einer hängenden Litze realisiert werden. Die Position der thermischen Verbindung zwischen dem ersten Kontakt des ersten Hauptkontaktes und dem ersten Kontakt des mindestens einen weiteren Hauptkontakts wird vorzugsweise auf Höhe der Kontaktstücke angebracht. Hierdurch wird der thermische Widerstand auf Grund des möglichst kurzen Weges zum Abführen der abzuführenden thermischen Verlustleistung verringert.
Nach der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Schalten eines Laststroms mit einem Relais mit wenigstens zwei elektrisch parallel geschalteten Hauptkontakten angegeben. Der Laststrom ist der Strom, der bei geschlossenen Hauptkontakten im Normalbetrieb z.B. eines Wechselrichters durch das Relais fließt. Die wenigstens zwei elektrisch parallel geschalteten Hauptkontakte haben jeweils mindestens einen beweglichen ersten Kontaktfinger mit einem ersten Kontaktstück. Diese bilden den sogenannten ersten Kontakt. Die Kontaktfinger sind auf einem Träger befestigt. Durch die Befestigung am Träger ist das jeweils zweite Ende zum ersten Ende beweglich. Zum Schließen des Laststromkreises werden diese ersten Kontaktstücke vorzugsweise zumindest in etwa synchron jeweils in Anlage mit je einem komplementären zweiten Kontaktstück des entsprechenden Hauptkontaktes gebracht. Um die wenigstens zwei Hauptkontakte wieder (elektrisch) zu öffnen wird das erste Kontaktstück vom zweiten Kontaktstück entfernt, d.h. die Kontaktstücke werden auseinanderbewegt, so dass sich eine räumliche Distanz (galvanische Trennstrecke) zwischen Ihnen einstellt. Der Laststromkreis ist folglich wieder geöffnet und somit unterbrochen.
Der zweite Kontakt kann eine feststehende unflexible Trägerschiene als Kontaktfinger aufweisen, die mit einem Ende an einem Träger befestigt ist. Die zweiten Kontaktstücke sind z.B. am freien Ende des zweiten Kontaktfingers befestigt. Der zweite Kontaktfinger kann aber ebenfalls flexibel ausgeführt sein.
Die Kontaktfinger können aus Blechstreifen, welche federnde Eigenschaften haben bestehen oder auch als starrer Träger ausgeführt sein. Die Blechstreifen können ebenfalls aus mehreren miteinander verbundenen Lagen bestehen so, dass sich zwischen den einzelnen Lagen ein Luftspalt ausbildet wird, was zu einer Erhöhung der Federkonstante sowie zu einer verbesserten Kühlwirkung führt. Das jeweils erste und jeweils zweite Kontaktstück zusammen mit Trägern und / oder Kontaktfingern werden auch als sogenannte Hauptkontakte bezeichnet. Die Kontaktstücke können aus leifähigen Materialien wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder Messing bestehen. Zur Verbesserung der Oberflächenleifähigkeit oder zum Korrosionsschutz können die Kontaktstücke auch noch mit einer Oberflächenbeschichtung wie zum Beispiel Gold oder Silber versehen sein. Zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften ich auch die Verwendung von Legierungsmetallen wie zum Beispiel die Hinzunahme von Wolfram möglich, was zu einer Verbesserung der Abbrandeigenschaften führt. Erfindungsgemäß sind die mindestens zwei Hauptkontakte thermisch leitend über einen Kühlkörper verbunden der als thermische Brücke wirkt, so dass der defekte Hauptkontakt als (zweiter) Kühlkörper für den wenigstens einen verbleibenden Hauptkontakt verwendet werden kann. Alternativ kann die thermisch leitende Brücke auch aus mehreren parallel zueinander angeordneten Kühlkörpern bestehen. Als thermisch leitend werden im Zusammenhang mit Feststoffen Materialen mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit ab $30 \frac{W}{m \cdot K}$
bezeichnet. Zusätzlich können die ersten Kontaktfinger im Bereich der ersten Kontaktstücke Durchbrüche aufweisen, die das Anströmverhalten der ersten Kontaktfinger verbessern und somit zu einer besseren Kühlung der ersten Kontaktfinger und der ersten
Kontaktstücke führen und somit zu einer besseren Kühlung. Die thermisch leitende Verbindung kann hierbei die mindestens zwei ersten Kontaktstücke vorzugsweise unmittelbar verbinden. Unmittelbar ist hierbei als eine Verbindung auf kürzestem Weg zu verstehen. Vorzugsweise ist hierzu die thermisch leitfähige Verbindung auf Höhe der mindestens zwei ersten Kontaktstücke vorgesehen, um den thermischen Übergangswiderstand zwischen den beiden ersten Kontaktstücken möglichst gering zu halten.
