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Oct 30, 2023

Innovation zur Stromunterbrechung verbessert elektromagnetischen Schalter

2. November 2015 von

2. November 2015

von ETRI

Forscher in Korea haben eine 100 Jahre alte technologische Beschränkung überwunden, indem sie das weltweit erste Mott-Gerät hergestellt haben, das die Größe reduziert und die Leistung herkömmlicher elektromagnetischer Schalter und Leistungsschalter erhöht.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Hyun-Tak Kim vom koreanischen Forschungsinstitut für Elektronik und Telekommunikation hat eine innovative Stromunterbrechungstechnologie entwickelt, die auf einem Mott-Metall-Isolator-Übergangsgerät (Mott MIT) basiert.

Das Mott MIT bezeichnet das Phänomen, dass ein Mott-Isolator abrupt in ein Metall umgewandelt wird oder umgekehrt, ohne dass der strukturelle Phasenübergang erfolgt. Das Forschungsteam hat zuvor einen kritischen Temperaturschalter (CTS) (oder MIT-Gerät) von Mott MIT entwickelt, der einen Steuerstrom (oder ein Signal) bei einer kritischen Temperatur zwischen 67 °C und 85 °C erzeugt, was die einzigartige Eigenschaft von Vanadiumdioxid darstellt. Danach wurden die MIT-Geräte auf einige Arten elektromagnetischer Schalter angewendet, die im Falle eines Überstroms den elektrischen Strom unterbrechen.

Ein herkömmlicher elektromagnetischer Schalter, der die Aufgabe übernimmt, den Strom durch mechanisches Schalten zu unterbrechen, wenn er einen Überstrom leitet, besteht sowohl aus einem Elektromagneten, dem sogenannten Magnetschütz, der die Signale der Hauptstromversorgung verbindet oder trennt, als auch aus dem thermischen Überlastrelais mit einem Ein-/Ausschalter. Ausschaltfunktion temperaturgesteuert. Das Überlastrelais besteht sowohl aus einem teuren, empfindlichen mechanischen Schalter mit großen Abmessungen als auch aus einem Bimetall, das aus zwei separaten Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, die miteinander verbunden sind. Das Bimetall hat die Eigenschaft, sich bei Hitzeeinwirkung in jede Richtung zu biegen. Die Biegekraft des Bimetalls steuert den mechanischen Schalter und bewirkt das Ein-Aus-Schalten; dies wurde als „hundertjährige Technologie der Stromunterbrechung“ bezeichnet; Westinghouse meldete 1924 das Patentrecht für einen Leistungsschalter mit Bimetall an. Allerdings verändert das Bimetall im Laufe einer langfristigen Nutzung seine Biegeeigenschaften. Dadurch sinkt die Genauigkeit des Überlastrelais. Schließlich wird auch die Leistung des elektromagnetischen Schalters verschlechtert; Dies ist ein schwerwiegendes Problem des bestehenden herkömmlichen elektromagnetischen Schalters.

Um das Problem zu lösen, nutzt das Forschungsteam das MIT-CTS anstelle des Bimetalls als Sensor für den Ein-Aus-Schalter. In diesem Fall wird der mechanische Schalter durch einen einfachen Stromkreis ersetzt, der den Elektromagneten steuert, was bedeutet, dass die mechanische Schaltung in eine elektronische umgewandelt wird. Daher wird das MIT-Überlastrelais durch den Wegfall des großen mechanischen Schalters kleiner und verfügt über eine langfristige Genauigkeit unabhängig von der Umgebungstemperatur. Dementsprechend verfügt der elektromagnetische MIT-Schalter über eine zuverlässige und genaue elektronische Schaltcharakteristik.

Das Forschungsteam bestätigte, dass der entwickelte elektromagnetische MIT-Schalter die Betriebsbedingungen des Überlastrelais gemäß einer koreanischen Technologienorm, Artikel 5.6, KSC 4504, erfüllt, die mit der internationalen Norm 60947-4-1 kompatibel ist. Durch Experimente überprüfte das Team außerdem, dass der Leistungsschalter mit Bimetall, der unter 1 kV Wechselstrom betrieben wird, durch einen Leistungsschalter mit der entwickelten elektromagnetischen Schalttechnologie des MIT ersetzt werden kann.

Ein Marktbericht zum Thema „The World Market For Transmission & Distribution Equipment and Systems“ (Gould Report, 2013) gab bekannt, dass der Umsatz der weltweiten Märkte für Leistungsschalter und Leistungsschalter im Jahr 2016 etwa 29,5 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

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