Wie funktioniert ein magnetischer Schutzschalter? Auslösemechanismus und Kurven

Magnetische Schutzschalter bieten präzisen und zuverlässigen Überstromschutz für eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Geräte. Sie werden häufig dort eingesetzt, wo zuverlässige Leistung, Schutz der Ausrüstung und eine schnelle Trennung von Kurzschlüssen erforderlich sind.

Im Folgenden erfahren Sie, wie ein magnetischer Schutzschalter funktioniert: wie er einen Fehler erkennt, was im Gehäuse passiert, wenn er auslöst, und wie Sie das richtige Gerät für anspruchsvolle elektrische Umgebungen auswählen.

Was ist ein magnetischer Schutzschalter?

Ein magnetischer Schutzschalter ist ein Schutzsystem, das den Strom abschaltet, wenn ein bestimmter abnormaler Zustand auftritt, beispielsweise ein Kurzschluss oder ein plötzlicher Stromanstieg. Ein magnetischer Schutzschalter unterscheidet sich von gewöhnlichen Ein-/Aus-Schaltern darin, dass keine Person das Problem erkennen und den Schalter ausschalten muss; Es erkennt das Problem und trennt die Verbindung selbstständig, meist innerhalb von Millisekunden.

Die zwei Mechanismen hinter dem Schalter

Die meisten Leistungsschalter, die für den industriellen und gewerblichen Einsatz vermarktet werden, sind nicht rein magnetisch. Sie kombinieren einen magnetischen Auslösemechanismus mit einem thermischen und behandeln jeweils eine andere Art von Fehler.

Der thermische Mechanismus: Reaktion auf Überlastungen

Das Thermoelement besteht aus einem Bimetallstreifen , d. h. zwei Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung, die miteinander verbunden sind. Der Streifen erwärmt sich, wenn Strom direkt proportional zum Quadrat des Stromwerts durch ihn fließt. Unter normalen Arbeitsbedingungen ist die Erwärmung unbedeutend; Im Falle einer Überlastung wird das Metallband jedoch schneller überhitzt, als es Wärme verlieren kann, und verbiegt sich aufgrund der Tatsache, dass die beiden Metalle unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben.

Sobald der Bimetallstreifen in einem bestimmten Winkel gebogen ist, beginnt er, auf den Schaltmechanismus einzuwirken und die Kontakte zu öffnen. Die Reaktionszeit ist absichtlich langsam, da ein thermischer Auslöser für die Bewältigung vorübergehender Stromstöße (z. B. beim Anlaufen eines Motors) ausgelegt ist, aber Schutz vor Überlastung bietet.

Der magnetische Mechanismus: Reaktion auf Kurzschlüsse

Das magnetische Element funktioniert nach einem ganz anderen Prinzip. Dabei wird eine elektromagnetische Spule (manchmal auch Magnetspule genannt) verwendet, die um einen Kolben oder Anker gewickelt ist. Bei normalem Strom ist das von der Spule erzeugte Magnetfeld nicht stark genug, um den Kolben zu bewegen. Während eines Kurzschlusses kann der Strom fast augenblicklich auf ein Vielfaches des Nennwerts ansteigen, und das resultierende Magnetfeld ist stark genug, um den Kolben mit ausreichender Kraft zu ziehen, um die Auslöseverriegelung zu lösen.

Dieses Funktionsprinzip gibt dem Gerät seinen Namen und ist deutlich schneller als der thermische Pfad: Auslösezeiten werden in Millisekunden gemessen . Diese Geschwindigkeit verhindert, dass ein Kurzschluss zu einem Lichtbogen, einer Beschädigung der Ausrüstung oder einem Brand führt.

Im Inneren des Leistungsschalters: Schlüsselkomponenten, die dafür sorgen, dass er funktioniert

• Bimetallstreifen: Der oben beschriebene Wärmesensor, kalibriert auf eine bestimmte Stromstärke und Auslösekurve.

• Elektromagnetische Spule (Auslösespule): Die Komponente, die das Magnetfeld erzeugt, das auf jede schnelle Änderung des Stromflusses reagiert.

• Auslöseeinheit und Verriegelungsmechanismus: der physikalische Mechanismus, der thermische Verformung oder magnetische Anziehung in die Bewegung von Kontakten auseinander umwandelt. Daher ist diese Baugruppe federbetrieben und funktioniert unabhängig davon, wie schnell der Fehlerstrom abnimmt.

