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Gleichstrommotoren FI-Schutzschalter: Für Sicherheit die richtige Wahl

| Autor/ Redakteur: Günter Haas / Karin Pfeiffer

Fehlströme können für Menschen, Maschinen und ganze Anlagen gefährlich werden. FI-Schalter sorgen für Sicherheit. Vorausgesetzt, der Typ stimmt. Was für den indus­triellen Einsatz und elektrisch kommutierte Gleichstrommotoren zu beachten ist:

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Quer durch die industrielle Anwendungsvielfalt von Maschinen und Anlagen herrscht die Gefahr von Fehlströmen. FI-Schutzschalter sorgen für Sicherheit. Vorausgesetzt, der Typ stimmt.
Quer durch die industrielle Anwendungsvielfalt von Maschinen und Anlagen herrscht die Gefahr von Fehlströmen. FI-Schutzschalter sorgen für Sicherheit. Vorausgesetzt, der Typ stimmt.
(Bild: ebm-papst)

FI-Schutzschalter für elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren. Fehlerstrom-Schutzschalter oder auch FI-Schalter hüten im Fall der Fälle vor einem elektrischen Schlag. Dabei ist für den Personenschutz etwa ein maximaler Ansprechstrom von 10 mA oder 30 mA vorgeschrieben, für den Brandschutz einer von 300 mA. FI-Schutzschalter mit einem Auslösestrom von 300 mA bieten jedoch keinen Schutz für Leib und Leben, da bei einem Menschen derart hohe Ströme durch den Körper zu bleibenden Schäden oder gar zum Tod führen können. Typischerweise werden daher in der Installationstechnik im Haushaltsbereich FI-Schutzschalter des Typs A mit einer Auslöseschwelle von 30 mA verwendet. Welcher FI-Schutzschalter ist nun aber im industriellen Bereich die richtige Wahl?

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Denn die Frage nach dem passenden FI-Schutzschalter stellt sich natürlich auch beim Einsatz von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren. Bei reinen Wechselspannungsverbrauchern und EC-Geräten mit passiver Power Factor Correction (PFC) erfüllen FI-Schutzschalter des Typs A mit einer Auslöseschwelle von 30 mA zuverlässig ihren Zweck. Allerdings: EC-Ventilatoren beispielsweise werden aber in vielen Fällen parallel betrieben und arbeiten dann oft mit aktiver PFC als Boost Konverter (siehe Kasten), um Rückwirkungen auf das Stromnetz zu vermeiden. FI-Schutzschalter des Typs A können hier einen Fehlerstrom nicht detektieren und der Fehlerstrom wird nicht abgeschaltet.

Welcher ist der richtige Schutzschalter?

In der Elektrotechnik werden verschiedene Typen von FI-Schutzschaltern unterschieden. So erfasst Typ AC nur sinusförmige Wechselströme, Typ A zusätzlich auch pulsierende Gleichströme. Typ B wiederum detektiert darüber hinaus auch glatte Gleichströme. Die richtige Wahl ist im Wesentlichen von der Form eines eventuell auftretenden Fehlerstromes abhängig, die Stromform im Fehlerfall wiederum von der Topologie der Kommutierungselektronik. Hierbei wird vor allem zwischen Motoren mit passiver Oberwellenkompensation oder mit aktiver PFC-Regelung unterschieden.

In Formeln ausgedrückt: Der passive PFC besteht nur aus einer Zwischenkreisdrossel, die Zwischenkreisspannung UZWK, die über dem Kondensator C1 anliegt, hat einen Wert von UC1 = √2*Uac,rms. Mit einer Elektronik, die einen aktiven PFC als Boost-Konverter integriert hat, kann die Spannung über dem Kondensator C1 auf Werte von UZWK > √2*Uac,rms eingestellt werden. Typische Werte in EC-Geräten liegen bei Spannungen im Bereich von 380 VDC – 440 VDC. Die PFC-Stufe wird zur Reduzierung der Stromoberwellen benötigt.

Das Potential der Zwischenkreisspannung

Entsprechend der Zwischenkreisspannung über dem Kondensator C1 bildet sich zwischen dem positiven Anschluss des Kondensators (Anode) und dem PE-Potential eine Spannung, die je nach Topologie anders aussieht.

