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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