Was ist thermische Kalibrierung und warum benötigen MCB- und MCCB-Hersteller sie?

In einer Sicherungsautomatenfabrik ist der Moment, der entscheidet, ob ein fertiger MCB sicher oder Ausschuss ist, thermal calibration. Es ist der Schritt, bei dem das Bimetallelement in jedem Schutzschalter zugeschnitten und überprüft wird, damit das Gerät innerhalb des vom Standard geforderten genauen Zeitfensters auslöst – nicht eine Sekunde zu früh, nicht eine Sekunde zu spät. Käufer nennen diese Phase oft den Verzögerungstest, weil tatsächlich gemessen wird, wie lange ein Schutzschalter benötigt, um bei einem bestimmten Überstrom auszulösen. Für Hersteller von MCBs, MCCBs und RCBOs, die in Märkte mit IEC-Konformität liefern, ist das richtige Durchführen dieses Schritts der Unterschied zwischen einem Produkt, das einen Stromkreis schützt, und einem, das eine Prüfung nicht besteht. Dieser Artikel erklärt, was MCB-Thermokalibrierung tatsächlich ist, wie der Verzögerungstest in Langzeit- und Kurzzeitverifikation unterteilt wird, warum die B-, C- und D-Kurven unter IEC 60898-1 unterschiedliche Bestehenskriterien haben und welche Ausrüstung den Prozess in einer modernen Produktionslinie durchführt.

Von Huang Xiaolei | Benlong Automation

Was ist Thermokalibrierung in der Herstellung von Schutzschaltern?

Die thermisch-magnetische Auslösetechnik wird von nahezu allen Niederspannungsschutzschaltern verwendet. Eine Überlastsituation wird mit einem Bimetallstreifen behandelt, der aus zwei Metallen besteht, die mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten zusammengefügt sind. Wenn der Strom die festgelegten Grenzen überschreitet, wird der Streifen heiß und biegt sich in Richtung des Metalls, das sich langsamer ausdehnt. Eine ausreichende Biegung bewirkt, dass der Streifen den Auslösehebel freigibt. Nach einer Überlast gilt: Je höher der Strom, desto schneller wird der Heizer und somit erfolgt die Auslösung schneller. Dieses Merkmal des Geräts zeigt, dass die Thermokalibrierung der gesamte Herstellungsprozess von Schutzschaltern ist, bei dem der Bimetallstreifen eingestellt wird, entweder durch Biegen, wobei die Schraube justiert oder die Auslöseverbindung verschoben wird, um sicherzustellen, dass die Auslösezeit innerhalb des vom aktuellen Standard für jeden Prüfstrom vorgegebenen Bereichs liegt.

Ihre Bedeutung kann nicht überschätzt werden, da sie hilft, Begriffe, die leicht verwechselt werden, klar zu trennen. Kalibrierung bedeutet, den Mechanismus so einzustellen, dass er das Zielzeitfenster trifft oder zu überprüfen, ob er diesen Punkt erreicht. Tatsächlich erfolgen beide Prozesse gleichzeitig, da der Bediener Strom einspeist und die Zeit misst, bevor der Streifen für eine erneute Prüfung eingestellt wird, da ein wichtiger Fakt zu beachten ist: Mechanische und Materialeigenschaften unterscheiden sich bei jedem Bimetall, was die Notwendigkeit einer individuellen Kalibrierung überhaupt erst begründet. Ein fehlerhaftes Gerät, das die Kalibrierungsanforderungen nicht erfüllt, kann während des normalen Betriebs auslösen oder, noch schlimmer, bei einer Überlastung blockieren.

Somit werden im Prozess zwei Eigenschaften berücksichtigt – die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit des Outputs. Ein wichtiges Detail ist, dass die Bediener bei Problemen mit der Ausrüstung den Auslöser vom Kaltstart aus überprüfen können. Der Einstellbereich ist ziemlich streng, normalerweise einige Prozent beim Auslösestrom, was bedeutet, dass der Fehlerbereich für den Prüfstand viel kleiner sein sollte als der für das Kalibriergerät. Dies erklärt die Notwendigkeit zuverlässiger Kalibriergeräte, um den effizienten Betrieb des Geräts sicherzustellen.

