Wie funktioniert ein AC-MCB?

AC MCB oder Alternating Current Miniature Circuit Breaker ist eine entscheidende Komponente in elektrischen Systemen. Als Lieferant von AC-MCBs bin ich mit deren Funktionsprinzipien und Anwendungen bestens vertraut. In diesem Blog werde ich näher auf die Funktionsweise eines AC-MCB eingehen.

Grundfunktionen eines AC-MCB

Ein AC-MCB dient zum Schutz von Stromkreisen vor Überstrom und Kurzschlüssen. Ein Überstrom kann aus verschiedenen Gründen auftreten, beispielsweise weil zu viele Elektrogeräte an einen einzigen Stromkreis angeschlossen sind oder ein Fehler in einem der Geräte vorliegt. Kurzschlüsse hingegen treten auf, wenn eine direkte Verbindung zwischen den stromführenden und neutralen Drähten besteht, was zu einem sehr hohen Stromfluss führt. Die Hauptfunktion eines AC-MCB besteht darin, diese anormalen Stromstärken zu erkennen und den Stromkreis schnell zu unterbrechen, um Schäden an der elektrischen Ausrüstung und potenzielle Brandgefahren zu vermeiden.

Komponenten eines AC-MCB

Bevor Sie verstehen, wie ein AC-MCB funktioniert, ist es wichtig, seine Schlüsselkomponenten zu kennen.

1. Kontakte: Dies sind die leitenden Teile, die den Stromfluss ermöglichen, wenn sich der MCB in der geschlossenen Position befindet. Wenn ein abnormaler Strom erkannt wird, trennen sich die Kontakte, um den Stromkreis zu unterbrechen.
2. Bimetallstreifen: Dies ist ein grundlegender Bestandteil des Überstromschutzmechanismus. Es besteht aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Metallen. Jedes Metall hat einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei einem Überstrom erwärmt sich der Bimetallstreifen aufgrund des erhöhten Stromflusses. Beim Erhitzen verbiegt es sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten der beiden Metalle.
3. Elektromagnetische Spule: Die elektromagnetische Spule ist für den Kurzschlussschutz verantwortlich. Bei einem Kurzschluss fließt eine große Strommenge durch die Spule und erzeugt ein starkes Magnetfeld.
4. Auslösemechanismus: Dieser Mechanismus wird entweder durch die Biegung des Bimetallstreifens (im Falle eines Überstroms) oder durch das von der elektromagnetischen Spule erzeugte Magnetfeld (im Falle eines Kurzschlusses) ausgelöst. Sobald es ausgelöst wird, werden die Kontakte getrennt und der Stromkreis unterbrochen.
5. Lichtbogenrutsche: Beim Trennen der Kontakte entsteht durch die Ionisierung der Luft zwischen den Kontakten ein Lichtbogen. Die Lichtbogenkammer ist darauf ausgelegt, diesen Lichtbogen schnell zu löschen. Es besteht aus einer Reihe von Metallplatten, die den Lichtbogen in kleinere Lichtbögen unterteilen, die dann abgekühlt und gelöscht werden.

Funktionsprinzip des Überstromschutzes

Schauen wir uns zunächst an, wie ein AC-MCB vor Überstrom schützt. Unter normalen Betriebsbedingungen liegt der durch den MCB fließende Strom innerhalb des Nennwerts. Der Bimetallstreifen bleibt in seiner Normalposition und die Kontakte bleiben geschlossen, sodass der Strom durch den Stromkreis fließen kann.

Wenn jedoch ein Überstrom auftritt, erhöht sich der durch den Bimetallstreifen fließende Strom. Gemäß dem Jouleschen Gesetz ((P = I^{2}R)), wobei (P) die als Wärme abgegebene Leistung, (I) der Strom und (R) der Widerstand des Bimetallstreifens ist, führt der erhöhte Strom zu einer Erwärmung des Bimetallstreifens.