• Feste und bewegliche Kontakte: der tatsächliche Punkt, an dem der Stromfluss unterbrochen wird. Aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen Lochfraß durch Lichtbögen bestehen sie aus einer Silberlegierung.

• Lichtbogenkammer (Lichtbogenlöscher): Die Anordnung von Metallplatten, die den beim Trennen der Kontakte unter Lastbedingungen entstehenden Lichtbogen bricht und löscht. Wäre keine Lichtbogenkammer vorhanden, hätte sich der Lichtbogen möglicherweise selbst aufrechterhalten und eine vollständige Unterbrechung des Stromkreises verhindert – was bei Anwendungen mit hohem Fehlerstrom eine ernsthafte Gefahr darstellen würde.

• Bediengriff: der externe Mechanismus zur manuellen Ein-/Aus-Steuerung und zur Anzeige des Auslösestatus, normalerweise mit einer eindeutigen „ausgelösten“ Position, getrennt von „aus“.

Schritt-für-Schritt: Was passiert, wenn ein Fehler auftritt

Bei einem Kurzschluss:

• Schritt 1: Fehlerstromspitzen. Der Fehlerstrom steigt schnell bis zum Mehrfachen des Nennstroms an.

• Schritt 2: Die Spule reagiert. Die nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitende Spule entwickelt durch den Stromstoß ein starkes Magnetfeld.

• Schritt 3: Der Kolben bewegt sich. Das Feld erzeugt eine ausreichende Zugkraft auf den Anker oder Stößel, um die Verriegelung des Leistungsschalters zu treffen.

• Schritt 4: Der Riegel wird freigegeben. Durch die Federanordnung werden die Kontakte getrennt.

• Schritt 5: Es entsteht ein Bogen. Wenn sich Kontakte unter Lastbedingungen trennen, entsteht zwischen den Kontakten ein Lichtbogen.

• Schritt 6: Der Lichtbogen wird gelöscht. Die Lichtbogenkammer teilt und kühlt den Lichtbogen und vervollständigt so die Unterbrechung.

Der gesamte Ablauf, vom Einsetzen des Fehlers bis zur vollständigen Stromunterbrechung, erfolgt typischerweise in wenigen Millisekunden.

Bei anhaltender Überlastung:

• Schritt 1: Strom steigt über den Nennwert. Die Überlastung ist nicht stark genug, um als Kurzschluss zu gelten.

• Schritt 2: Der Bimetallstreifen erwärmt sich. Durch Widerstandserwärmung beginnt sich das Band zu verformen.

• Schritt 3: Die Verformung häuft sich an. Im Laufe von Sekunden oder länger bei leichteren Überlastungen verbiegt sich der Streifen weiter, während sich die Hitze aufbaut.

• Schritt 4: Die Auslöseschwelle ist erreicht. Sobald die Verformung ausreichend ist, löst die Bewegung des Streifens denselben Verriegelungsmechanismus aus, der auch im Magnetpfad verwendet wird.

• Schritt 5: Die Kontakte trennen sich. Die Lichtbogenkammer übernimmt wieder den entstehenden Lichtbogen und der Stromkreis wird unterbrochen.

Auslösekurven erklärt (B-, C-, D-Kurven)

Nicht jede Last verhält sich beim Start gleich, und es gibt Auslösekurven, um die magnetische Empfindlichkeit eines Leistungsschalters an die Last anzupassen, die er schützt. Die Kurve definiert das Vielfache des Nennstroms, bei dem der Magnetauslöser aktiviert wird.

Die Auswahl des falschen Kurventyps ist einer der kostspieligsten Fehler, die passieren können. Beispielsweise kommt es bei einem in einem Motorstromkreis installierten B-Kurven-Schutzschalter wahrscheinlich jedes Mal zu einer Fehlfunktion, wenn der Motor aufgrund von Einschaltströmen über dem magnetischen Schwellenwert anläuft, es liegt jedoch kein Problem vor.

Im Gegensatz dazu kann ein in einem Beleuchtungssystem installierter D-Kurven-Leistungsschalter aufgrund seiner hohen magnetischen Schwelle im Fehlerfall zu Fehlfunktionen führen. Die Anpassung der Kurve an das reale Startverhalten der Last ist eine Entwurfsentscheidung und kein nachträglicher Einfall.

Warum die Geschwindigkeit der magnetischen Auslösung wichtig ist

Die Reaktionsgeschwindigkeit des Magnetmechanismus ist keine Werbeaussage. Sie definiert genau die Energiemenge, die der Fehler vor Eintritt der Unterbrechung freisetzen kann, und diese Energie ist proportional zum Quadrat von Strom und Zeit. Die Verkürzung der Auslösezeit von beispielsweise 20 Millisekunden auf 3 Millisekunden verringert die Fehlerenergie nicht geringfügig, sondern deutlich.

