Flinke Leistungswächter

Sicherheit - Geräteschutzschalter schützen Maschinen in vielen Industriebereichen. Unterschiedliche Funktionsprinzipien ermöglichen zahlreiche Einsatzfelder.

16. Oktober 2007

Jede elektrische Einrichtung nimmt früher oder später Schaden, wenn die anliegende elektrische Spannung oder die Stromstärke bestimmte Grenzen überschreitet. Zum Schutz vor Überlastung enthalten solche Einrichtungen deshalb in der Regel so genannte Geräteschutzschalter, um sie rechtzeitig vom Netz zu trennen. Am weitesten verbreitet sind Geräteschutzschalter mit einem thermischen Auslöseprinzip. Zentrales Element dieser Schutzschalter ist meist ein Bimetall aus zwei bis drei aufeinander gewalzten Metallstreifen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wodurch bei Erwärmung eine Biegung erzwungen wird. Die zur Auslösung notwendige Kraft wird dabei umso schneller erreicht, je mehr Strom durch das Bimetall fließt. Damit ergibt sich die typische diagonal verlaufende Kennlinie thermischer Geräte. Übersteigt der Strom bestimmte Grenzwerte, kommt es jedoch zur Deformierung oder zum Schmelzen des Bimetalls, bevor die Schaltkontakte den Strom unterbrechen. Thermische Geräte leisten daher zwar einen guten Überlastschutz, jedoch nur einen bedingten Kurzschlussschutz.

Zum Einsatz kommen sie beispielsweise als einseitig eingespannte Bimetallstreifen, die direkt vom Strom durchflossen werden oder indirekt über eine Heizwicklung oder einen PTC erwärmt werden. Kugel- oder zylinderförmig gewölbte Bimetallscheiben können bei einer definierten Temperatur aufschnappen. Schutzschalter mit solchen »Schnappscheiben« lassen sich sehr kostengünstig gestalten und werden in hohen Stückzahlen produziert.

Für besonders kleine Baugrößen, wie sie etwa im Luftfahrtbereich notwendig sind, gibt es spezielle mäander- oder U-förmige Bimetalle, die sich besonders schnell erwärmen und bei hohen Strömen dynamische Effekte ausnutzen, mit denen sich die notwendigen Auslösewege und Abschaltleistungen erzielen lassen.

Eingebaute Kompensation

Zur Kompensation der Umgebungstemperatur in einem weiten Bereich (55 bis + 125 °C) dient ein zweites Bimetall, das nicht vom Strom durchflossen ist. Das Verschweißen der Kontakte beim Aufschalten auf anstehende Kurzschlussströme gewährleistet, dass die Schließgeschwindigkeit der Kontakte unabhängig ist von der Betätigungsgeschwindigkeit.

Ein anderes thermisches Prinzip nutzt den höheren Ausdehnungskoeffizienten spezieller Metalle, um die Kontaktstücke zu öffnen. Dabei fließt der Strom durch einen zwischen zwei Federn gelagerten Draht aus diesem Werkstoff, der sich ausdehnt und das Element bei Erreichen einer bestimmten Temperatur umschnappen lässt.

Besonders schnell schalten Geräte mit einem magnetischen Auslöser. Bei diesen Geräten erzeugt eine Spule ein Magnetfeld, das auf einen beweglich gelagerten Tauch- oder Klappanker eine Kraft ausübt, der das Schaltschloss innerhalb weniger Millisekunden entklinkt. Die Kennlinie solcher Geräte weist also keinen verzögerten Bereich auf. Entsprechend höher ist das Abschaltvermögen bei großen Strömen. Derartige Kennlinien benötigt man z. B. zum Schutz von Leistungshalbleitern. Die Beherrschung von Kurzschlussströmen mit mehreren tausend Ampere erfordert allerdings zusätzliche Maßnahmen zur Löschung des Lichtbogens.

Magnete zur Verstärkung

Bringt man einen Permanentmagnet in den magnetischen Auslösekreis ein, lässt sich das Schaltschloss einsparen. In der Einschaltstellung erzeugt der Dauermagnet in diesem Falle eine permanente Haltekraft am Anker und gleichzeitig eine definierte Kontaktkraft, da mit dem Anker eine Kontaktfeder fest verbunden ist.

Die Spule erzeugt ein dem Fluss des Dauermagneten entgegengerichtetes Magnetfeld, das bei einem definierten Strom den Fluss des Permanentmagneten komplett kompensiert, sodass die Kontaktdruck-Feder den Anker nach oben bewegt und innerhalb von 10 Millisekunden auslöst. Aufgrund der Abhängigkeit von der Stromrichtung eignet sich eine solche Lösung nur für den Einsatz bei Gleichspannung. Eine typische Anwendung ist der Schutz von elektronischen Schaltungen.

