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Elektronisches Lastrelais

Elektronisches Lastrelais mit Triacs

Bei Anwendungen, wo häufiges Ein- und Ausschalten erforderlich ist, ist es sinnvoll über elektronische Schalter nachzudenken. Hier ein Beispiel für einen elektronischen Lastschalter, der für dreiphasige Abnehmer geeignet ist. Getestet habe ich die Schaltung an zwei elektrischen Drehstrommotoren. Die Schaltung besteht aus drei Triacs BTA41, die einen Strom bis zu 40 A vertragen. Die Bauteile sind universell einsetzbar. Sie können u.a. als einfache ein/aus – Schalter aber auch als Lichtdimmer oder Geschwindigkeitsregler von Motoren eingesetzt werden. Die Schaltung ist für kleine Drehstrommotoren im Bereich bis zu 2 kW gedacht. Mit den Triacs BTA41 werden dann auch problemlos große Einschaltströme abgefangen, die beim Einschalten eines Drehstrommotors ins Spiel kommen. Die Leistungstriacs werden separat von drei Optokopplern mit jeweils einem Triacausgang MOC3041 zugeschaltet. Das Zünden der Leistungstriacs findet dank dessen jeweils im Nulldurchgang statt. Die Optokoppler-Triacs (Optotriacs) sorgen des Weiteren für eine galvanische Trennung zwischen der Leistung- und Steuerungselektronik. Eine weitere Schutzmaßnahme bilden drei Varistoren, die parallel zu den Leistungstriacs angeschlossen, unerwünschte Spannungsspitzen abfangen können. Die Spannung von Varistoren beträgt 275 V.

Triacs auf Kühlkörper

Triacks BTA41 mit Varistoren auf Kühlkörper

In meiner Testschaltung habe ich die Varistoren direkt an die Leistungstriacs BTA41 angelötet. Großer Vorteil der Triacs BTA41 ist die Tatsache, dass ihre Lasche isoliert ist. Damit ist es möglich, alle drei Triacs direkt an einem Kühlkörper zu montieren. Das ist nicht bei allen Triacs möglich. Bei einer praktischen Anwendung wäre es unerlässlich, den Kühlkörper zu erden, damit beim Durchschlag andere Schutzmaßnahmen, wie z.B. Motorschutzschalter ansprechen können. Bei der Montage ist es stets vom Vorteil an die geeignete Wärmeleitpaste zu achten, damit die Wärmeabfuhr möglichst reibungslos verlaufen kann. Die Entstehung der Wärme und entsprechende Gegenmaßnahmen zählen bei Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik zu den Hauptproblemen. Alle Anschlüsse habe ich mit Schrumpfschlauch gegen eventuelle Kurzschlüsse abgesichert.

Optokoppler mit Triacausgang MOC3041

Die Leistungstriacs wurden dann mit kurzen Verbindungen mit Optokoppler-Triacs verbunden. Eine Leuchtdiode dient als Kontrolllampe. Der elektrische Stromlaufplan sieht wie folgt aus (ohne LED-Kontrolleuchte):

Stromlaufplan

Die Schaltung wurde mit Hilfe von zwei Drehstrommotoren getestet: 0,75 kW und 2,2 kW. Die drei Phasen sind jeweils an die Anschlüsse L1a, L2a und L3a anzuschließen. Ein Abnehmer (hier ein Drehstrommotor) wird dann entsprechend an die L1b, L2b und L3b angeschlossen. Mit einem Signal 24VDC kann die Schaltung ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Kühlkörper

Der hier verwendete Kühlkörper hat die Abmessungen 100x75x15 mm.

Während des Tests habe ich die Temperatur am Kühlkörper gemessen und dokumentiert. Beide Motoren wurden im Dauerlauf als auch im Ein-Aus-Betrieb getestet. Nach ca. 20-30 Min stabilisierte sich in beiden Fällen die Temperatur. Interessant ist die Tatsache, dass der Temperaturanstieg beim Dauerlauf höher als in dem Ein-Aus-Betrieb ausgefallen ist, obwohl im Ein-Aus-Betrieb deutlich höhere Einschaltströme ins Spiel kommen. Im Ein-Aus-Betrieb wurden die Motoren alle 5 Sek ein- und ausgeschaltet. Die Motoren wurden unbelastet getestet. Mit Belastung können die Temperaturwerte etwas höher ausfallen. Der Test zeigte, dass bei einer solchen Anwendung keine weiteren Maßnahmen zur Kühlung notwendig sind. Während des Tests betrug die Außentemperatur 23 °C. Der Temperaturverlauf an dem Kühlkörper dargestellt in Form eines Diagramms sieht wie folgt aus (°C / Min):

Temperaturdiagramm 0,75kW

Temperaturverlauf Kühlkörper °C/Min, Motor 0,75 kW, Außentemperatur 23°.C

Temperaturdiagramm 2,2kW

Temperaturverlauf Kühlkörper °C/Min, Motor 2,2 kW, Außentemperatur 23°.


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