Die Funktion und Anwendungsszenarien von Relais

I. Die Kernfunktion von Relais

Die Funktion von Relais dreht sich um drei Kernaspekte: „Signalumwandlung“, „Stromkreissteuerung“ und „Sicherheitsschutz“. Durch das Ein-Ausschalten mechanischer Kontakte oder kontaktloser Strukturen erreichen sie mehrdimensionale elektrische Steuerfunktionen. Konkret lassen sie sich in die folgenden fünf Hauptkategorien einteilen:

(1) Signalverstärkung und Leistungsumwandlung

Dies ist eine der grundlegendsten Funktionen eines Relais. In Regelkreisen handelt es sich bei den von Steuerungen (z. B. Einzelchip-Mikrocomputern, SPS und Sensoren) ausgegebenen Signalen oft um schwache und kleine Ströme (normalerweise im Milliampere-Bereich), die Hochleistungslasten wie Motoren und Heizungen nicht direkt antreiben können. Relais wandeln schwache elektrische Signale über elektromagnetische Spulen in elektromagnetische Kraft um, treiben die Kontakte zum Schließen oder Öffnen an und steuern so das Ein- und Ausschalten großer Ströme (Ampere- oder sogar Kiloampere-Ebene) im Hauptstromkreis. Beispielsweise kann das vom Sensor erfasste 10-mA-Triggersignal, nachdem es vom Relais verstärkt wurde, den Start eines 10-A-Motors steuern, wodurch die Leistungsumwandlung in ein „kleines Signal zur Steuerung hoher Leistung“ erreicht und das Problem der Nichtübereinstimmung zwischen der Ausgangskapazität des Controllers und dem Lastbedarf gelöst wird.

(2) Stromkreisisolierung und Sicherheitsschutz

Der Spulenstromkreis und der Kontaktstromkreis eines Relais sind vollständig elektrisch isoliert, eine Eigenschaft, die es zu einer Schlüsselkomponente für den Sicherheitsschutz des Stromkreises macht. Isolieren Sie einerseits die Hoch- und Niederspannungskreise, um zu verhindern, dass Hochspannung in den Steuerkreis gelangt und die Präzisionssteuergeräte beschädigt. Beispielsweise sind in Industrieanlagen der 380-V-Hauptstromkreis und der 24-V-Steuerstromkreis durch Relais isoliert, um zu verhindern, dass Hochspannung die SPS oder den Einzelchip-Mikrocomputer ausschaltet. Andererseits isolieren Sie starke und schwache Signalkreise, reduzieren elektromagnetische Störungen und stellen die Stabilität der Steuersignale sicher. Darüber hinaus können die Kontakte des Relais bei getrennten Kontakten einer relativ hohen Spannungsdurchbruchfestigkeit standhalten, wodurch fehlerhafte Stromkreise effektiv unterbrochen werden, die Ausbreitung von Risiken wie Kurzschlüssen und Leckagen verhindert und die Sicherheit des Stromkreissystems erhöht wird.

(3) Logiksteuerung und Signalumwandlung

Relais können durch Designs wie Mehrkontaktkombinationen und Verzögerungsstrukturen komplexe logische Operationen und Signalumwandlungsfunktionen erreichen. Durch die Verwendung der Reihen- und Parallelkombinationen mehrerer Relais können beispielsweise grundlegende Logiksteuerungen wie „und“, „ODER“ und „nicht“ erreicht werden, um die Anforderungen an die Prozessverknüpfung im Automatisierungssystem zu erfüllen. Zeitrelais können sofortige Auslösesignale in verzögerte Ein-/Aus-Signale umwandeln und so einen verzögerten Anlauf und eine sequentielle Steuerung von Geräten ermöglichen (z. B. verzögertes Schalten beim Stern-Dreieck-Anlauf von Motoren). Zwischenrelais können ein einzelnes Signal auf mehrere Ausgänge erweitern, wodurch ein Steuersignal den synchronen Betrieb mehrerer Lasten steuern und das Design des Steuerschaltkreises vereinfachen kann.

