Diese Art der Ansteuerung ist die am häufigsten Anzutreffende. Fließt ein Steuerstrom durch die Magnetspule eines elektromechanischen Schützes, bewegt deren magnetische Anziehung die mechanischen Kontakte in den aktiven Zustand. Ohne Strom stellt eine Feder den Ruhezustand wieder her, alle Kontakte kehren in ihre Ausgangslage zurück. Die Anschlüsse für Steuerstrom (Magnetspule) sowie die Kontakte für Hilfskreise (falls vorhanden) und zu schaltende Ströme sind im Schütz jeweils gegeneinander isoliert ausgeführt: Es gibt keine leitende Verbindung zwischen Steuer- und Schaltkontakten. Daher können Steuer- und Hilfskreise separat und auch galvanisch voneinander oder mit Schutzkleinpannung sicher untereinander und von den Laststromkreisen getrennt ausgeführt werden. Im Grunde handelt es sich hier also um Relais, jedoch mit wesentlich höherer Schaltleistung. Typische Lasten beginnen bei etwa 500 Watt bis hin zu mehreren hundert Kilowatt.
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Geschichte
Schütze wurden entwickelt, damit ein Verbraucher mit großer Leistungsaufnahme (z. B. Motor) über einen handbetätigten Schalter mit kleiner Schaltleistung eingeschaltet werden kann. Schütze ermöglichten historisch betrachtet schnellere und sicherere Schaltvorgänge als dies mit rein mechanischen oder handbetätigten Schaltkonstruktionen möglich war.
Einsatzgebiete
Mit einem Schütz sind wie beim Relais Schaltvorgänge aus der Ferne über Steuerleitungen mit relativ geringem Leiterquerschnitt möglich. Zu den typischen Anwendungsbereichen des Schützes gehört daher die Steuerungs- und Automatisierungstechnik. Konkrete Anwendungsbeispiele finden sich u. a. in der Motorsteuerung, Fahrstuhlsteuerung, Steuerung elektrischer Heizstäbe und in lichttechnischen Anlagen. Die möglichen Anwendungsbereiche eines Schützes sind in der Norm durch Gebrauchskategorien festgeschrieben.
Unterschied zum Relais
Schütze unterscheiden sich in drei wesentlichen Merkmalen von gewöhnlichen Relais[1]:
- Relais sind für geringere Schaltleistung ausgelegt.
- Ihre Schaltglieder sind einfach unterbrechend, während die Schaltglieder bei Schützen doppelt unterbrechend sind.
- Relais besitzen Klappanker und Schütze Zuganker, um größere mechanische Kräfte zum Schalten der aufgrund höherer Schaltleistung massiveren Kontakte auf diese ausüben zu können.
Bauformen
Schütze gibt es für unterschiedliche Montagearten, z. B. für Hutschienenmontage oder im Gehäuse zur Einzelmontage.
Wegen der hohen Schaltleistungen und der deshalb erforderlichen massiven Kontakte, sowie wegen des enthaltenen leistungsstarken Elektromagneten hat ein Schütz meist eine charakteristische Gehäuseform.
Varianten
Man unterscheidet zwischen Leistungsschützen, Schützen mit hoher Schaltleistung, und Hilfsschützen, für die Ansteuerung von Leistungsschützen oder Anzeigelampen.
Wechselspannungs- und Gleichspannungsschütz
Schütze waren früher für den Betrieb mit Wechselspannung ausgelegt. Darum hatten ihre Elektromagneten einen geschlitzten Kern, dessen einer Teil eine Kurzschlusswindung trug. Dieser Teil des Kernes überbrückte wegen der von der Kurzschlusswindung verursachten Phasendrehung die Zeit, in der die Kraft des Hauptfeldes zum Halten des Ankers nicht ausreicht. Bei Gleichspannungsschützen kann die Rückstellkraft der Feder durch einen Permanentmagneten unterstützt sein.