Das ist aus drei Gründen wichtig, die in Gesprächen über B2B-Spezifikationen immer wieder auftauchen:

• Brandgefahr: Eine schnellere Unterbrechung verringert die Möglichkeit einer Entzündung des Isoliermaterials und anderer brennbarer Materialien aufgrund der hohen Lichtbogenenergie.

• Geräteschutz: Die nachgeschalteten Geräte, von Motorwicklungen bis hin zu elektronischen Schaltkreisen, sind viel sicherer, wenn der Fehlerstrom unterbrochen wird, bevor sich Hitze und mechanische Spannungen aufgebaut haben.

• Einhaltung: Internationale Normen legen maximale Unterbrechungszeiten für verschiedene Vielfache des Fehlerstroms fest, und Geräte sollten in der Lage sein, diese Normen einzuhalten.

Aus diesem Grund sind unsere hydraulischen magnetischen Leistungsschalter auch auf Auslösegeschwindigkeiten von bis zu 3 ms ausgelegt und verfügen über große Einstellbereiche von 0,5 A bis 50 A. In Anwendungen wie dem Laden von Elektrofahrzeugen, der Chipherstellung oder der Energiespeicherung, bei denen Fehlerenergie eingedämmt werden muss, bevor sie sich ausbreiten kann, ist dieser Geschwindigkeitsunterschied das gesamte Wertversprechen.

Allgemeine Anwendungen

Magnetische Schutzschalter kommen in einem größeren Spektrum von Umgebungen zum Einsatz, als die meisten Menschen annehmen, und die Designanforderungen ändern sich erheblich, je nachdem, wo das Gerät angebracht ist.

• Wohn- und Gewerbegebäude: Allgemeiner Abzweigschutz für Beleuchtungs-, Steckdosen- und Gerätestromkreise.

• Industriemaschinen und Schalttafeln: Schutz für Motorstromkreise, Antriebe und industrielle Automatisierungsgeräte, bei denen häufig Einschaltströme auftreten.

• Fahrzeuge mit neuer Energie: Schutz des Weges vom Batteriepaket zum Elektromotor, bei dem thermische Beständigkeit und Vibrationsfestigkeit eine ebenso wichtige Rolle spielen wie schnelle Fahrgeschwindigkeit.

• Schnellladeinfrastruktur: dient als letztes Schutztor vor Hochleistungs- und Hochspannungsladegeräten.

• Energiespeicher und Systeme für erneuerbare Energien: Schutz von Quellen-Netz-Last-Speicher-Konfigurationen, bei denen sowohl die Kontinuität der Versorgung als auch die Eindämmung von Fehlern eine große Rolle spielen.

• Marine- und Offshore-Umgebungen: wo Korrosionsbeständigkeit und mechanische Haltbarkeit zusätzlich zur standardmäßigen elektrischen Leistung keine Rolle spielen.

Eine vollständige Aufschlüsselung dieser Anwendungsfälle sowie die spezifischen Produktfamilien, die wir jeweils empfehlen, finden Sie auf unserer Seite „Anwendungen“..

Auswahl des richtigen magnetischen Leistungsschalters für Ihr Projekt

Bei der Auswahl des richtigen Geräts kommt es darauf an, die Eigenschaften des Leistungsschalters an die tatsächlichen elektrischen und mechanischen Bedingungen der Installation anzupassen, nicht nur an die Nennlast.

• Belastbarkeit: Die Belastbarkeit des Leistungsschalters sollte die erwartete Dauerlast sicher aufnehmen und dabei etwas Spielraum für das normale Einschaltverhalten des Systems lassen.

• Ausschaltvermögen (kA-Nennwert): sollte ausreichend sein und gleich oder höher als der am Installationsort verfügbare Fehlerstrom sein. Dies ist einer der kritischsten Spezifikationsfehler überhaupt.

• Auslösekurve: Die oben beschriebene Kurve sollte den Einschaltstromeigenschaften der Last entsprechen.

• Anzahl der Pole: ein einzelner Pol für den einphasigen Stromkreis und ein zweipoliger oder dreipoliger Pol entsprechend der Konfiguration der Stromversorgung.

• Umweltbewertung: umfasst Temperaturbereich, Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Schutz gegen mögliches Eindringen in den Leistungsschalter.

