Die Formel für den FI-Schutz­schalter

Die Form des Fehler­stroms ist das entschei­dende Auswahl­kri­te­rium für den rich­tigen FI-Schutz­schalter – auch bei EC-Motoren.


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Helmut Lipp, Abtei­lungs­leiter Entwick­lung Elek­tronik bei ebm-papst in Mulfingen

Fehl­ströme können für Menschen, Maschinen und ganze Anlagen gefähr­lich sein. Für den Perso­nen­schutz sind daher FI-Schutz­schalter Typ A mit einem maxi­malen Ansprech­strom von 10 mA oder 30 mA vorge­schrieben. Für den Brand­schutz wird Typ B mit 300 mA gefor­dert. Derart hohe Ströme können aber beim Menschen zu blei­benden Schäden oder gar zum Tod führen. Daher ist die Auswahl im indus­tri­ellen Umfeld nicht einfach.

Auch beim Einsatz elek­tro­nisch kommu­tierter (EC-)Gleichstrommotoren stellt sich diese Frage. Bei EC-Geräten mit passiver Power Factor Correc­tion (PFC) erfüllt Typ A zuver­lässig seinen Zweck. Werden aber beispiels­weise EC-Venti­la­toren parallel betrieben, arbeiten sie oft mit aktiver PFC als Power Booster, damit harmo­ni­sche Stro­m­ober­wellen auf das Strom­netz vermieden werden.

Um zu klären, welcher Schutz­schalter hier geeignet ist, muss die Topo­logie der Kommu­tie­rungs­elek­tronik genauer betrachtet werden, da sie die Strom­form im Fehler­fall bestimmt. Denn entspre­chend der Zwischen­kreis­span­nung über dem Konden­sator CZWK bildet sich zwischen dem posi­tiven Anschluss des Konden­sa­tors und dem PE-Poten­zial eine Span­nung, die je nach Topo­logie anders aussieht.

Mit aktiver PFC kann die Zwischen­kreis­span­nung über dem Konden­sator CZWK auf Werte von UZWK > √2×Uac,rms einge­stellt werden. Hierbei ist das Span­nungs­po­ten­zial immer größer 0 V. Der mini­male Wert liegt bei Umin = UZWK -√ 2×Uac,rms. Liegt ein Isola­ti­ons­fehler vor, ist dies derselbe Zustand, wie wenn ein Wider­stand zwischen dem Poten­tial UZWK+ und PE einge­bracht wird. Entspre­chend der Span­nung verhält sich auch der Fehler­strom.

Beim Inverter mit aktiver PFC geht der Strom auf einen Mini­mal­wert von IFehler = √ 2× UZWKmin/RFehler zurück. Wir haben das Verhalten der Schal­tungs­to­po­logie unter Berück­sich­ti­gung eines Isola­ti­ons­feh­lers gemessen. Hierbei wurde ein Fehler­strom von IFehler > 30 mA einge­stellt. Bei diesem Fehler­strom löste der FI-Schutz­schalter des Typs A nicht aus.

Beim selben Versuch mit einem Schutz­schalter vom Typ B trennt er in der Messung zum Zeit­punkt T2 nach Auftreten des Fehlers die Schal­tung vom Netz. Um bei EC-Antrieben in Schal­tung mit einer Elek­tronik mit aktiver PFC als Boost-Konverter die nötige Sicher­heit für Menschen, Maschinen und Anlagen zu bieten, sind daher diese FI-Schutz­schalter Typ B die rich­tige Wahl. 

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EC-Motor mit aktiver PFC. Der FI-Schutz­schalter vom Typ A löst nicht aus.

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Der FI-Schutz­schalter vom Typ B trennt zum Zeit­punkt T2 nach Auftreten des Fehlers die Schal­tung vom Netz.

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