Wenn sich der Bimetallstreifen erwärmt, beginnt er sich zu biegen. Die Biegung ist auf die unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten der beiden Metalle im Band zurückzuführen. Je mehr der Strom den Nennwert überschreitet, desto schneller erwärmt und verbiegt sich der Bimetallstreifen. Sobald die Biegung einen bestimmten Punkt erreicht, löst sie den Auslösemechanismus aus. Der Auslösemechanismus bewirkt dann, dass sich die Kontakte trennen, wodurch der Stromkreis unterbrochen und der Stromfluss gestoppt wird. Dieser Schutzmechanismus wirkt im Vergleich zum Kurzschlussschutz relativ langsam, da er auf der Erwärmung des Bimetallstreifens beruht, was einige Zeit in Anspruch nimmt.

Funktionsprinzip des Kurzschlussschutzes

Kurzschlüsse sind schwerwiegender als Überströme, da bei ihnen in sehr kurzer Zeit eine sehr große Strommenge durch den Stromkreis fließt. Wenn ein Kurzschluss auftritt, fließt der hohe Strom durch die elektromagnetische Spule.

Nach dem Ampereschen Gesetz erzeugt ein stromdurchflossener Leiter um ihn herum ein Magnetfeld. Im Fall der elektromagnetischen Spule im AC-MCB erzeugt der große Strom während eines Kurzschlusses ein starkes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld übt eine Kraft auf einen Stößel oder Anker aus, der mit dem Auslösemechanismus verbunden ist.

Die Kraft ist stark genug, um den Auslösemechanismus schnell auszulösen, wodurch sich die Kontakte fast augenblicklich trennen. Diese schnelle Reaktion ist entscheidend, um das elektrische System vor Schäden zu schützen, die durch den extrem hohen Strom bei einem Kurzschluss verursacht werden können.

Lichtbogenlöschung in einem AC-MCB

Wie bereits erwähnt, entsteht beim Trennen der Kontakte im AC-MCB ein Lichtbogen. Dieser Lichtbogen kann Schäden an den Kontakten verursachen und sogar den Stromkreis erneut entzünden, wenn er nicht schnell gelöscht wird. Dabei spielt die Lichtbogenkammer eine entscheidende Rolle.

Wenn sich der Lichtbogen bildet, wird er durch das Magnetfeld und den durch die Bewegung der Kontakte erzeugten Luftstrom in die Lichtbogenkammer gezogen. Im Inneren der Lichtbogenkammer wird der Lichtbogen durch die Metallplatten in mehrere kleinere Lichtbögen aufgeteilt. Diese kleineren Lichtbögen haben eine größere Kontaktfläche mit den Metallplatten, was eine effizientere Wärmeübertragung ermöglicht.

Wenn die Lichtbögen abkühlen, nimmt die Ionisierung der Luft zwischen den Kontakten ab und die Lichtbögen erlöschen schließlich. Dadurch wird sichergestellt, dass der Stromkreis offen bleibt und das elektrische System geschützt wird.

Anwendungen und verwandte Produkte

AC-MCBs werden häufig in verschiedenen elektrischen Systemen eingesetzt, darunter in Wohn-, Gewerbe- und Industrieumgebungen. In Wohngebäuden werden sie zum Schutz von Beleuchtungskreisen, Steckdosen und Geräten eingesetzt. In Gewerbegebäuden spielen sie eine entscheidende Rolle beim Schutz der elektrischen Systeme von Büros, Geschäften und Restaurants. In industriellen Umgebungen werden AC-MCBs zum Schutz von Hochleistungsmaschinen und -geräten eingesetzt.

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Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein AC-MCB eine wichtige Komponente in elektrischen Systemen ist und einen wesentlichen Schutz vor Überströmen und Kurzschlüssen bietet. Seine Funktionsprinzipien, die auf dem Bimetallstreifen zum Überstromschutz und der elektromagnetischen Spule zum Kurzschlussschutz basieren, gewährleisten die Sicherheit und Zuverlässigkeit elektrischer Schaltkreise. Die Lichtbogenkammer steigert ihre Leistung noch weiter, indem sie die beim Trennen der Kontakte entstehenden Lichtbögen schnell löscht.

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Referenzen

• Elektroinstallationshandbuch, Schneider Electric
• Prinzipien und Anwendungen der Elektrotechnik, Allan R. Hambley