(4) Fernbedienung und Automatisierungsverknüpfung

Relais unterstützen die Fernsteuerung über elektrische Signale, sodass kein direkter manueller Kontakt mit Hochspannungs- und Hochrisikostromkreisen erforderlich ist. Sie sind Kernkomponenten von Automatisierungssystemen und Fernsteuerungen. In der industriellen Automatisierung steuern die vom Bediener über die Steuerkonsole gesendeten elektrischen Signale den Betrieb von Produktionsanlagen über Relais. In Smart Homes werden die von Mobiltelefon-Apps gesendeten Funksignale in elektrische Signale umgewandelt und dann über Relais zum Steuern des Ein- und Ausschaltens von Geräten wie Lichtern, Klimaanlagen und Türschlössern verwendet. Im Energiesystem werden Fernanweisungen vom Dispatcherzentrum über Relais übertragen, um Übertragungsleitungen und Transformatoren aus der Ferne zu schließen und zu öffnen, was den Komfort und die Flexibilität der Steuerung erhöht.

(V) Überlast- und Fehlerschutz

Einige Spezialrelais (z. B. Thermorelais, Überstromrelais und Unterspannungsrelais) sind mit Fehlererkennungs- und Schutzfunktionen ausgestattet. Sie können Parameter wie Strom und Spannung im Stromkreis in Echtzeit überwachen. Wenn eine Anomalie auftritt, unterbrechen sie automatisch den Stromkreis, um die Sicherheit von Geräten und Leitungen zu gewährleisten. Beispielsweise erkennt ein Thermorelais den Strom in der Motorwicklung. Wenn der Strom überlastet ist, verformt sich der interne Bimetallstreifen aufgrund der Hitze, wodurch der Kontakt geöffnet und die Stromversorgung des Motors unterbrochen wird, wodurch verhindert wird, dass der Motor aufgrund von Überhitzung durchbrennt. Das Unterspannungsrelais löst automatisch aus, wenn die Netzspannung zu niedrig ist, und verhindert so, dass das Gerät bei Unterspannung überlastet arbeitet. Überstromrelais können Kurzschlussströme schnell unterbrechen und Sicherheitsunfälle wie Leitungsbrände verhindern.

Ii. Typische Anwendungsszenarien von Relais

Die Anwendungsszenarien von Relais decken mehrere Bereiche wie industrielle Produktion, Smart Home, Transport, Energiesysteme und elektronische Geräte ab. Ihre Auswahl und Funktionen sind an die Kernanforderungen unterschiedlicher Szenarien angepasst. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung der repräsentativsten Anwendungsszenarien:

(1) Bereich der industriellen Automatisierung

Die industrielle Automatisierung ist das wichtigste Anwendungsszenario für Relais. Fast alle automatisierten Produktionsanlagen kommen ohne die Steuerung und den Schutz von Relais nicht aus. Zu den Kernanwendungen gehören:

SPS-Steuerungssystemverknüpfung: SPS (Programmable Logic Controller) ist der Kern der industriellen Steuerung, aber die Belastbarkeit der SPS-Ausgangsschnittstelle ist begrenzt (normalerweise ≤0,5 A) und sie kann Aktoren wie Schütze und Magnetventile nicht direkt ansteuern. An dieser Stelle wird ein Zwischenrelais als „Relais“ benötigt. Das SPS-Ausgangssignal löst die Zwischenrelaisspule aus, und der Hochleistungskontakt des Zwischenrelais treibt dann die Schützspule an und steuert so den Start und Stopp von Hochleistungsgeräten wie Motoren, Förderbändern und mechanischen Armen. In einer Automobilproduktionslinie beispielsweise steuert die SPS die Bewegung von Schweißrobotern, das Ein- und Ausschalten von Lackiergeräten und die Geschwindigkeitsanpassung von Montagelinien über Zwischenrelais und erreicht so eine präzise Verknüpfung im automatisierten Produktionsprozess.