Schneller Schutz

Durch Kombination eines thermischen und eines magnetischen Auslösesystems erhält man ein sogenanntes thermisch- magnetisches Gerät. In diesem Falle wirken ein Thermo- Bimetall und ein Magnetsystem mit Zuganker unabhängig voneinander auf den Auslösehebel ein. Durch eine elektrische Reihenschaltung beider Auslöseelemente erhält man eine thermisch-magnetische Kennlinie. Durch die mechanisch, thermisch und magnetisch beinahe vollständig entkoppelten Systeme ergibt sich oberhalb einer bestimmten Stromstärke der typische senkrechte Verlauf der Kennlinie einer magnetischen Auslösung, die das Schaltschloss deutlich vor der thermisch wirksamen Auslösung entklinkt. Nach rechts oder links verschieben lässt sich der Strombereich, in dem die magnetische Auslösung wirksam wird, durch Variation der Windungszahl - die Kennlinie wird dabei magnetisch träger bzw. flinker. Thermischmagnetische Schutzschalter bieten damit gleichzeitig einen komfortablen Überlastschutz im Bereich der thermischen Auslösung sowie die kurze Gesamtabschaltzeit der magnetischen Auslösung von drei bis zehn Millisekunden, um hohe Kurzschlussströme sicher zu beherrschen. Eine typische Anwendung ist zum Beispiel der selektive Schutz von Netzteilen und Leitungen im Anlagenbau.

Verzögerung nach Wunsch

Noch mehr Variabilität bieten magnetisch-hydraulische Systeme. Bei diesen befindet sich innerhalb einer stromdurchflossenen Spulenwicklung eine Röhre, die mit Silikonöl gefüllt ist und einen beweglichen Eisenkern enthält. Dieser richtet sich durch die Lorentz-Kraft mittig zur Spule aus und schließt dadurch den magnetischen Kreis nach einer durch die Viskosität des Öles beeinflussbaren Zeit. Ein Klappanker wird bewegt und löst die Verklinkung. Dadurch erreicht man ein verzögertes Ansprechen des Gerätes ähnlich dem von thermischen Schutzschaltern. Steigt der Strom - wie im Kurzschlussfall - sehr schnell an, entsteht sofort ein genügend großes Magnetfeld, um den Klappanker zu bewegen, und das Gerät löst innerhalb von Millisekunden aus.

Die Kennlinien solcher Systeme bestehen damit typischerweise aus einem verzögerten und einem unverzögerten Bereich. Anders als bei den thermischmagnetischen Geräten verläuft der Übergang zwischen verzögertem und unverzögertem Bereich jedoch nicht senkrecht, da durch die mechanische Trägheit des Kerns, durch Reibungseffekte und durch die Dämpfung des Öles der zur Auslösung notwendige magnetische Fluss schon erreicht wird, bevor der Kern komplett in die Spule hineinbewegt wurde.

Durch Variation der Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit und dem Produkt aus Nennstrom und Windungszahl der Spule - der sogenannten Amperewindungszahl - lassen sich damit relativ einfach die verschiedensten Kennlinien realisieren und applikationsorientiert anpassen. Eine typische Anwendung dieser Geräte ist beispielsweise der Schutz von Stromversorgungen im Telekommunikationsbereich.

Bei Schaltgeräten sind mechanische Lösungen nach wie vor sehr viel weiter verbreitet als rein elektronische Systeme - hauptsächlich, weil sie bei gleicher Baugröße eine geringere Verlustleistung aufweisen, eine galvanische Trennung sicherstellen und zudem extrem unempfindlich sind gegenüber elektromagnetischen Störungen. Durch die Kombination von Elektronik und Mechanik in einem Gerät lassen sich jedoch die Vorteile beider Techniken wirkungsvoll ausnutzen. Zu den genannten Vorteilen der Mechanik summieren sich dann diejenigen von elektronischen Komponenten wie schnelle Reaktionszeiten und eine gewisse »Intelligenz« vor Ort. So lässt sich das mechanische System beispielsweise mittels eines bi stabilen Magnetsystems mit sehr energiearmen Stromimpulsen ferngesteuert ein- und ausschalten. Zum Einsatz kommen solche sogenannten RCCBs (Remote Control Circuit Breakers) zum Beispiel zur Absicherung von Notstromversorgungen in Passagierflugzeugen.

Elektronik macht flexibel

Ein Vorteil von rein elektronischen Schutzschaltern ist die selektive Abschaltung unter allen Betriebsbedingungen (z. B. lange Lastleistungen) durch eine aktive Strombegrenzung. Spezifische Abschaltkennlinien von Schaltnetzteilen können dabei unberücksichtigt bleiben, da ein Einbrechen oder Abregeln der Betriebsspannung bei Überlast verhindert wird. Auch die oft problematische Absicherung von elektronischen Geräten mit großen Eingangskapazitäten lässt sich mit einem solchen Gerät zuverlässig lösen. Zusatzfunktionen wie die Anzeige des Betriebszustandes sind bei einem elektronischen Schutzschalter leicht zu implementieren. Auch eine galvanische Trennung lässt sich durch Vorschalten eines Schutzkontaktes realisieren. Eine typische Anwendung ist der Schutz von Schaltnetzteilen in der Anlagentechnik.

Peter Meckler, E-T-A GmbH/bt

Fakten

- Die E-T-A GmbH in Altdorf bei Nürnberg gehört zu den international führenden Herstellern von Geräteschutzschaltern und Systemlösungen im Bereich Schützen, Schalten und Überwachen.

- Die Aktivitäten des Unternehmens betrifft die Geschäftsfelder Transport, Telekommunikation, Automatisierungstechnik und Equipment.

Erschienen in Ausgabe: 07/2007