Ein umfassender Leitfaden zu industriellen Leistungsschaltern
Ein industrieller Leistungsschalter ist ein automatischer elektrischer Schalter, der elektrische Stromkreise vor Schäden durch Überstrom aufgrund von Überlastungen und Kurzschlüssen schützt.
Im Gegensatz zu Sicherungen können industrielle Leistungsschalter nach dem Auslösen zurückgesetzt werden. Dank dieser einzigartigen Eigenschaft kommt ihnen eine besondere Position in Fabriken, Rechenzentren und Kraftwerken zu, denn sie helfen, den Betrieb sicher zu halten und Ausfallzeiten zu reduzieren.
Dieser technische Leitfaden soll ein klares Verständnis von industriellen Leistungsschaltern in der Industrie vermitteln, indem er die Funktionsweise der einzelnen Mechanismen, die verschiedenen Typen und entscheidende Auswahlkriterien erläutert.
Industrielle Leistungsschalter spielen eine entscheidende Rolle beim Schutz elektrischer Systeme vor Überströmen, die zu Überhitzung, Anlagenschäden, Elektrobränden und sogar Verletzungen führen können. Diese Bauteile unterbrechen automatisch die Stromversorgung, wenn der Strom sichere Werte überschreitet. Dadurch werden Schaltkreise geschützt und die Betriebssicherheit gewährleistet. Die Auswahl des richtigen Leistungsschalters im Systemdesign verhindert kostspielige Nacharbeiten und verbessert die Langlebigkeit und Leistung des gesamten Aufbaus.
Leistungsschalter unterbrechen automatisch den Strom in einem überlasteten Stromkreis, indem sie auslösen, wenn Schutzrelais einen Fehler detektieren. Der Funktionsmechanismus von Leistungsschaltern umfasst normalerweise fünf Komponenten:
Abbildung 1: Teile eines Leistungsschalters (Quelle)
Leistungsschalter sind weit verbreitet und werden in privaten, gewerblichen, industriellen, avionischen und militärischen Umgebungen sowie in weiteren elektrischen Anwendungen eingesetzt. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die industrielle Anwendung. In der Industrie verwendete Leistungsschalter können sich in Betriebsmechanismen und Spannungspegeln unterscheiden und auch unterschiedliche Lichtbogenlöschmedien einsetzen.
Kompaktleistungsschalter – MCCBs sind Sicherheitsvorrichtungen, die elektrische Stromkreise schützen, indem sie die Stromversorgung bei Überlastungen oder Kurzschlüssen automatisch unterbrechen und so Systemschäden verhindern. Sie sind in der Lage, zwischen Überlast und Kurzschluss zu unterscheiden. Um elektrische Geräte vor schweren Schäden zu schützen, lassen MCCBs kurzzeitig eine geringe Menge Überstrom zu. Sobald der Strompegel steigt, öffnet ein Thyristor den Stromkreis, um Schäden zu vermeiden. Sie sind vielseitig in Nieder- wie auch Hochspannungsanwendungen einsetzbar und bieten einstellbare Auslöseeinstellungen.