Motorsteuerung und -schutz: Motoren sind die zentrale Energiequelle in der industriellen Produktion. Ihr Starten, Stoppen, Vorwärts- und Rückwärtsdrehen sowie der Fehlerschutz erfordern den Einsatz von Relais. Wenn beispielsweise ein Motor startet, wird ein Schütz (im Wesentlichen ein Hochleistungsrelais) verwendet, um das Ein- und Ausschalten des Hauptstromkreises zu steuern, ein Thermorelais sorgt für Überlastschutz und ein Zeitrelais realisiert das verzögerte Schalten des Stern-Dreieck-Starts (wodurch die Auswirkungen des Anlaufstroms auf das Stromnetz verringert werden). In Werkzeugmaschinen können Relais auch die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung von Motoren steuern (z. B. die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung der Spindel einer Drehmaschine und das Umschalten der Vorschubbewegung) und Kurzschlussfehler durch Kontaktverriegelung verhindern.

Ablaufsteuerung in der Produktionslinie: In der Fließbandproduktion werden Relais verwendet, um das sequentielle Starten und Stoppen von Geräten zu erreichen und so die Kontinuität des Produktionsprozesses sicherzustellen. Beispielsweise muss in einer Produktionslinie für Lebensmittelverpackungen zuerst das Förderband gestartet werden, gefolgt von der Abfüllausrüstung, der Versiegelungsausrüstung, der Etikettierausrüstung und schließlich der Erkennungsausrüstung. Durch die Kombination von Zeitrelais und Zwischenrelais wird die Startverzögerung jedes Geräts so eingestellt, dass eine sequentielle Steuerung „zuerst starten und dann stoppen“ erreicht wird. In der chemischen Produktion steuern Relais die Reihenfolge des Erhitzens, Rührens, Zuführens und Entladens von Reaktionsgefäßen. Gleichzeitig werden Druck und Temperatur im Reaktionsgefäß durch Druck- und Temperaturrelais überwacht. Wenn die Parameter den Standard überschreiten, werden die entsprechenden Geräte automatisch abgeschaltet, um die Produktionssicherheit zu gewährleisten.

(2) Bereiche Smart Home und Gebäudeautomation

Mit der Entwicklung der Internet-of-Things-Technologie (IoT) sind Relais zu zentralen Steuerungskomponenten in Smart Homes und der Gebäudeautomation geworden und ermöglichen „kontaktlose Steuerung“ und „Fernbedienung“. Zu den Kernanwendungen gehören:

Steuerung von Haushaltsgeräten und Beleuchtung: In einem Smart-Home-System ist das Relaismodul der Schlüssel zur Verbindung drahtloser Signale (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) mit Haushaltsgeräten. Intelligente Schalter sind beispielsweise mit eingebauten Relais ausgestattet. Durch Anweisungen von Mobiltelefon-Apps oder Sprachassistenten (wie Xiaoai und Tmall Genie) können sie das Ein- und Ausschalten von Geräten wie Lichtern, Steckdosen, Klimaanlagen und Fernsehern steuern. Der intelligente Vorhang realisiert das automatische Öffnen und Schließen des Vorhangs, indem er den Motor über ein Relais so antreibt, dass er sich vorwärts und rückwärts dreht. Das intelligente Türschloss steuert den elektromagnetischen Schalter des Schlosskörpers über ein Relais, um eine Fernentriegelung und das Schließen des Türschlosses nach der Passwort-Entriegelung zu erreichen.

Gebäudesicherheits- und Brandschutzstellwerke: In Bürogebäuden, Wohnanlagen und anderen Gebäuden werden Relais zur Stellwerkssteuerung von Sicherheits- und Brandschutzanlagen eingesetzt. Wenn beispielsweise der Rauchsensor oder der Infrarotalarm eine Anomalie erkennt, aktiviert er das Relais, das wiederum den Ton- und Lichtalarm aktiviert, um den Alarm auszulösen, den Aufzug zur Notlandung zu bewegen, das feuerfeste Rolltor zu schließen und die Notbeleuchtung einzuschalten. Im Brandschutzsystem können Relais auch den Start von Sprinklerpumpen und Rauchabzugsventilatoren sowie die Druckbeaufschlagung von Hydranten steuern und so die Evakuierung von Personal und die Anforderungen der Brandbekämpfung im Brandfall sicherstellen.