Vorzugsweise wird die Funktionsfähigkeit wenigstens eines der wenigstens zwei Hauptkontakte überwacht. Im Falle des Ausfalls eines Hauptkontaktes kann der Laststrom durch das Relais über eine Steuerung z.B. eines Wechselrichters oder eines anderen Gerätes reduziert und / oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Zur Überwachung kann z.B. die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Hauptkontakten überwacht werden. Ist diese größer als ein Differenzgrenzwert, dann kann die Steuerung dies als Ausfall eines Hauptkontaktes interpretieren. Alternativ kann zur Überwachung auch die Temperatur eines der beiden Hauptkontakte überwacht werden. Ein Ausfall liegt vor, wenn die Temperatur eines der beiden Hauptkontakte einen Grenzwert übersteigt. Die Temperaturmessung kann u.a. mittels Temperatursensoren wie PTC oder NTC Leitern oder in sonstiger Weise erfolgen. Die Temperatursensoren können im Relaisgehäuse angeordnet sein oder auch außerhalb am Relais oder auf der Platine z.B. des Wechselrichters deren Leiterplatten ebenfalls als Kühlflächen genutzt werden können. Alternativ kann jeweils ein Temperatursensor auf jedem der mindestens zwei Kontaktpaare aufgebracht werden. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich auch die Temperatur der Zuleitung des Relais bestimmt werden. In der Praxis werden Relais oft auf Platinen montiert, wobei die zur Montage vorhandenen Anschlussfahnen oder Lötfahnen des Relais aufgelötet oder in einen auf der Platine vorhandenen Stecksockel eingesetzt werden. Die Anschlussfahnen können dann über zusätzlich auf der Platine vorhandenen Kühlkörper oder Kühlflächen zur Wärmeableitung genutzt werden.
Eine alternative Möglichkeit zur Detektion eines Kontaktausfalls ist es den Spannungswert über die mindestens zwei Hauptkontakte zu detektieren. Die Detektion des Spannungsabfalls kann ebenfalls über die Anschlussfahnen des Relais erfolgen. Fällt oder steigt der Spannungsabfall an mindestens einem der der mindestens zwei Kontaktfinger unter oder über einen bestimmten Wert, so kann ebenfalls der Laststrom reduziert und / oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Eine andere Alternative zur Überwachung des fehlerfreien Betriebes ist die Detektion des durch die Hauptkontakte fließenden Stroms, z.B. mittels eines verbauten Messwiderstandes, eines induktiven Messwandlers oder eines Hallsensors. Steigt oder fällt der Strom durch einen der Hauptkontakte oder die Differenz zwischen den Strömen durch die Hauptkontakte über oder unter einen vorbestimmten Wert, so kann ebenfalls eine der vorgenannten Maßnahmen ausgelöst werden, um einen sicheren Weiterbetrieb des Relais zu ermöglichen. Die Auswertung der Messung sowie die Einleitung der genannten Maßnahmen kann über die im Wechselrichter vorhandene Steuerung oder Regelung erfolgen.