| Arten | Anwendungen | Merkmale |
|---|---|---|
| Typ B: Unterbricht bei 3 bis 5-fachem Nennstrom (0,04 bis 13 s). | Ideal für geringe Stoßspannungen und ohmsche Lasten. | Erhältlich in ein-, zwei-, drei- oder vierpoligen Ausführungen mit einstellbaren Auslösemechanismen für erhöhte Sicherheit. Ausgelegt für Ströme zwischen 10 und 200 A. Sie wurden für hohe Leistungsanforderungen entwickelt und eignen sich daher ideal für Hochstromkreise in industriellen Umgebungen. |
| Typ C: Unterbricht bei 5 bis 10-fachem Nennstrom (0,04 bis 5 s). | Häufig im Zusammenhang mit kleinen Motoren und Transformatoren in industriellen Umgebungen eingesetzt. | |
| Typ D: Unterbricht bei 10 bis 20-fachem Nennstrom (0,04 bis 3 s). | Ideal für große Motoren und hohe induktive Lasten. | |
| Typ K: Unterbricht bei 10 bis 12-fachem Nennstrom (0,04 bis 5 s). | Geeignet für Motoren mit induktiven Lasten. | |
| Typ Z: Die empfindlichste Ausführung unterbricht bei 2 bis 3-fachem Nennstrom. | Wird für empfindliche Elektronik wie medizinische Geräte verwendet. |
Abbildung 2: Kompaktleistungsschalter (Schutzschalter mit geformtem Gehäuse) von EATON (EATON CUTLER HAMMER EGH3060FFG) (Quelle)
Miniatur-Leistungsschalter (MCBs) – sind automatische Schalter, die die Stromversorgung abschalten, wenn sie einen Spannungsstoß erkennen. MCBs sind mit zwei Auslösemechanismen ausgestattet: Einem verzögerten thermischen Auslösemechanismus für Überlastschutz und einem magnetischen Auslösemechanismus für Kurzschlussschutz. Je nach Auslösekapazitäten stehen verschiedene Arten von MCBs zur Verfügung, die für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet sind.
| Arten | Anwendungen |
|---|---|
| Typ C und Typ D | 1. Elektrische Schalttafeln: MCBs sorgen für eine gleichbleibende Stromverteilung und regeln Schwankungen aus. 2. Beleuchtungssysteme: MCBs regulieren die Beleuchtungsleistung und erhöhen die Lebensdauer von Leuchtmitteln. Sie sorgen für die Sicherheit in Wohnräumen, wenn verschiedene Leuchten in verschiedenen Bereichen im Haus eingebaut werden. 3. Industrieausrüstung: MCBs sind für schwere Lasten geeignet (bis zu 30 kA). Sie werden häufig in Supermärkten, Hotels und Einkaufszentren verwendet, wo sie wertvolle Industriegeräte schützen. 4. Erdschlussschutz: Dieser verhindert Überspannungen aufgrund von Erdschlussfehlern, indem er die Stromversorgung automatisch unterbricht und so das Risiko gefährlicher Vorfälle verringert. |
Abbildung 3: Miniatur-Leistungsschalter von ABB (Quelle), Produkt: S202-C20 von ABB(Quelle)
Hydromagnetische Leistungsschalter – Ein hydraulischer magnetischer Leistungsschalter bietet einen präzisen Überlast- und Fehlerschutz durch einen magnetbasierten Mechanismus. Der Mechanismus eines hydraulischen Magnetschalters umfasst eine Strommessspule, die mit einem Satz von Kontakten gekoppelt ist. Alle diese Kontakte bleiben während des regulären Betriebs geschlossen. Bei einer Überlast (Strom übersteigt die Nennkapazität) erzeugt die Reihenspule einen magnetischen Fluss, der einen Kern innerhalb eines mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchens bewegt und dadurch den Schalter auslöst. Der Kern, der von der größeren Magnetkraft gezogen wird, löst die Sperre und unterbricht den Stromkreis. Diese Schalter bieten schnellen, zuverlässigen Schutz gegen Stromstöße, ohne sich auf temperaturempfindliche Komponenten zu verlassen.
| Merkmale | Anwendungsbereiche |
|---|---|
|
|
Abbildung 4: SENSATA / AIRPAX IELK111-1REC5-62-100.-A-01-V (Quelle)
Thermische Leistungsschalter – thermische Leistungsschalter schützen Stromkreise mit einem Bimetallstreifen, der sich bei Überhitzung biegt und den Stromfluss unterbricht. Wenn der Strom steigt, erwärmt sich der Streifen und löst den Schalter aus, wenn er den eingestellten Grenzwert überschreitet. Sobald der Streifen abgekühlt ist, kann er manuell zurückgesetzt werden. Obschon sie zuverlässig sind und daher häufig als Haupt-Ein-/Ausschalter fungieren, reagieren Wärmeschalter dennoch empfindlich auf Umgebungstemperatur. So kann es bei warmen Bedingungen zu Fehlauslösungen bzw. in kalter Umgebung zu verzögertem Auslösen kommen. Sie werden in der Regel in Kfz-Verschaltungen und anderen Niederspannungsschaltkreisen eingebaut. Ein thermisches Betätigungselement und eine mechanische Verriegelung arbeiten zusammen und unterscheiden zwischen kurzen Stromstößen und längeren Überlastperioden. Das bedeutet, dass das System einen vorübergehenden Überspannungsstoß ohne Auslösen bewältigen kann. Wenn der Strom jedoch zu lange zu hoch bleibt, wird die Verriegelung aktiviert, um das Gerät vor Schäden zu schützen.