Schutz des Steuerkreises
Zur Schonung empfindlicher Ansteuerelektronik kann im Steuerkreis eine Schutzbeschaltung gegen Abschalt-Spannungsspitzen aus der Spulen-selbstinduktion des Elektromagneten im Schütz notwendig sein. Bei Wechselstromschützen besteht diese meist aus einer Reihenschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator, die parallel zur Ankerspule angebracht werden (siehe Snubber). Bei Gleichstromschützen, wie sie z. B. bei einer SPS verwendet werden, sorgt eine Freilaufdiode dafür, dass die Elektronik geschützt wird; die gleiche Funktion erfüllt auch ein Varistor. Einige Geräte verfügen, zum leichten montieren der Schutzmaßnahmen, über eine Steckvorrichtung.[2]
Vorkehrungen zur Vermeidung des Schaltlichtbogens
In besonderen Einsatzbereichen (Explosionsgefährdete Bereiche) kann es notwendig sein, den beim Schalten hoher Ströme immer auftretenden Schaltlichtbogen zu vermeiden. Dazu werden die Leistungsschaltkontakte im Schütz gekapselt und entweder evakuiert oder mit einem besonderen Medium umgeben. Neben den auf dem Markt verbreiteten Luftschützen (also den Geräten, die im Schaltmedium Luft schalten und in denen der Schaltlichtbogen in Lichtbogenkammern gelöscht wird) gibt es auch Vakuumschütze für Anlagen, die hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit stellen. Hier befinden sich die Schaltkontakte in einer evakuierten Schaltröhre – ein Schaltlichtbogen kann nicht entstehen und somit auch nahezu kein Abbrand auf den Schaltkontakten. Vakuumschütze verfügen somit über eine theoretisch unendliche Lebensdauer. Seltener sind Ölschütze, deren Schaltkontakte in einem Ölbad liegen.
Kontaktarten
- Schließer (Arbeitskontakte; kurz: NO von engl. Normally Open)
- Öffner (Ruhekontakte; kurz: NC von engl. Normally Closed)
- Umschaltkontakte / Wechsler (Kombination eines Öffners mit einem Schließer)
- Folgewechsler (Umschaltkontakt, bei dem alle drei Kontakte kurzzeitig beim Schalten verbunden werden.)
- Hilfskontakte zur Schützsteuerung und Signalanzeige.
Anschlussbezeichnungen
Die Kontakte unterteilen sich in zwei Gruppen: Hauptkontakte für die zu schaltende Leistung und Hilfskontate als Meldeleitung.
Hauptstromkontakte eines Schützes werden mit einstelligen Ziffern bezeichnet. Dabei führen die ungeraden Ziffern (1; 3; 5) zum Stromnetz, die geraden Ziffern (2; 4; 6) führen zum Verbraucher. Im Falle von Öffnern wird den Klemmenbezeichnungen dabei ein R vorangestellt. Die Hilfs- bzw. Steuerkontakte haben eine zweistellige Bezeichnung. An der ersten Stelle steht die Ordnungsziffer, mit der die Hilfskontakte fortlaufend nummeriert werden. An der zweiten Stelle steht die Funktionsziffer, die die Aufgabe des jeweiligen Hilfskontaktes angibt (z. B. 1–2 für Öffner, 3–4 für Schließer).[3].
Außerdem gibt es noch die Bezeichnungen 5–6 und 7–8. Diese sind für Kontakte mit besonderer Funktion (z. B. zeitverzögernd öffnen bzw. schließen) vorgesehen.
Beispiele im Bild farbig gekennzeichnet):
- 1–2: Hauptstromkontakt, schließend (rot)
- R3-R4: Hauptstromkontakt, öffnend
- 13–14: Hilfskontakt, schließend (gelb)
- 21–22: Hilfskontakt, öffnend (violett)
- A1-A2: Spulenanschluss
- T1-T3: Motoranschlüsse (rot unten)
Schaltarten
1–3: Schließer
4: Öffner
5: Schließer
6: Spät-Öffner
7: Früh-Schließer
8,9: Überlappender Öffner und Schließer
Die Kontakte können entweder überlappend (MBB, von engl.: make before break) oder nichtüberlappend (normgerecht) schalten. Überlappend bedeutet: Der Schließer schließt während des Umschaltvorgangs bereits, während der Öffner noch nicht getrennt hat; der Eingang und beide Ausgänge sind kurzzeitig miteinander verbunden. Damit sind im Gegensatz zur nichtüberlappenden Schaltart, bei welcher der Öffner trennt, bevor der Schließer Kontakt herstellt, unterbrechungsfreie Umschaltvorgänge möglich. Überlappende Schütze werden als Ü-Schütze, nichtüberlappende als E-Schütze bezeichnet.
