Schütze und Relais

Schütz und Relais sind beide elektromagnetisch betätigte Schalter. Das heißt: Sie haben eine Spule, die ein Magnetfeld erzeugt, einen beweglichen Anker, der von diesem Feld angezogen wird, und Kontakte, die sich durch die Ankerbewegung öffnen oder schließen. Das Prinzip ist identisch — der Unterschied liegt im Einsatzgebiet.

Ein Schütz ist für den Lastkreis gebaut. Es schaltet Ströme von einigen Ampere bis weit über 1000 A, hat typischerweise drei Hauptkontakte (für Drehstrom) und eine Lichtbogenlöschkammer über den Hauptkontakten. Schütze werden überall dort eingesetzt, wo Motoren, Heizungen oder andere große Verbraucher unter Spannung geschaltet werden — beim Kompressor in der Werkhalle ebenso wie bei der Förderbandsteuerung in der Logistik.

Ein Relais ist für den Steuerstromkreis gedacht. Es schaltet kleine Ströme (Milliampere bis wenige Ampere), hat oft mehrere Wechslerkontakte und braucht keine aufwendige Lichtbogenlöschung. Relais sitzen in Steuerungen, in Schutzgeräten und in elektronischen Baugruppen. Sie sind kompakt, schnell und vergleichsweise günstig.

Die wichtigste Idee dahinter: Mit einem kleinen Steuerstrom lässt sich ein großer Laststrom schalten. Ein Bediener betätigt einen Taster mit 24 V, das Schütz zieht an und legt 400 V auf einen 7,5-kW-Motor. Steuerstromkreis und Hauptstromkreis sind dadurch sauber getrennt — was sowohl die Sicherheit als auch die Übersichtlichkeit erhöht.

Ein Schütz besteht aus wenigen, klar abgegrenzten Baugruppen. Das Magnetsystem umfasst die Spule, den festen Magnetkern (das Joch) und den beweglichen Anker. Eine Rückstellfeder drückt den Anker in die Ruhelage zurück, sobald die Spule stromlos ist. An den Anker gekoppelt ist die Kontaktbrücke mit den Hauptkontakten und den Hilfskontakten. Über den Hauptkontakten sitzt eine Lichtbogenlöschkammer, die den beim Öffnen entstehenden Lichtbogen aufteilt und schnell zum Erlöschen bringt.

Der Ablauf: Spule unter Spannung → Magnetfeld baut sich im Eisenkern auf → Anker wird angezogen und legt sich an das Joch → Kontaktbrücke folgt der Bewegung → Schließerkontakte gehen zu, Öfffnerkontakte gehen auf. Spannung weg → Magnetfeld bricht zusammen → Rückstellfeder drückt den Anker zurück → Kontakte gehen in die Ruhelage.

Zwei Begriffe sind dabei zentral: Die Anzugsspannung ist die Mindestspannung, bei der das Schütz sicher anzieht (typisch 85 % der Nennspannung). Die Abfallspannung ist die Spannung, unter der das Schütz sicher abfällt (deutlich niedriger, oft 20–75 % der Nennspannung). Dazwischen liegt ein Bereich, in dem der Zustand mechanisch unsicher wird — etwas, das man bei abgesoffenen Netzspannungen oder zu langen Steuerleitungen im Hinterkopf haben muss.

AC-Schütz und DC-Schütz

Bei einem AC-Schütz durchläuft der Spulenstrom 100-mal pro Sekunde den Nullpunkt (bei 50 Hz). Ohne Gegenmaßnahme würde der Anker im gleichen Takt zurückfedern — das Schütz würde laut brummen und mechanisch schnell verschleißen. Die Lösung ist ein Kurzschlussring (auch Frager- oder Kurzschlussring genannt), der in den Polschuhen eingelassen ist. In ihm wird durch Induktion ein phasenverschobener Strom erzeugt, der ein zeitversetztes Restmagnetfeld aufrechterhält und den Anker auch im Nulldurchgang sicher hält.

Ein DC-Schütz hat dieses Problem nicht — der Gleichstrom durch die Spule erzeugt ein konstantes Magnetfeld. Dafür gibt es eine andere Herausforderung: Der Lichtbogen beim Abschalten erlischt nicht von selbst, weil es keinen Nulldurchgang gibt. DC-Schütze brauchen deshalb stärkere Lichtbogenlöschkammern, oft mit magnetischer Blasung, und sind bei gleicher Schaltleistung größer und teurer als AC-Schütze.