| Arten | Merkmale | Rücksetzmechanismus | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Automatische Reset-Funktion | Durchläuft Zyklen bzw. unternimmt kontinuierlich Rücksetzvorgänge, bis der Fehler behoben ist. Wird in Stromkreisen mit kurzzeitiger Überlastung verwendet, wie z. B. in Scheibenwischermotor- oder Scheinwerferstromkreisen. | Automatisch | Scheibenwischermotoren, Scheinwerfer |
| Modifiziertes Zurücksetzen | Kein zyklisches Verhalten. Der Stromkreis bleibt nach dem Auslösen offen. Wird zurückgesetzt, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet wird. Häufig verwendet in Anwendungen wie elektrischen Fensterhebern und Schiebedachschaltkreisen. | Modifiziertes Zurücksetzen (Ausschalten) | Elektrische Fensterheber, Sitze, Schiebedächer |
| Manuelles Zurücksetzen | Kein zyklisches Verhalten. Bleibt geöffnet, bis die manuelle Rückstellung durch Drücken einer Taste oder Betätigung eines Hebels erfolgt. Wird in der Regel dort verwendet, wo eine sichere Diagnose erforderlich ist. | Manuell | Schaltkreise, die eine manuelle Fehlerdiagnose erfordern |
| Manuelles Zurücksetzen – zum Auslösen drücken | Der Benutzer kann eine Taste manuell drücken, um den Stromkreis nach dem Zurücksetzen zu öffnen. Ermöglicht manuelle Auslösung. | Manuell mit Auslösetaste | Systeme, die eine manuelle Auslöseoption benötigen |
| Manuelles Zurücksetzen – Schaltfunktion | Ermöglicht dem Benutzer das Ein- oder Ausschalten des Stromkreises mit einem externen Hebel. Funktioniert wie ein Schalter. | Manuell mit Hebelschalter | Schalterähnliche Funktionalität in Schaltkreisen |
Abbildung 5: Thermische Leistungsschalter ETA 3120-N521-H7T1-W01D-20A, Ein/Aus, Baureihe 3120-N, 20 A, 2-polig, 50 V, 240 V, Einrastmontage (Quelle)
Elektronische Leistungsschalter – elektronische Leistungsschalter verwenden spezielle Komponenten zur Überwachung von Strom und Spannung in einem Stromkreis. Bei einem Überstrom senden die Leistungsschalter sofort ein Signal an ein Gate in einem Halbleiterbauteil (z. B. einem Thyristor), das den Stromkreis schnell öffnet. Diese Leistungsschalter können an verschiedene Bedingungen angepasst werden. Elektronischer Schutzschalter ECBs kommen häufig in komplexen Systemen vor, in denen sie eine hohe Einschaltkapazität mit einem elektronischen Relais für eine höhere Wirksamkeit kombinieren.
| Hauptmerkmale | Hauptvorteile |
|---|---|
|
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Abbildung 6: Elektronischer Schutzschalter (Quelle)
Offene Leistungsschalter (ACBs) – ein offener Leistungsschalter (ACB) ist eine entscheidende Komponente in elektrischen Niederspannungssystemen. Sie wurden entwickelt, um Stromkreise vor Überstrom und Kurzschlüssen zu schützen. Mit Luft als Medium zum Löschen von Lichtbögen können ACBs Ströme von 800 bis 10.000 A in Systemen mit weniger als 450 V verarbeiten. Sie arbeiten mit gespeicherter Energie und verwenden Federn, um Kontakte bei Bedarf schnell zu öffnen und zu schließen. ACBs werden oft zur zuverlässigen Stromkreisunterbrechung in Verteilertafeln verbaut. Lichtbogenrutschen aus Metall helfen, den Lichtbogen zu kühlen und zu unterbrechen, damit ein effektiver Schutz gewährleistet ist.