Das beschriebene Verfahren dient zum Betrieb eines Relais zum Schalten eines Laststroms. Das Relais ist dazu mit wenigstens zwei elektrisch parallel geschaltet zu betreibenden Hauptkontakten ausgestattet, die jeweils einen ersten beweglichen Kontaktfinger aufweisen. Die elektrische Parallelschaltung kann durch eine Brücke zwischen den Hauptkontakten im Relais oder durch eine externe elektrisch leitende Brücke z.B. auf der Platine erfolgen. Die ersten Kontaktfinger tragen jeweils wenigstens ein erstes Kontaktstück, welches jeweils wenigstens einem komplementären zweiten Kontaktstück gegenüberliegend angeordnet ist. Die jeweils ersten Kontaktfinger bzw. die ersten Kontaktstücke können mit wenigstens einem Aktor in Wirkverbindung stehen, um die ersten Kontaktstücke synchron zueinander jeweils in Anlage mit dem entsprechend komplementären zweiten Kontaktstücken zu bringen. Durch die Kontaktierung der ersten und der zweiten Kontaktstücke wird der Laststromkreis geschlossen. Werden die Kontaktstücke voneinander getrennt, wird der Laststromkreis geöffnet. Wenigstens zwei bewegliche Kontaktfinger der wenigstens zwei Hauptkontakte sind thermisch leitend miteinander verbunden. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung erreicht. Die beweglichen Kontaktfinger haben in der Regel eine kleinere Querschnittsfläche als die statischen Kontaktfinger. Daher ist die Wärmeableitung der beweglichen Kontaktfinger über die Anschlüsse des Relais vergleichbar schlecht. Dieses Problem kann durch die thermisch leitfähige Kopplung der beweglichen Kontaktfinger kompensiert werden.
Der Querschnitt A der thermisch leitenden Verbindung kann vorzugsweise der nachfolgenden Relation genügen: $A \geq \frac{P_{v} l}{ΔTλ}$
Wobei P_v ist die Verlustleistung eines Hauptkontaktes bei seinem Nennstrom, I die Länge der thermisch leitenden Verbindung zwischen den Hauptkontakten, λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit der thermisch leitenden Verbindung und ΔT die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende der thermisch leitenden Verbindung ist.
Da die mindestens zwei Hauptkontakte elektrisch parallel geschaltet sind, teilt sich der über diese fließende Strom auf. In der Praxis erfolgt diese Aufteilung jedoch oft ungleichmäßig, z.B. wie 70:30 oder 60:40. Im Nennbetrieb fließt über jeden der mindestens zwei Hauptkontakte im Mittel der Nennstrom.
Die hierbei entstehende Verlustleistung P_V pro Hauptkontakt lässt sich im Nennbetrieb, was dem Betrieb ohne Defekt entspricht, mit der Gleichung P_V = R_K · (I _N)² berechnen. R_K bezeichnet den entsprechenden ohmschen Widerstand des Hauptkontaktes und I_N ist der der durch den jeweiligen Hauptkontakt fließende Nennstrom. Die im Kontaktfinger entstehende Verlustleistung kann hierbei vernachlässigt werden, da diese im Vergleich zu der Verlustleistung an der Kontaktstelle, das heißt zu der an den Kontaktstücken entstehenden Verlustleistung vernachlässigbar ist. Im Fall eines Kontaktausfalls eines Hauptkontaktes muss der mindestens eine noch vorhandene Hauptkontakt den doppelten Nennstrom durch den Hauptkontakt tragen. Hierdurch entsteht an diesem Hauptkontakt die doppelte Verlustleistung. Um eine unzulässige Erwärmung des verbleibenden Hauptkontaktes zu vermeiden, wird die zusätzliche Verlustleistung über den defekten Hauptkontakt und /oder wenigstens einen am noch funktionsfähigen Hauptkontakt im Bereich der Kontaktstücke angebrachten Kühlerkörper abgeführt. Für die Ableitung von Wärme über die thermisch leitende Verbindung ist die Gleichung $\dot{Q} = \frac{A λΔ T}{l}$
näherungsweise anwendbar. Q̇ entspricht dem Wärmefluss, A der zum Wärmefluss senkrecht stehende Fläche des für die Wärmeableitung genutzten Wärmeleiters, λ entspricht der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitermaterials, ΔT dem Temperatunterschied zwischen Anfang und Ende des Wärmeleiters und l der Länge des Wärmeleiters in Richtung des zweiten Hauptkontaktes. Um den funktionsfähigen Hauptkontakt unterhalb der maximal spezifizierten Temperatur, welche auch Nenntemperatur genannt wird zu halten, wird die zusätzliche Verlustleistung zumindest zu einem überwiegenden Teil über den Wärmeleiter abgeführt, folglich gilt näherungsweise: ${(I_{N})}^{2} \cdot R = P_{V} = \dot{Q} = \frac{Aλ Δ T}{l}$
Bei der Berechnung der abzuführenden Verlustleistung kann ein Vorfaktor berücksichtigt werden, wenn jeder der mindestens zwei Hauptkontakte für etwas mehr als den im Normalbetrieb durch das Relais fließenden Strom ausgelegt ist. Alternativ wäre dies auch möglich, falls eine höhere obere Grenztemperatur der Hauptkontakte als im Normalbetrieb zulässig ist. Dementsprechend also nicht die volle Nennverlustleitung abgeführt werden muss.