Funktionsüberwachung
Zur Funktionsüberwachung (Schutz vor hängenden oder festgebrannten Kontakten) kann ein Hilfsrelais verwendet werden, das hinter dem jeweiligen Leistungskontakt des Schützes angeschlossen ist und damit einen Hilfsstrom schaltet, sobald der Schaltvorgang vom Schütz zuverlässig ausgeführt wurde. Das Hilfsrelais kann im Gehäuse des Schützes integriert sein, ist jedoch mechanisch unabhängig.
Kenndaten
- Schaltleistung – die Leistung, die ein elektromagnetisch betätigter Kontakt ein- oder ausschalten kann
- Schalt- oder Nennspannung – die Spannung, die geschaltet werden kann
- Kontaktdauerstrom – der Strom, der bei normalen Betriebsbedingungen ohne Unterbrechung durch Schalten über die Kontakte fließen kann
- Schaltstrom – der Strom, den ein Kontakt schalten kann
- Spulennennspannung – der Nennwert der Betätigungsspannung, für welche die Wicklung der Spule bemessen ist
- Ansprechspannung – die Spannung, bei der das Relais oder Schütz gerade anzieht
- Haltespannung – die Spannung, bei der sich das Relais oder Schütz noch hält
Selbsterhaltung und bistabile Schütze
Soll ein Schütz nach einen Steuerstromimpuls in der „aktiven“ Schaltstellung verbleiben, statt in die Ruhestellung zurückzufallen, kommt eine „Selbsthalteschaltung“ über einen Hilfskontakt zum Einsatz, da das Schütz nicht über eine mechanische Sperre verfügt. Solche Hilfskontakte können üblicherweise seitlich an das Schütz montiert werden oder sind bereits integriert. Auch das Verwenden eines nicht benötigten Leistungskontakts als Hilfskontakt ist in der Regel möglich. Die Selbsthalteschaltung ermöglicht den Einsatz eines Tastschalters statt eines Ausschalters zur Ansteuerung. Im Zuge von Energieeinsparungsbestrebungen wurden auch bistabile Schütze entwickelt, die keinen Haltestrom für den Elektromagneten im aktiven Zustand benötigen.
Pneumatisches Schütz
Das Pneumatische Schütz (auch: Druckluftschütz) ist dem elektromechanischen Schütz von der Funktion her gleich, mit einer Ausnahme: Der Elektromagnet wird durch pneumatische Stellglieder (Druckdosen) ersetzt, welche über den Anker auf die Schaltkontakte wirken. Statt durch Anlegen eines Steuerstromes erfolgt das Umschalten in den aktiven Zustand hier durch Beaufschlagen der Steuerdruckleitung mit einem Druck.
Halbleiterschütz
Um der Abnutzung (Kontaktabbrand, Ausschlagen beweglicher Bauteile etc.) entgegenzuwirken, wurden Schütze auf Basis von Leistungshalbleitern entwickelt. Anders als beim zweifach trennenden mechanischen Schütz ist beim Halbleiterschütz keine galvanische Trennung der Leistungskontakte in der „geöffneten“ Schaltstellung gegeben (Reststrom). Die übrigen Anschlüsse (Hilfs- und Steuerkreise) können mittels einer Hilfsbeschaltung (z. B. Optokoppler) intern oder extern galvanisch abgetrennt werden, so dass auch beim Halbleiterschütz eine sichere Ansteuerung und Überwachung durch Schutzkleinspannungen möglich ist.