| Arten | Vorteile | Anwendungen |
|---|---|---|
| Plain Break Type ACB (Cross-Blast ACB) | Einfaches Design, geeignet für Niederspannungsanwendungen, Kühlung mit Lichtbogenrutsche. | Wird in Niederspannungsanwendungen verwendet. |
| Magnetic Blowout Type ACB | Magnetische Steuerung für Lichtbogenauslöschung, verwendbar bis 11 kV | Bis zu 11 kV, geeignet für Mittelspannungssysteme |
| Air Chute Air Break Circuit Breaker | Geringer Kontaktwiderstand, hitzebeständige Lichtbogenkontakte, hohe Lebensdauer. | Zum Schutz von Hauptkontakten in Systemen, geeignet für Mittelspannungsanwendungen. |
| Air Blast Circuit Breaker | Hochgeschwindigkeitsbetrieb, schnelle Lichtbogenlöschung, weniger Wartung, keine Brandgefahr. | Wird für Systeme mit mehr als 245 kV verwendet, ideal für den schnellen Schaltbetrieb in großen Anlagen. |
Abbildung 7: Offener Leistungsschalter (Quelle)
Elektrische Sicherheit und Systemeffizienz werden nur dann realisiert, wenn die spezifischen Anforderungen dieser Anwendung erfüllt sind, da nur eine richtige Auswahl zu einem optimalen Schutz der Schaltkreise führt. Eine wichtige Rolle spielen
Nennspannung – Bei der Auswahl eines Leistungsschalters muss sichergestellt werden, dass die Nennspannung den Systemanforderungen entspricht. Die Nennspannung bezieht sich auf die maximale Spannung, die der Leistungsschalter in allen Bereichen und an allen Anschlüssen sicher bewältigen kann. Dieser Wert wird durch die Verteilungsart des Systems und die Art der Integration des Leistungsschalters beeinflusst. Wenn die Spannungskapazität des Leistungsschalters und die Spannungspegel des Systems nicht aufeinander abgestimmt sind, kann dies zu Sicherheitsrisiken führen. Deshalb ist es wichtig, einen Leistungsschalter mit ausreichender Spannungskapazität für die jeweilige Anwendung zu wählen.
| Spannungsbereich | Typ des Schutzschalters | Nutzungsbereiche |
|---|---|---|
| Bis 1 kV | MCB und MCCB | Allgemeine Industrie- und Handelssektoren |
| 1 kV bis 72 kV | Luft, Vakuum und Schwefelhexafluorid (SF6) | Stromerzeugung und -verteilung, Fabriken, Bürogebäude und Rechenzentren. |
| Über 72 kV | Hydromagnetische, Luftstrom-, Öl-Leistungsschalter | Stromübertragungsnetze und -schaltkreise |
Dauerstrom – Dies ist der maximale Strom, den der Leistungsschalter unter seiner kalibrierten Umgebungstemperatur sicher verarbeiten kann (die standardmäßige Umgebungstemperatur für die Fertigung beträgt 40 °C). Die Wahl eines Leistungsschalters mit einem Nennstrom, der der Systemlast entspricht, ist von entscheidender Bedeutung. Die Nennstromstärke des Leistungsschalters muss daher der maximalen Last des Stromkreises entsprechen. Wenn der Nennwert zu hoch ist, kann der Leistungsschalter bei Überlastungen möglicherweise nicht auslösen, was zu Überhitzung und Anlagenschäden führen kann. Umgekehrt könnte der Leistungsschalter auch aufgrund einer zu niedrigen Nennleistung auslösen, was zu unerwünschten Unterbrechungen führen kann. Zur Schaffung eines zuverlässigen Systems ist ein optimaler Schutz erforderlich.