Zur Detektion eines Kontaktfehlers kann über den Lötfahnen oder über den Hauptkontakten oder an einem separaten Ausgang die Spannung oder ein sonstiges Messsignal abgegriffen und einer Steuerung oder Regelung des Wechselrichters zugeführt werden. In der Folge kann die Steuerung oder Regelung des Wechselrichters den Strom durch das Relais soweit reduzieren, dass dieser der Stromtragfähigkeit eines gekühlten Hauptkontaktes entspricht. Zusätzlich kann der Wechselrichter über eine vorhandene Netzwerkverbindung oder eine sonstige Kommunikationsmöglichkeit eine Fehlermeldung über den Defekt eines Relais an z.B. eine Betriebszentrale absetzen. Hierdurch kann das Relais vor einem Totalausfall der Anlage schnellstmöglich getauscht werden.
Alternativ kann in dem Relaisgehäuse oder auf einem oder allen der mindestens zwei Kontaktfinger ein Temperatursensor angebracht sein. Im Falle eine Kontaktausfalls kann eine dafür zuständige Schaltung den Laststrom durch das Relais vermindern und eine Fehlermeldung an eine Betriebszentrale absetzen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungform ist ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit mindestens einem der beschriebenen Relais welches auf einer Platine angeordnet sein kann. Zusätzlich kann der Wechselrichter eine Steuerung oder Regelung aufweisen. Auf der Platine des Wechselrichters können ebenfalls Kühlkörper oder Leiterbahnflächen angeordnet sein. Die Leiterbahnflächen können ebenfalls als Kühlkörper genutzt werden. Das Relais kann direkt mit Leiterbahnen die zum Anschluss und / oder als Kühlkörper genutzt werden verlötet sein. Alternativ kann es auf einen Montagesockel zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung eingesetzt bzw. aufgesteckt sein.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben:

Figur 1: eine Ansicht einer Ausführungsform eines Relais.
Figur 2: zeigt eine Ansicht eines teilmontierten Relais mit zwei Kontaktfingern und den dazugehörigen Kontaktstücken nach dem Stand der Technik.
Figur 3: zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform eines Relais mit thermischer Brücke.
Figur 3a: zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform eines Relais mit thermischer Brücke.
Figur 4: zeigt eine weitere Fig. 1 entsprechende Ansicht einer Ausführungsform eines Relais.
Figur 5: zeigt eine weitere Fig. 1 entsprechende Ansicht einer Ausführungsform eines Relais.
Figur 6: zeigt eine weitere Fig. 1 entsprechende Ansicht einer Ausführungsform eines Relais.