• Zertifizierungen: Einhaltung von IEC, UL, CE oder anderen relevanten regionalen Standards, je nach Zielmarkt.

Wartung und Gebrauchsspuren

Ein Leistungsschalter ist kein wartungsfreies Gerät, auch wenn er oft als solches behandelt wird. Im Laufe der Jahre kann mechanischer und elektrischer Verschleiß die Zuverlässigkeit der Auslösung beeinträchtigen, lange bevor ein sichtbarer Fehler auftritt.

• Langsame Auslösereaktion: Wenn die Auslösung des Leistungsschalters während der Prüfung im Vergleich zu der in der Nennkurve angegebenen Zeit ungewöhnlich lange zu dauern scheint, liegt das Problem möglicherweise an seinem Federmechanismus oder seinem Bimetallstreifen.

• Sichtbare Kontaktschäden: Lochfraß, Farbveränderung oder Korrosion an den Kontakten können darauf hindeuten, dass starke Lichtbögen entstanden sind, die von der Lichtbogenkammer nicht ausreichend bewältigt wurden.

• Physische Beschädigung des Gehäuses: Risse oder Brandspuren am Gehäuse des Leistungsschalters können ein Hinweis darauf sein, dass ein interner Fehler aufgetreten ist, der den Leistungsschalter überstanden hat, bei künftigen Einsätzen jedoch möglicherweise unzuverlässig ist.

• Regelmäßige Tests: Bei geschäftskritischen und wertvollen Systemen besteht die beste Möglichkeit, die Leistung des Leistungsschalters zu gewährleisten, darin, Tests zu planen, bevor der Fehler auftritt.

Der Austausch eines Schutzschalters beim ersten Anzeichen dieser Symptome ist weitaus kostengünstiger als die Alternative: eine fehlgeschlagene Auslösung während eines tatsächlichen Fehlerereignisses.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der magnetische Schutzschalter das Prinzip des Zusammenhangs zwischen Strom und Magnetkraft nutzt. Somit kann der magnetische Schutzschalter in vielen Anwendungen eingesetzt werden. Die richtige Auswahl und Installation bleibt für einen sicheren und zuverlässigen Schutz von entscheidender Bedeutung.

Bei Chinehow haben wir unsere Produktpalette mit Präzision zusammengestellt, von Standard-Miniatur-Leistungsschaltern bis hin zu hydraulischen Hochgeschwindigkeits-Magnet-Leistungsschaltern für anspruchsvolle Anwendungen. Kontaktieren Sie unser Team , um mit Ihnen an Ihrem nächsten Projekt zu arbeiten.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen einem magnetischen Schutzschalter und einem magnetothermischen Schutzschalter?

Ein magnetischer Schutzschalter schützt vor plötzlichen Kurzschlüssen, indem er nur einen elektromagnetischen Mechanismus verwendet, während ein magnetothermischer Schutzschalter dieses Magnetsystem mit einem thermischen Bimetallstreifen kombiniert, um sowohl vor Kurzschlüssen als auch vor allmählichen Überlastungen zu schützen.

Wie schnell löst ein magnetischer Schutzschalter bei einem Kurzschluss aus?

Ein magnetischer Schutzschalter löst bei einem Kurzschluss nahezu augenblicklich aus, typischerweise innerhalb weniger Millisekunden bis 0,1 Sekunden (weniger als ein einziger elektrischer Zyklus).

Kann ein magnetischer Schutzschalter nach der Auslösung zurückgesetzt werden?

Ja, ein magnetischer Schutzschalter kann nach seiner Auslösung manuell zurückgesetzt werden, sofern der zugrunde liegende Kurzschluss oder elektrische Fehler behoben wurde.

Ist ein magnetischer Schutzschalter dasselbe wie ein MCB?

Nein, ein magnetischer Schutzschalter ist nicht dasselbe wie ein MCB (Miniaturschutzschalter), obwohl ein Standard-MCB einen magnetischen Mechanismus enthalten kann

Schützen magnetische Schutzschalter vor Stromschlägen?

Nein, herkömmliche magnetische oder thermisch-magnetische Schutzschalter schützen Menschen nicht vor Stromschlägen.

Woher weiß ich, welche Auslösekurve ich benötige (B, C oder D)?

Sie wählen eine Auslösekurve des Leistungsschalters (B, C oder D) basierend auf dem Einschaltstrom (der vorübergehende Stromstoß beim Einschalten eines Geräts oder einer Maschine).