Lichtbogen und Löschung

Wenn ein Schütz unter Last öffnet, springt zwischen den sich trennenden Kontakten ein Lichtbogen über. Bei niedrigen Spannungen reißt er von selbst ab, bei höheren Spannungen oder induktiven Lasten kann er sich halten und Kontakte verbrennen. Die Lichtbogenlöschkammer enthält Löschbleche aus magnetisierbarem Stahl, die den Lichtbogen aufteilen und nach oben aus dem Kontaktbereich herausziehen. Bei guten Schützen passiert das in wenigen Millisekunden.

Damit jeder, der vor einem Schütz steht, sofort weiß, welche Klemme welche Funktion hat, ist die Bezeichnung normiert. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Kontaktgruppen: Hauptkontakte für den Lastkreis und Hilfskontakte für den Steuerkreis. Beide werden anders nummeriert.

Hauptkontakte

Die Hauptkontakte sind die „großen“ Kontakte, die den Motor- oder Heizstrom schalten. Sie sind als Schließer ausgeführt — in Ruhestellung offen, bei erregter Spule geschlossen. Die Klemmen sind einstellig nummeriert:

Die ungeraden Zahlen liegen oben (Einspeisung vom Netz, üblicherweise L1/L2/L3), die geraden Zahlen unten (Abgang zur Last). Bei einem vierpoligen Schütz (z. B. mit zusätzlichem Neutralleiter-Schaltkontakt) kommen 7/8 dazu.

Hilfskontakte

Hilfskontakte sind die „kleinen“ Kontakte, die in der Steuerung mitarbeiten — etwa für eine Selbsthaltung, eine Verriegelung oder eine Rückmeldung. Sie haben eine zweistellige Funktionsziffer:

• Erste Ziffer: laufende Nummer des Hilfskontakts (1, 2, 3, 4…)
• Zweite Ziffer (Endziffer): Funktion
  1/2 → Öffner (in Ruhe geschlossen)
  3/4 → Schließer (in Ruhe offen)

Ein Beispiel: Ein Schütz hat die Hilfskontakte 13/14, 21/22, 33/34, 43/44. Daraus lese ich ab:

• 13/14 = erster Hilfskontakt, Schließer (Endziffer 3/4)
• 21/22 = zweiter Hilfskontakt, Öffner (Endziffer 1/2)
• 33/34 = dritter Hilfskontakt, Schließer
• 43/44 = vierter Hilfskontakt, Schließer

Das System ist über Geräte­hersteller hinweg gleich und in den entsprechenden Schaltgeräte-Normen festgelegt. Damit kann ein Elektrotechniker einen Schaltplan eines anderen Herstellers ohne Übersetzungstabelle lesen.

Wechslerkontakte

Bei Relais und kleineren Hilfsschützen sind oft Wechsler verbaut: ein gemeinsamer Mittelkontakt, der in Ruhe auf einem Öffneranschluss aufliegt und beim Anziehen auf den Schließer wechselt. Die Bezeichnung folgt dasselbe System — die Klemmen werden mit drei Ziffern beschrieben, etwa 11/12/14, wobei 11 der Mittelkontakt, 12 der Öffner und 14 der Schließer ist.

Spule

Die Klemmen der Schützspule heißen immer A1 und A2. A1 liegt üblicherweise oben am Schütz, A2 unten — daran sieht man auf den ersten Blick, an welche Klemme die Steuerspannung kommt.

Gerätekennzeichnung im Schaltplan

Im Stromlaufplan wird das Schütz mit einem Buchstaben und einer fortlaufenden Nummer benannt: K steht traditionell für Schütze und Hilfsschütze (Hauptschütz oft K1, Hilfsschütz K2 usw.). Schutzgeräte bekommen ein F (Sicherung F1, Motorschutzrelais F2). Diese Kennzeichnung steht direkt neben dem Schaltzeichen und ordnet jedes Bauteil eindeutig zu.