Figur 1 zeigt ein Relais 10 in Schrägansicht. Das Relais 10 besitzt einen ersten Hauptkontakt 19 und einen zweiten Hauptkontakt 20 die über einen Montagesockel 41 oder über eine Platine elektrisch parallel geschaltet werden können. Jeder der Hauptkontakte 19, 20 ist jeweils mit einer ersten Lötfahne 21, 23 sowie einer zweiten Lötfahne 22, 24 elektrisch verbunden. Die Lötfahnen 21, 22, 23, 44 sind in dem Montagesockel oder Träger 41 angeordnet. Über die Lötfahnen 21, 22, 23, 24 können die Hauptkontakte von außen elektrisch kontaktiert werden. Die ersten Lötfahnen 21, 23 sind jeweils auf einen ersten Kontaktfinger 29, 30 geführt und mit diesen elektrisch kontaktiert. Am oberen Ende der ersten Kontaktfinger 29, 30 sind die ersten Kontaktstücke 25, 27 der ersten und des zweiten Hauptkontaktes 19, 20 angebracht. Gegenüberliegend hierzu sind an einer ersten und einer zweiten leitfähigen Halteschiene 33, 34 jeweils ein zweites Kontaktstück 26, 28 als Gegenkontakt zu den entsprechend ersten Kontaktstücken 25, 27 angebracht. Die ersten Kontaktstücke 25, 27 und die zweiten Kontaktstücke 26, 28 werden bei geschlossenem Hauptkontakt 19, 20 gegeneinander gedrückt und stellen den elektrischen Kontakt her.
Auf dem Träger ist ein Aktor mit einer Spule 40 und einem nicht dargestellten beweglichen Anker, welcher in Wirkverbindung mit den ersten Kontaktfingern 29, 30 bzw. mit den ersten Kontaktstücken 25, 27 steht um eine gleichzeitige Bewegung der Kontaktfinger 29, 30 sowie der Kontaktstücke 25, 27 zu ermöglichen. Die Spule 40 wird über ein paar von Spulenanschlüssen 11, 12 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktfedern 29, 30 werden bei Bestromung der Spule 40 über einen nicht gezeigten Bügel der Spule, der mit dem beweglichen Anker der Spule verbunden ist, in Richtung der Halteschienen 33, 34 verschoben und so in Anlage mit den zweiten Kontaktstücken 26, 28 gebracht. Dadurch wird der Laststromkreis über die Kontaktstücke 25, 26, 27, 28 geschlossen. An dem ersten Kontaktfinger 29 sowie dem zweiten Kontaktfinger 30, ist ein Kühlblech 50 zur Abführung der zusätzlich entstehenden Abwärme bei Ausfall eines der beiden Hauptkontakte 19, 20 angebracht.
Figur 2 zeigt ein teilmontiertes Relais mit einem Träger 41 an dessen Unterseite Anschlüsse, welche auch Lötfahnen 21, 23 genannt werden, für das Relais angeordnet sind. Die beiden Lötfahnen 21, 23 sind elektrisch leitend mit je einem federelastischen Metallstreifen 25, 27 der als Kontaktfinger dient verbunden und können anschlussseitig 21, 23 parallel geschaltet sein.
An dem den Anschluss abgewandten Endbereich (kurz am Ende) der Kontaktfinger 29, 30 ist je ein erstes Kontaktstück 25, 27 eines Kontaktpaares angebracht. Ein nicht dargestellter Aktor wirkt auf die Kontaktfinger 29, 30, um die Kontaktfinger 29, 30 jeweils in Richtung eines komplementären zweiten Kontaktes (nicht dargestellt) des entsprechenden Kontaktpaares zu bewegen und/oder um die Kontaktepaare zu öffnen.
Die zweiten nicht gezeigten Kontakte der Kontaktpaare können ebenfalls parallel geschaltet sein, d.h. z.B. an einem gemeinsamen metallischen Träger angeordnet sein (nicht dargestellt).
Ist nun der Übergangswiderstand der beiden Kontakte 25, 26, 27, 28, 29, 30 unterschiedlich hoch oder einer der beiden parallelen Strompfade in anderer Weise gestört, dann fließt ein überwiegender Teil oder der gesamte Laststrom über den verbleibenden besser leitenden oder noch funktionsfähigen Strompfad und der entsprechende Kontaktfinger 29, 30 sowie die Kontaktstücke 25, 26, 27, 28 erwärmen sich zusätzlich.