HLK-Steuerung: In der zentralen Klimaanlage von Gebäuden werden Relais verwendet, um den Start und Stopp von Klimaanlagen zu steuern, die Geschwindigkeit von Ventilatoren anzupassen und Magnetventile zu öffnen und zu schließen. Der Temperatursensor erfasst beispielsweise die Innentemperatur. Wenn die Temperatur den eingestellten Wert überschreitet, löst der Controller das Relais aus, um den Kompressor und den Lüfter zu starten. Bei Unterschreitung des eingestellten Wertes wird die Stromversorgung unterbrochen. Im Frischluftsystem steuert das Relais das Starten und Stoppen des Frischluftgebläses sowie die Einstellung der Luftmenge und verknüpft gleichzeitig das Ein- und Ausschalten des Luftreinigers, um die Raumluftqualität zu verbessern.

(3) Transportsektor

Die elektrischen Systeme von Transportfahrzeugen (Automobile, Züge, Schiffe, Flugzeuge) sind komplex und stellen äußerst hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Vibrationsfestigkeit sowie Hoch- und Tieftemperaturbeständigkeit der Relais. Zu den Kernanwendungen gehören:

Elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen: Relais in Kraftfahrzeugen werden häufig in der Beleuchtungssteuerung, in Startsystemen, Klimaanlagen, Diebstahlsicherungssystemen usw. eingesetzt. Beispielsweise muss die Steuerung von Autoscheinwerfern, Blinkern und Bremslichtern über Relais erfolgen (automobilspezifische Relais sind wasserdicht und vibrationsfest), um zu verhindern, dass die Schalter direkt großen Strömen ausgesetzt werden und durchbrennen. Im Startsystem löst der Zündschalter das Startrelais aus, und der Hochleistungskontakt des Startrelais verbindet die Stromversorgung des Anlassers und treibt den Motor zum Starten an (der Arbeitsstrom des Anlassers kann mehrere hundert Ampere erreichen, und ein Relais ist erforderlich, um eine kleine Stromsteuerung zu erreichen). Darüber hinaus werden die Kompressorkupplung der Autoklimaanlage, der Hubmotor der elektrischen Türen und Fenster, die Alarmanlage der Diebstahlsicherung usw. über Relais gesteuert und geschützt.

Schienenverkehrssysteme: Die elektrischen Steuerungssysteme von Hochgeschwindigkeitszügen, U-Bahnen und anderen Schienenverkehrssystemen basieren auf Relais, um Signalverknüpfung und Sicherheitsschutz zu erreichen. Im Traktionssystem eines Zuges steuern Relais beispielsweise das Anfahren, die Geschwindigkeitsregelung und das Bremsen des Traktionsmotors. In der Signalanlage werden die Erkennungssignale des Gleisstromkreises über Relais in Steuersignale umgewandelt, um eine Abschnittssperrung des Zuges (zur Vermeidung von Auffahrunfällen) zu erreichen. Bei der Türsteuerung verbindet das Relais den Türschaltermotor und die Sicherheitsverriegelung, um sicherzustellen, dass sich die Türen genau dann öffnen und schließen, wenn der Zug am Bahnhof ankommt, und während des Zugbetriebs verriegelt bleiben. Darüber hinaus werden Relais auch zur Steuerung der Klima-, Beleuchtungs- und Lüftungssysteme von Zügen eingesetzt, um den Fahrgastkomfort zu gewährleisten.

Elektrische Systeme von Schiffen und Flugzeugen: Das Energiesystem, das Navigationssystem und das Kommunikationssystem von Schiffen erfordern alle eine Relaissteuerung. Beispielsweise werden das Starten und Stoppen des Hauptmotors eines Schiffes, die Lenksteuerung des Rudergetriebes und der Antrieb von Decksausrüstung (Kräne, Ankerkräne) alle über Relais zur Steuerung von Hochleistungsgeräten mit Niederspannung erreicht, und sie zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie wasserdicht und beständig gegen Salzsprühkorrosion sind. Im Avioniksystem eines Flugzeugs werden Relais zur Steuerung von Geräten wie Triebwerksstart, Ein- und Ausfahren des Fahrwerks, Kabinenklimatisierung und Flugbeleuchtung verwendet. Von ihnen wird eine extrem hohe Zuverlässigkeit (mit extrem geringer Fehlertoleranz) und die Fähigkeit gefordert, extremen Umgebungen (hohe und niedrige Temperaturen, große Höhen und starke Vibrationen) standzuhalten.