Maximale Unterbrechungskapazität – Die Unterbrechungskapazität ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines Leistungsschalters, insbesondere in Systemen, in denen hohe Fehlerströme sehr wahrscheinlich sind. Sie stellt den maximalen Fehlerstrom dar, den der Leistungsschalter sicher unterbrechen kann, ohne beschädigt zu werden. Aus Gründen der Sicherheit und Zuverlässigkeit muss die Unterbrechungskapazität des Leistungsschalters gleich oder größer sein als der potenzielle Fehlerstrom am Einsatzort. Während größere Geräte und Industriesysteme einen höheren Fehlerstromschutz benötigen, stellt die Auswahl eines Leistungsschalters mit ausreichender Unterbrechungskapazität sicher, dass das System Fehlerzustände ohne wiederholte Auslösungen oder Geräteausfälle bewältigen kann. Die folgende Tabelle zeigt typische Nennwerte für Kompaktleistungsschalter (MCCBs) für 800 und 1600 A, Leistungsschalter mit isoliertem Gehäuse sowie Niederstrom-Leistungsschalter.
| Schaltertyp | Kompaktleistungsschalter | Leistungsschalter mit isoliertem Gehäuse | Niederstrom-Leistungsschalter | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Niedrige Unterbrechungskapazität | Hohe Unterbrechungskapazität | Niedrige Unterbrechungskapazität | Hohe Unterbrechungskapazität | Strombegrenzung | Niedrige Unterbrechungskapazität (Interne unverz. Auslösung) | Hohe Unterbrechungskapazität (Interne unverz. Auslösung) | Strombegrenzung (Interne unverz. Auslösung) | Niedrige Unterbrechungskapazität (Keine unverz. Auslösung) | Hohe Unterbrechungskapazität (keine unverz. Auslösung) | |
| Unterbrechungskapazität (kA @ 480 V) | 50 | 100 | 50 | 150 | 150 | 30 | 100 | 200 | 30 | 85 |
| Sofortige Überbrückung oder max. Kurzzeitstromnennwert (kA) | 6-9 | 6-9 | 25 | 25 | 30 | 30 | 85 | 30 | 30 | 85 |
| Kurze Verzögerung | 18 | 18 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
Frequenz – Bei der Auswahl eines Leistungsschalters ist es wichtig, seine Nennfrequenz an die der elektrischen Anlage anzupassen, um Ineffizienzen oder potenzielle Schäden zu vermeiden. Leistungsschalter, die für 50-120 Hz ausgelegt sind, sind für die meisten Anwendungen geeignet, aber höhere Frequenzen (über 120 Hz) erfordern eine Leistungsverringerung, um eine erhöhte Erwärmung durch Wirbelströme und Eisenverluste zu berücksichtigen. Für höhere Nennströme, insbesondere über 600 A, ist eine ordnungsgemäße Kalibrierung unerlässlich, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, insbesondere bei Projekten, die 50 Hz- oder 60 Hz-Systeme wie Dieselgeneratoren einsetzen. Die Frequenzkompatibilität des Leistungsschalters ist unbedingt zu prüfen, damit optimale Leistung und Langlebigkeit sichergestellt sind.
Anzahl der Pole – Die Anzahl der Pole innerhalb eines Leistungsschalters bestimmt die Anzahl der separaten Stromkreise, die er schützen kann. Einpolige Leistungsschalter sind in Wohnbereichen üblich, während industrielle Anwendungen in der Regel mehrpolige Leistungsschalter für dreiphasige Systeme verwenden. Ein 3-poliger Leistungsschalter wird zum Schutz aller drei Phasen in solchen Systemen verwendet, während ein 4-poliger Leistungsschalter eine zusätzliche Schutzschicht durch Trennen des Neutralleiters bietet, was in Systemen mit unsymmetrischen Lasten oder Oberschwingungsströmen von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Auswahl der richtigen Anzahl von Polen wird ein angemessener Schutz gewährleistet, der der Komplexität und den Anforderungen Ihrer elektrischen Anlage entspricht. Wenn Sie beispielsweise einen 3-poligen Schalter für 600 A und einen Pol mit 800 A haben, während an den anderen beiden keine Last anliegt, wird der Schalter ausgelöst, weil ein Pol seinen Grenzwert überschritten hat.