Ein Stromlaufplan eines schützgesteuerten Antriebs ist in zwei Bereiche geteilt: den Hauptstromkreis und den Steuerstromkreis. Im Hauptstromkreis stehen die Energieführungen — Sicherungen, Motorschutzrelais, die drei Hauptkontakte des Schützes und der Motor. Im Steuerstromkreis findet die Logik statt — Taster, Hilfskontakte, die Schützspule, eventuell Meldeleuchten.

Schaltzeichen nach IEC 60617

Die Schaltzeichen sind in der Norm IEC 60617 festgelegt, die in Österreich als ÖNORM EN 60617 gilt. Die wichtigsten Symbole für Schützsteuerungen:

Wichtig: Schaltzeichen werden immer in der Ruhelage dargestellt — so, wie das Schütz unerregt steht. Wer einen Schaltplan liest, muss sich also vorstellen, was passiert, wenn die Spule unter Spannung kommt.

Strompfadnummerierung

Jeder vertikale Strang im Steuerstromkreis bekommt eine fortlaufende Strompfadnummer (1, 2, 3, …). Diese Nummern stehen am unteren Rand des Schaltplans und helfen dabei, Kontakte und Bauteile eindeutig zu lokalisieren. Wer in einem komplexen Plan einen bestimmten Hilfskontakt sucht, geht über die Strompfadnummer und nicht über Koordinaten.

Kontaktspiegel

Hier kommt eine wirklich nützliche Konvention: Unter dem Symbol der Schützspule wird tabellarisch dargestellt, wo welche Hilfs- und Hauptkontakte dieses Schützes im Plan liegen. Das ist der Kontaktspiegel (auch Kontaktzuordnungstabelle).

Ein Beispiel: Unter der Spule des Schützes K1 stehen drei Zeilen mit Strompfadnummern. Daneben jeweils das Kontaktzeichen — Schließer oder Öffner. So weiß man auf einen Blick, dass etwa der Schließer 13/14 von K1 im Strompfad 3 liegt und der Öffner 21/22 im Strompfad 5. Ohne Kontaktspiegel müsste man den kompletten Plan durchsuchen — mit Kontaktspiegel ist es eine Frage von Sekunden.

Ein Schütz, das eine Heizung schaltet, beansprucht seine Kontakte ganz anders als eines, das einen Motor startet. Bei der Heizung fließt von Anfang an der Nennstrom, beim Motor zuerst der vielfache Anlaufstrom. Damit man weiß, welches Schütz für welche Aufgabe geeignet ist, definieren die Normen sogenannte Gebrauchskategorien.

Die wichtigsten Gebrauchskategorien

Bei jedem Schütz steht auf dem Typenschild eine Bemessungsangabe für mehrere Kategorien. Ein Beispiel: „Ie AC-3 400 V 25 A“ bedeutet — bei 400 V Drehstrom und einer Anwendung der Kategorie AC-3 darf das Schütz mit 25 A Motornennstrom belastet werden. Dieselbe Schützausführung kann bei AC-1 deutlich mehr Strom schalten (z. B. 40 A), weil dort der Anlaufstrom fehlt.

Auslegung für AC-3 (Motoren)

Der häufigste Fall in der Praxis ist die Auslegung für einen Drehstrom-Asynchronmotor. Vorgehen:

1. Motornennstrom aus den Typenschilddaten berechnen oder ablesen.
2. Schütz mit einem Bemessungsbetriebsstrom in AC-3 wählen, der mindestens dem Motornennstrom entspricht.

Die Norm berücksichtigt intern den ca. 5- bis 7-fachen Anlaufstrom — der Anwender muss diesen also nicht draufrechnen. Das ist eine häufige Fehlerquelle: Wer in der Auslegung den Anlaufstrom „extra“ addiert, bekommt ein zu großes (und zu teures) Schütz.

Auslegung für AC-4 (Tippbetrieb, Reversieren)

Bei AC-4 wird der Motor häufig unter Last geschaltet und reversiert — die Kontakte werden mechanisch und elektrisch viel stärker beansprucht. Ein Schütz, das für AC-3 mit 25 A geeignet ist, schafft in AC-4 oft nur noch 8 bis 12 A. Bei Reversierbetrieb wird deshalb meist ein Schütz eine bis zwei Baugrößen größer gewählt als für reinen AC-3.