Nach der Erfindung sind die beiden Kontaktfinger 29, 30 vorzugsweise thermisch leitend miteinander verbunden, z.B. durch eine thermische Brücke 31 (vgl. Figuren 3 - 6) aus einem thermisch möglichst gut leitenden Material, wie z.B. Kupfer oder Aluminium. Durch die thermisch leitende Brücke 31 wirkt der Kontaktfinger 29, 90 des defekten Strompfads als Kühlkörper 50 für die Elemente des intakten Strompfads, wodurch die Wärme kontrolliert abgeführt werden kann. Dies ist in den Figuren 3 bis 5 angedeutet:

Figur 3 zeigt einen ersten Kontaktfinger 29 mit einem Kontaktstück 25, die über einen Kühlkörper, welcher als thermische Brücke 31 dient, mit einem zweiten Kontaktfinger 30 verbunden ist. Die thermische Brücke 31 hat eine Querschnittsfläche A und eine Länge I, hier gemessen zwischen den ersten Kontaktstücken 25, 27. Das Kreuz in der Querschnittsfläche A, symbolisiert die Rückseite eines Pfeils und zeigt die Wärmeflussrichtung im Fehlerfall vom wärmeren Kontaktfinger 29 zum kälteren Kontaktfinger 30. Das bedeutet, dass im Fall dass der zweite Hauptkontakt 20 ausfällt, der gesamte Strom über das Kontaktstückepaar 25, 26 fließt. Auf Grund dieser Tatsache erwärmt sich der erste Hauptkontakt 19 insbesondere das erste Kontaktstück 25, 26 zusätzlich und die Wärme fließt in Richtung des ersten Kontaktstückepaar 27, 28 über den Kühlkörper 50 oder die thermisch Leitende Brücke 31 ab. Die zweite Kontaktfeder 30 des zweiten Hauptkontaktes 20 wirkt hierbei auf Grund der thermisch leitenden Brücke als Kühlkörper. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr kann wie beispielhaft dargestellt die thermisch leitende Brücke optional mit Kühlrippen versehen sein.

Figur 3a zeigt eine alternative Ausführungsform mit den Merkmalen der Figur 3. Die thermische Brücke 31 ist im Unterschied zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform auf der Seite der ersten Kontaktstücke 25, 27 angebracht. Diese Ausgestaltung führt zu einer zusätzlichen Reduzierung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen den beiden ersten Kontaktfingern 29, 30 und somit zu einer schnelleren Wärmeableitung beim Ausfall eines Hauptkontaktes 19, 20. Die Kühlrippen 50 sind optional.
In der Figur 4 ist die thermische Brücke 31 eine metallische Litze, die die beiden Kontaktfinger 29, 30 thermisch miteinander verbindet. Die thermische Brücke 31 kann z.B. mit den Kontaktfingern 29, 30 und / oder den Kontaktstücken 25, 27 verlötet und/oder vernietet sein. Anders als dargestellt ist die Litze vorzugsweise auf Höhe der Kontaktstücke 25, 27 an den Kontaktfingern 29, 30 oder unmittelbar an den Kontaktstücken 25, 27 befestigt.
In Figur 5 beispielhaft dargestellt hat die thermische Brücke 31 mehrere thermisch leitende Verbindungen zwischen den Kontaktfingern 29, 30, welche aus thermisch leitenden Streifen 31, z.B. aus einem Blech hergestellt sind. Vorzugsweise sind die thermisch leitenden Streifen 31 mit den Kontaktfingern 29, 30 verlötet, verschweißt oder vernietet. Ebenso können die Streifen 31 und die Kontaktfinger 29, 30 einstückig, z.B. aus einem Blech gestanzt, ausgeführt sein. Zusätzlich können in den oberen Teil der Kontaktfinger 29, 30 Durchbrüche 35 eingestanzt sein, um die Kühlung zu verbessern.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die beiden Kontaktfinger 29, 30 einstückig mit der thermischen Brücke 31 hergestellt, z.B. aus einem Blech ausgeschnitten oder gestanzt. Auch in diesem Beispiel ist die thermische Brücke 31 auf Höhe der Kontaktstücke 25, 27 zwischen den Kontaktfingern 29, 30 welche auch Kontaktfinger genannt werden angeordnet.