(4) Energiesystem und Energiefeld

An die Stromerzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungsverbindungen des Energiesystems werden äußerst hohe Anforderungen an Sicherheit und Stabilität gestellt. Als zentrale Steuerungs- und Schutzkomponenten sorgen Relais für den zuverlässigen Betrieb des Stromnetzes.

Steuerung von Übertragungs- und Verteilungsleitungen: In Hochspannungsübertragungsleitungen werden Relais (z. B. Vakuumrelais und SF6-Relais) zur Schließ- und Öffnungssteuerung der Leitungen verwendet. Das Dispatching-Zentrum veranlasst die Relais über Fernsignale zum Handeln und ermöglicht so eine Fernsteuerung der Übertragungsleitungen. In Verteiltransformatoren werden Relais zum Überlastschutz und zum Gasschutz (bei Öltransformatoren) eingesetzt. Wenn eine Überlastung oder ein interner Fehler im Transformator auftritt, unterbricht das Relais schnell die Stromversorgung, um eine Ausweitung des Fehlers zu verhindern.

Automatisierung von Umspannwerken: Umspannwerke sind die „Knotenpunkte“ des Energiesystems und ihre automatische Steuerung basiert auf einer großen Anzahl von Relais. Das Spannungsrelais überwacht beispielsweise die Busspannung und löst bei zu hoher oder zu niedriger Spannung den Spannungsregler aus. Das Stromrelais überwacht den Leitungsstrom, um einen Überstromschutz zu erreichen. Zeitrelais werden in Wiedereinschaltgeräten eingesetzt (nach Auslösen eines Leitungsfehlers schließen sie nach einer Verzögerung automatisch, um die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu erhöhen). Darüber hinaus werden Relais auch zur Steuerung von Blindleistungskompensationsgeräten in Umspannwerken eingesetzt. Durch das Schalten von Kondensatorbänken regulieren sie den Leistungsfaktor des Stromnetzes und senken den Energieverbrauch.

Neue Energieerzeugungssysteme: In neuen Energieerzeugungssystemen wie Photovoltaik und Windkraft werden Relais zum Schalten von Stromkreisen und zum Sicherheitsschutz verwendet. Beispielsweise muss die netzgekoppelte/netzunabhängige Umschaltung zwischen Photovoltaik-Wechselrichtern und dem Stromnetz über Relais erfolgen. Bei einem Stromnetzausfall unterbricht das Relais schnell den netzgekoppelten Stromkreis, um zu verhindern, dass die Photovoltaikanlage Fehlerströme an das Stromnetz weiterleitet. In Windkraftanlagen steuern Relais das Starten und Stoppen von Windkraftanlagen sowie die Richtung des Giersystems (Verfolgung der Windrichtung). Gleichzeitig schützen Überstromrelais Generatoren, um einen Überlastbetrieb bei zu hohen Windgeschwindigkeiten zu verhindern.

(V) Elektronische Geräte und Kommunikationsbereich

In Präzisionsgeräten wie Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräten und medizinischer Elektronik werden Relais hauptsächlich zur Signalumwandlung, Schaltkreistrennung und Steuerung verwendet. Zu den Kernanwendungen gehören:

Steuerung der Unterhaltungselektronik: In Haushaltsgeräten wie Fernsehern, Waschmaschinen und Kühlschränken werden Relais zum Schalten von Strom, Modus und Fehlerschutz verwendet. So werden beispielsweise Start und Stopp des Wassereinlassventils, der Laugenpumpe und des Motors der Waschmaschine über Relais gesteuert, um die Programmverknüpfung von Waschen, Spülen und Trocknen zu erreichen. Der Start und Stopp des Kompressors des Kühlschranks wird über ein Relais gesteuert. Wenn die Temperatur im Inneren der Box den eingestellten Wert erreicht, unterbricht das Relais die Stromversorgung des Kompressors. Nachdem die Temperatur wieder ansteigt, startet es neu. Das Leistungsrelais des Fernsehgeräts ermöglicht ein schnelles Umschalten zwischen Standby- und Ein-Modus und reduziert so den Standby-Stromverbrauch.