Bei der passiven PFC wechselt das Potential der Zwischenkreisspannung UZWK zwischen den Werten 0 V und Umax=√2*Uac,rms. Bei einem Inverter mit aktiver PFC als Boost-Konverter ist das Spannungspotential immer größer 0 V. Der minimale Wert liegt bei Umin=UZWK-√2*Uac,rms. Liegt in beiden Fällen ein Isolationsfehler vor, so ist dies derselbe Zustand, als wenn ein Widerstand zwischen dem Potential UZWK+ und PE eingebracht wird. Entsprechend den Spannungen verhalten sich dann auch die entsprechenden Fehler­ströme. Beim Inverter mit passiv PFC wird der Strom periodisch bis auf 0 A, bei Inverter mit aktiv PFC auf einen Minimalwert von IFehler = √2*UZWKmin/RFehler zurückgehen. Bei letzterem fließt immer ein momentaner Gleichstrom.

Berücksichtigung eines Isolationsfehlers

Die Messungen zeigen das Verhalten der beiden Schaltungstopologien unter der Berücksichtigung eines Isolationsfehlers. Hierzu wurde bei der Elektronik mit passiv PFC ein Widerstand von RFehler = 440 Ωzwischen UZWK+ und PE (Aluminiumgehäuse des Motors) eingebaut. Bei der Variante mit aktiver PFC betrug der Widerstand RFehler = 950 Ω. Da sich die Zwischenkreisspannung zwischen den beiden Elektroniken unterscheidet, wurden die Widerstände so angepasst, dass der Fehlerstrom sich knapp über der Auslöseschwelle des FI-Schutzschalters befindet. Es wurde bei beiden Fehlersimu­lationen ein FI-Schutzschalter mit einem Auslösestrom von IAuslöse = 300 mA verwendet.

In der grünen Messkurve bei der Messung bei einer Kommutierungselektronik mit passiver PFC ist der Spannungsabfall über dem „Fehlerwiderstand“ und in der violetten Messkurve der daraus resultierende Strom durch den Widerstand dargestellt. Die gleiche Messung wurde bei Verwendung einer Kommutierungselektronik mit aktiver PFC als Boost-Konverter durchgeführt (Bild 1). Bei beiden Messungen war in der Installation kein FI-Schutzschalter verbaut, um den auftretenden Stromverlauf im Fehlerfall zu demonstrieren.

Typ A: Kein Schutz bei aktiver PFC

Für Messungen wurde in die Spannungsversorgung ein FI-Schutzschalter des Typs A eingebaut. Auch in diesen Abbildungen zeigt Ch2 (blaue Messkurve) die sinusförmige Eingangsspannung und Ch4 (grüne Messkurve) die Spannung zwischen UZWK+ und PE. Der Fehlerstrom durch den Widerstand RFehler wird durch Ch3 (violette Messkurve) dokumentiert.

Jeweils zum Zeitpunkt T1 wird der Widerstand RFehler zugeschaltet. Es stellt sich ein Fehlerstrom entsprechend obiger Beschreibung ein, dessen Stromstärke in beiden Fällen über dem Auslösewert des verwendeten FI-Schutzschalters liegt. Die Messung zeigt, dass der FI-Schutzschalter Typ A bei der Schaltung mit passiver PFC ca. 30ms nach Auftreten des Isolationsfehlers die Spannungsversorgung trennt (Bild 2). Der gleiche Versuchsaufbau, jedoch mit einer Elektronik mit aktiver PFC als Boost-Konverter führt zu einem anderen Ergebnis. Der Fehlerwiderstand wurde wieder auf RFehler = 950 Ω eingestellt. Trotz des eingefügten Isolationsfehlers zum Zeitpunkt T1 löst der FI-Schutzschalter des Typs A nicht aus. Ein Schutz ist mit diesem Typ Schutzschalter für derartige Applikationen nicht geben (Bild 3).

Sicher abschalten: FI-Schutzschalter Typ B

Daraufhin wurde die gleiche Messung nochmals wiederholt, jedoch der FI-Schutzschalter des Typs A durch einen FI-Schutzschalter des Typs B ersetzt (Bild 4). Mit dieser Art Schutzschalter wird in dieser Messung nach ca. 160 ms nach Auftreten des Fehlers die Schaltung durch die Schutzeinrichtung vom Netz getrennt. FI-Schutzschalter des Typs A können also bei Geräten mit aktiver PFC keine Fehlströme detektieren, es wird also im Fehlerfall nicht abgeschaltet. 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 FI-Schutzschalter des Typs B die richtige Wahl.

* Günter Haas, MEng., Dipl.-Ing. (FH) Entwicklung Elektronik bei EBM-Papst Mulfingen

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