Wenn jedoch an allen drei Polen jeweils 500 A anliegen, bleibt der Leistungsschalter eingeschaltet, obwohl die Last insgesamt 1500 A beträgt. Dies liegt daran, dass keiner der einzelnen Pole über der Nennleistung von 600 A liegt.
Besondere Betriebsbedingungen – Für eine zuverlässige Leistung müssen besondere Betriebsbedingungen berücksichtigt werden und Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen gegeben sein. Die Funktionen des Leistungsschalters können durch hohe Temperaturen, Korrosion, Stöße, Höhenlage und Staub beeinflusst werden. Ein typischer Leistungsschalter kann beispielsweise bei bis zu 50 °C betrieben werden, bei höheren Temperaturen kann jedoch eine Drosselung oder Neukalibrierung erforderlich sein. In feuchten oder korrosiven Umgebungen sind feuchtigkeits- oder chemikalienbeständige Schalter erforderlich, um Schäden zu vermeiden. Leistungsschalter in Umgebungen mit vielen Erschütterungen, wie z. B. in Schiffsanwendungen, benötigen stoßfeste Gehäuse, während bei Verwendung ab knapp 2000 Metern Höhe aufgrund der geringeren Wärmeableitung in dünnerer Luft eine Drosselung erforderlich ist. Durch Berücksichtigung dieser Faktoren können Sie einen Schalter wählen, der für raue Bedingungen geeignet ist und Sicherheit und Effizienz gewährleistet.
Konformität und Standards – Bei der Auswahl von Leistungsschaltern ist es entscheidend, dass diese die erforderlichen Industriestandards und -vorschriften wie IEC, ANSI oder UL erfüllen. Durch die Einhaltung dieser Standards können Sie sich auf die Qualität und Effektivität der von Ihnen gewählten Leistungsschalter verlassen. Einige der wichtigsten Standards finden Sie in Tabelle 2.
| Standards | Betrifft |
|---|---|
| UL 489 | Kompaktleistungsschalter, Leistungsschalter mit geformtem Gehäuse und Gehäuse für Schutzschalter |
| UL 1077 | Zusatzschutzeinrichtungen für den Einsatz in elektrischen Betriebsmitteln |
| UL 60950-1 | Einrichtungen der Informationstechnik: Allgemeine Anforderungen |
| NFPA 70 | National Electrical Code (USA) |
| CSA22.2 | National Electrical Code (Kanada) |
| BS7671 | National Electrical Code (UK) |
| IEC 60364 | Elektrische Anlagen von Gebäuden (EU) |
| IEC 60947-2 | Leistungsschalter für industrielle Anwendungen |
| IEC 60898-1 | AC-Niederspannungs-Leistungsschalter |
| IEC 60934 | Geräteschutzschalter, einschließlich Leistungsschalter für Haushaltsgeräte |
| SAE J553 | Prüfbedingungen, Verfahren und Leistungsanforderungen für Leistungsschalter in Transportanwendungen |
Tabelle 2: Gesetzliche Normen für Leistungsschalter (Quelle)
Leistungsschalter bieten präzise, zuverlässige und kostengünstige Lösungen für die meisten Konstruktionsherausforderungen. Sie gelten als temperaturstabil und ihr Überstromsensor reagiert nur auf Stromänderungen im geschützten Stromkreis. Sie sind mit verschiedenen Konfigurationsoptionen erhältlich, und viele bieten erweiterte Funktionen und modernste Konzeptionen, um die maßgeblichen Anwendungsanforderungen von heute zu erfüllen. Als global agierender Distributor hat Farnell verschiedenste Leistungsschalter in sein Angebot aufgenommen, die den unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden und eine hohe Leistung in zahlreichen Branchen gewährleisten.
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