Sofern der Defekt eines der beiden parallelen Strompfade auf einen defekten, z.B. Anschluss zurückzuführen ist, ist es vorteilhaft, wenn die thermische Brücke 31 auch elektrisch leitend ist, weil der Strom dann durch die thermische Brücke 31 wieder auf die beiden Kontaktfinger 29, 30 aufgeteilt werden kann, wodurch die Wärmeentwicklung insgesamt reduziert wird (gilt für alle Ausführungsformen). Dem Prinzip nach würde aber eine rein thermische Verbindung der Kontaktfinger 29, 30 genügen, d.h. die Verbindung könnte durchaus elektrisch isolierend sein (gilt für alle Ausführungsformen).
Vorstehend wurde der Begriff Metallstreifen als Synonym für "elektrischen Leiter" verwendet. In den gezeigten Beispielen haben die Metallstreifen, welche auch Kontaktfinger 29, 30 genannt werden sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Funktion. Diese Funktionen können aber auch getrennt werden. Verallgemeinert lässt sich die Erfindung zusammenfassen als zumindest thermisch leitende Verbindung zwischen wenigstens zwei parallelen Strompfaden beispielsweise in einem Relais, wodurch die bei Ausfall eines der Strompfade im noch funktionsfähigen Strompfad entstehende Wärme über den ausgefallenen Strompfad abgeführt wird. Die Bauteile des ausgefallene Strompfads wirken als oder sind dann der Kühlkörper des noch intakten Strompfads. Auch die thermische Brücke wirkt als Kühlkörper.

Bezugszeichenliste:

10: Relay
11: A1, Erster Spulenanschluss
12: A2, Zweiter Spulenanschluss
19: Erster Hauptkontakt
20: Zweiter Hauptkontakt
21: Erste Lötfahne des ersten Hauptkontakt
22: Zweite Lötfahne des ersten Hauptkontakt
23: Erste Lötfahne des zweiten Hauptkontakt
24: Zweite Lötfahne des zweiten Hauptkontakt
25: Erstes Kontaktstück des ersten Hauptkontakt
26: Zweites Kontaktstück des ersten Hauptkontakt
27: Erstes Kontaktstück des zweiten Hauptkontakt
28: Zweites Kontaktstück des zweiten Hauptkontakt
29: Erster Kontaktfinger des ersten Hauptkontakt
30: Erster Kontaktfinger des zweiten Hauptkontakt
31: Thermische Brücke
32: Wärmeflussrichtung
33: Erste Halteschiene, Zweiter Kontaktfinger des ersten Hauptkontakt
34: Zweite Halteschiene, Zweiter Kontaktfinger des zweiten Hauptkontakt
35: Durchbrüche
40: Spule mit Anker
41: Träger
50: Kühlkörper / Kühlblech
l: Länge des Kühlkörpers

Claims

Verfahren zum Schalten eines Laststroms mit einem Relais (10) mit wenigstens zwei elektrisch parallel geschalteten Hauptkontakten (19, 20), die jeweils mindestens einen beweglichen ersten Kontaktfinger (29, 30) mit einem ersten Kontaktstück (25, 27) aufweisen, welche:
- jeweils in Anlage mit je einem komplementären zweiten Kontaktstück (26, 28) des entsprechenden Hauptkontaktes (19, 20) gebracht werden, um den Hauptkontakt (19, 20) zu schließen wobei ein Laststrom auf die wenigstens zwei Hauptkontakte (19, 20) aufgeteilt wird, und bei Ausfall eines Hauptkontaktes (19, 20) der gesamte Laststrom über den wenigstens einen verbleibenden Hauptkontakt (19, 20) geleitet wird,

- jeweils von dem entsprechenden zweiten Kontaktstück (26, 28) entfernt werden, um den Hauptkontakt (19, 20) zu öffnen,
dadurch gekennzeichnet dass
beim Ausfall eines Hauptkontaktes (19, 20) zumindest ein Teil der an wenigstens einem der verbleibenden Hauptkontakte (19, 20) als Wärme frei werdenden Verlustleistung über wenigstens einen mit dem verbleibenden Hauptkontakt (19, 20) thermisch leitend verbundenen Kühlkörper (50) an den ausgefallenen Hauptkontakt (19, 20) abgeführt wird, wodurch der
ausgefallene Hauptkontakt (19, 20) als Kühlkörper für den wenigstens einen der verbleibenden Hauptkontakte (19, 20) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass
die beiden Hauptkontakte (19, 20) über eine thermische Brücke (31) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Laststrom reduziert und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, sofern die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Hauptkontakten (19, 20) größer als ein Differenzgrenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Laststrom reduziert und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, sofern die Temperatur wenigstens einer der beiden Hauptkontakte (19, 20) einen Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Laststrom reduziert und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, sobald der Spannungsabfall an einem der Kontaktfinger (29, 30) über Grenzwert steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Laststrom reduziert wird und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn die Differenz der durch die Kontaktfinger (29, 30) fließenden Stromstärken einen Grenzwert übersteigt.