Signalumschaltung von Kommunikationsgeräten: In Kommunikationsgeräten wie Routern, Switches und Basisstationen werden Relais zur Signalverbindungsumschaltung und zum Blitzschutz verwendet. Beispielsweise werden in Basisstationsgeräten Relais zum Schalten von Hochfrequenzsignalen (z. B. zum Umschalten von Primär- und Backup-Verbindungen) verwendet, um die Kontinuität der Kommunikationssignale sicherzustellen. Das Relais im Router dient dem Blitzschutz des Ethernet-Ports. Bei einem Blitzeinschlag schließt das Relais schnell kurz, um den Blitzstrom abzuleiten und so die internen Chips des Geräts zu schützen. In Rechenzentren werden Relais auch zur redundanten Schaltung von Serverstromversorgungen eingesetzt. Bei Ausfall der Hauptstromversorgung wird schnell auf die Notstromversorgung umgeschaltet, um sicherzustellen, dass keine Daten verloren gehen.

Kontrolle medizinischer elektronischer Geräte: Medizinische elektronische Geräte (wie Beatmungsgeräte, Elektrokardiogrammgeräte und Ultraschalldiagnosegeräte) stellen extrem hohe Anforderungen an die elektrische Sicherheit und Stabilität. Relais werden zur Stromkreistrennung und präzisen Steuerung eingesetzt. In einem Beatmungsgerät steuern Relais beispielsweise das Öffnen und Schließen des Luftstromventils und die Einstellung der Sauerstoffabgabemenge. Trennrelais werden verwendet, um elektrische Störungen zwischen dem Steuerkreis und dem Kontaktkreis des Patienten zu verhindern und so die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten. In einem Elektrokardiographen werden Relais zur Signalumschaltung (z. B. zum Umschalten zwischen verschiedenen Ableitungen) verwendet, um die präzise Erfassung von Erkennungssignalen sicherzustellen. Im Stromversorgungssystem medizinischer Geräte werden Relais auch zum Überlastschutz und Auslaufschutz eingesetzt, um zu verhindern, dass Geräteausfälle medizinisches Personal und Patienten schädigen.

(6) Landwirtschaft und Sicherheitsbereiche

Landwirtschaftliche Automatisierungssteuerung: In der modernen Landwirtschaft werden Relais in Bewässerungssystemen, der Gewächshaussteuerung und der Automatisierungssteuerung von Zuchtgeräten eingesetzt. In einem Gewächshaus erkennt beispielsweise ein Feuchtigkeitssensor die Bodenfeuchtigkeit. Wenn die Luftfeuchtigkeit unter den eingestellten Wert fällt, löst ein Relais den Start der Wasserpumpe aus und sorgt so für eine automatische Bewässerung. Der Temperatursensor steuert das Ein- und Ausschalten der Heizlampen und Lüftungsventilatoren, um eine konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus aufrechtzuerhalten. In der Aquakultur steuern Relais das Starten und Stoppen von Belüftern (die automatisch starten, wenn der gelöste Sauerstoff im Wasser nicht ausreicht) und die zeitgesteuerte Fütterung von Futtertrögen, wodurch die Effizienz der Aquakultur gesteigert wird.

Sicherheitsüberwachungssystem: In Sicherheitssystemen werden Relais für die Verbindung zwischen Alarmgeräten und Aktoren verwendet. Wenn beispielsweise Infrarotdetektoren und magnetische Tür- und Fenstersensoren illegale Eindringlinge erkennen, lösen sie Relaisaktionen aus, die wiederum Ton- und Lichtalarme auslösen, Überwachungskameras zum Aufzeichnen von Videos und Zutrittskontrollsysteme zum Verriegeln auslösen. An wichtigen Orten wie Banken und Museen können Relais auch an das Brandschutzsystem und Notdurchgangstüren angeschlossen werden. Im Notfall öffnen sie automatisch den Notdurchgang und unterbrechen gleichzeitig unnötige Stromquellen.