Schaltlebensdauer

Jedes Schütz hat zwei Lebensdauerangaben: die mechanische Schaltspielzahl (typisch einige Millionen, ohne Last) und die elektrische Schaltspielzahl (deutlich weniger, hängt stark von der Gebrauchskategorie ab). Bei AC-3 sind oft mehrere hunderttausend Schaltspiele möglich, bei AC-4 entsprechend weniger. Ein Schütz, das pro Minute mehrmals reversiert, ist nach wenigen Monaten am Lebens­ende — das muss bei der Auslegung mitbedacht werden.

Im typischen Schaltschrank für eine Antriebssteuerung sieht die Aufgabenteilung so aus: Das Hauptschütz K1 schaltet den Motor — drei Hauptkontakte und mindestens ein Hilfskontakt für die Selbsthaltung. Davor sits eine Sicherung F1, dahinter ein Motorschutzrelais F2 zur Überlastüberwachung. In der Steuerung arbeiten Hilfsrelais und eventuell Zeitrelais mit, die Logikfunktionen abbilden — Verzögerungen, Verriegelungen, Verknüpfungen.

Der Steuerstromkreis ist dabei elektrisch meist auf 24 V Gleichspannung oder 230 V Wechselspannung ausgelegt — niedrig genug, um sicher und übersichtlich zu sein, hoch genug, damit Steuerleitungen über mehrere Meter ohne Spannungsabfallprobleme funktionieren. Der Hauptstromkreis arbeitet mit 400 V Drehstrom.

Ausblick auf typische Schaltungen

Schütze und Relais sind die Bauteile — die wirklich interessanten Anwendungen sind die Schaltungen, die man daraus baut. Ein paar Stichworte, jeweils mit eigenständigen Beiträgen:

• Selbsthaltung: Das Schütz hält sich nach kurzem Tasterdruck über einen eigenen Hilfskontakt selbst unter Spannung — bis ein Aus-Taster den Stromkreis unterbricht.
• Verriegelung: Zwei Schütze dürfen nicht gleichzeitig anziehen (z. B. bei einem Wendeschütz). Das wird durch Öffnerkontakte des jeweils anderen Schützes im Steuerkreis erzwungen.
• Direkteinschaltung (DOL): Der Motor wird direkt mit der vollen Netzspannung gestartet — einfachste und häufigste Schaltung bei kleineren Motoren.
• Wendeschützschaltung: Zwei Schütze mit vertauschten Phasen ermöglichen Rechts- und Linkslauf.
• Stern-Dreieck-Schaltung: Ein klassisches Anlaufverfahren für größere Motoren mit reduziertem Anlaufstrom.
• Zeitrelais: Hilfsschütze mit zeitlich verzögertem Anzug oder Abfall — die Grundlage für Stern-Dreieck-Umschaltungen und vergleichbare Sequenzen.

Jede dieser Schaltungen baut auf den Grundlagen aus diesem Beitrag auf — Kontaktbezeichnungen, Spulen­ansteuerung, Strompfade.

Typische Fehlerbilder

Ein paar Bilder, die jeder Elektrotechniker in der Praxis trifft:

• Verschweißte Hauptkontakte: Zu hoher Schaltstrom, zu häufiges Schalten unter Last oder ein Kurzschluss hat die Kontakte miteinander verschmolzen. Das Schütz fällt trotz Spannungswegnahme nicht mehr ab — gefährlich, weil der Motor nicht mehr abgeschaltet werden kann. Ersatz, nicht Reparatur.
• Spulendefekt: Die Spule ist durchgebrannt (Überspannung, Kurzschluss). Das Schütz zieht nicht mehr an. Messung mit dem Multimeter: A1/A2 sollte einen typischen Spulenwiderstand zeigen — bei einer durchgebrannten Spule fließt kein Strom oder es liegt ein Kurzschluss vor.
• Brummen oder Klappern: Mechanisches Problem — Anker liegt nicht sauber auf, Kurzschlussring defekt, Steuerspannung zu niedrig.
• Schütz fällt nicht ab: Anker mechanisch geklemmt (Schmutz, verbogen) oder Hilfskontakt eines Selbsthalte­kreises hängt elektrisch fest.

Schütze und Relais schützen übrigens nicht vor Überlast oder Kurzschluss — das ist eine häufige Verwechslung. Für den Schutz vor Überlast braucht es ein Motorschutzrelais (eigener Beitrag), für den Schutz vor Kurzschluss eine Sicherung oder einen Leitungsschutzschalter.