Relais (10) zum Schalten eines Laststromkreises mit
- wenigstens zwei parallel geschaltet zu betreibenden Hauptkontakten (19, 20), die jeweils einen ersten beweglichen Kontaktfinger (29, 30) aufweisen, der jeweils wenigstens ein erstes Kontaktstück (25, 27) trägt, welches jeweils wenigstens einem komplementären zweiten Kontaktstück (26, 28) gegenüberliegend angeordnet ist und

- wenigstens einem Aktor (40), der mit den ersten Kontaktstücken in Wirkverbindung (25, 27) steht, um diese jeweils in Anlage mit dem komplementären zweiten Kontaktstück (26, 28) zu bringen, wodurch der Laststromkreis geschlossen wird, wobei die Hauptkontakte (19, 20) so ausgebildet sind, dass bei Ausfall eines Hauptkontaktes (19, 20) der gesamte Laststrom über den wenigstens einen verbleibenden Hauptkontakt (19, 20) geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der ersten Kontaktfinger (29, 30) der wenigstens zwei Hauptkontakte (19, 20) thermisch leitend über wenigstens einen Kühlkörper (50) verbunden sind, wobei der wenigstens eine Kühlkörper (50) ausgebildet ist, beim Ausfall eines dieser Hauptkontakte (19, 20) zumindest ein Teil der an wenigstens einem der verbleibende Hauptkontakte (19, 20) als Wärme frei werdenden Verlustleistung an den ausgefallenen Hauptkontakt (19, 20) abzuführen, wodurch der ausgefallene Hauptkontakt (19, 20) als Kühlkörper für den wenigstens einen der verbleibenden Hauptkontakte (19, 20) wirkt.
Relais (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die thermisch leitende Verbindung eine Wärmebrücke (31) ist, welche die beiden ersten Kontaktfinger (29, 30) miteinander verbindet.
Relais (10) n dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkörper (31, 50) die beiden ersten Kontaktfinger (29, 30) und/oder die beiden ersten Kontaktstücke (25, 27) miteinander verbindet.
Relais (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die thermisch leitende Verbindung (31) die beiden ersten Kontaktstücke (25, 27) unmittelbar verbindet.
Relais (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die thermisch leitende Verbindung (31) die beiden ersten Kontaktfinger (29, 30) auf Höhe der beiden ersten Kontaktstücke (25, 27) miteinander verbindet.
Relais (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Kontaktfinger (29, 30) je wenigstens einen Metallstreifen aufweisen, deren erstes Ende an einem Träger (41) befestigt ist und deren zweites Ende relativ zu dem ersten Ende beweglich ist und das wenigstens eine erste Kontaktstück (25, 27) trägt.
Relais (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Querschnitt A der thermisch leitenden Verbindung der folgenden Relation genügt: $A \geq \frac{P_{v} l}{Δ Tλ},$

wobei P_v die Verlustleistung eines Hauptkontaktes (19, 20) bei seinem Nennstrom, l die Länge der thermisch leitenden Verbindung zwischen den mindestens zwei Hauptkontakten (19, 20), λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit der thermisch leitenden Verbindung und ΔT die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende der thermisch leitenden Verbindung (31) ist.