Die zwei Auslösefunktionen hinter jedem Verzögerungstest

Um zu verstehen, warum der Verzögerungstest in zwei Segmente unterteilt ist, müssen wir verstehen, dass es zwei unabhängige Schutzfunktionen im Leistungsschalter gibt. Der thermische Schutz oder Überlastschutz stammt vom Bimetallstreifen, der langsam reagiert, von Sekunden bis Stunden, und somit den Langzeitanteil in der Auslösekurve bildet. Dieser wird durch die thermische Charakteristik eingestellt. Der magnetische Schutz oder Kurzschlussschutz stammt vom Elektromagneten oder Solenoid, der mit Millisekunden-Geschwindigkeit auf den hohen Fehlerstrom reagiert und somit den Kurzzeit- oder Sofortanteil der Kurve bildet.

Wenn wir uns das von jedem Hersteller veröffentlichte Log-Log-Zeit-Strom-Diagramm ansehen, sehen wir, dass der thermische Bereich dem oberen geneigten Teil der Kurve entspricht, während der magnetische Bereich dem nahezu vertikalen unteren Teil entspricht. In der Fertigungspraxis werden diese beiden Eigenschaften mit unterschiedlichen Strömen, Zeit-Toleranzen und manchmal unterschiedlichen Prüfständen getestet. Daraus ergibt sich die Aufteilung in Langzeit- versus Kurzzeitverzögerung: Die Langzeitverzögerungscharakteristik testet das thermische Bimetall, und die Kurzzeit- oder Sofortcharakteristik testet die magnetische Spule. Daher ist es äußerst wichtig, diese beiden Typen getrennt zu halten.

Langzeitverzögerungstest: Der Kern der thermischen Kalibrierung

Der Langzeitverzögerungstest ist das Herzstück der thermischen Kalibrierung von Leistungsschaltern. Er bestätigt die Aktivierung des Bimetalls zur richtigen Zeit unter den angegebenen Überlastströmen. Gemäß der IEC 60898-1 Norm müssen alle Tests bei einer Lufttemperatur von +30 °C und vom Kaltstartpunkt aus durchgeführt werden; die Stromcharakteristiken werden für die drei Überlastpunkte gezeigt, die für alle B-, C- und D-Kurven gleich bleiben.

Das Paar 1,13 × und 1,45 × legt die Grenzen der akzeptablen Überlastleistung des Leistungsschalters fest; während der Leistungsschalter eine Überlast von etwas über 13% ohne Fehlauslösung aushalten muss, muss er in der Lage sein, auch eine Überlast von 45% auf konventionelle Weise zu unterbrechen. Diese Faktoren bestimmen die Lage der Wärmekurve im Diagramm. Der einzige Grund, warum sich die traditionelle Zeit nach 63 A von einer Stunde auf zwei Stunden ändert, ist, dass größere Leistungsschalter mit größeren Kontakten eine viel größere Wärmekapazität haben und länger brauchen, um stabil zu werden.

In Bezug auf die Produktion wird der Punkt 2,55 × In praktisch zur Kalibrierung des Leistungsschalters verwendet, da er erlaubt, die Abschaltzeit in Sekunden zu messen, im Gegensatz zur Stunde, die bei traditionellen Messungen gewonnen wird. Somit kann eine bestimmte Strommenge durch den Leistungsschalter geleitet werden, während die Auslösezeit gemessen wird, um diese Zeit mit dem Servo oder dem Bediener anzupassen. Die zeitaufwendigeren Messungen, die mittels der Punkte 1,13 × und 1,45 × durchgeführt werden, unterstützen die oben erzielten Ergebnisse.

Benlong baut Geräte genau für diese Phase. MCB Langzeit-Thermokalibrierbank führt Überlastprüfungen nach IEC 60898-1 an mehreren Stationen mit einer hochstabilen Stromquelle durch, während der halbautomatische thermische Auslösekalibrierstand Typ-A und sein kartenbasiertes Pendant Typ-B programmierbare Überlastkalibrierung mit schnellem Wechsel zwischen MCB-Familien handhaben. Für MCCBs, die nach IEC 60947-2 geregelt sind, verschieben sich die Referenzpunkte — der konventionelle Nicht-Auslösestrom wird zu 1,05 × In und der konventionelle Auslösestrom zu 1,3 × In — aber das Kalibrierungsprinzip bleibt unverändert.

Kurzzeitverzögerungs- und Sofortprüfung: Wo sich B, C und D unterscheiden

Der zweite Teil des Verzögerungstests bewertet das magnetische Element oder die Kurzschlussreaktion. Dies wird von Kunden häufig als Kurzzeitverzögerung oder Zeitverzögerungstest bezeichnet und ist der Punkt, an dem sich die B-, C- und D-Kurven unterschiedlich verhalten. Das Niveau, bei dem die magnetische Auslösung erfolgt, wird durch die Menge des Nennstroms definiert, die benötigt wird, um den Leistungsschalter gemäß der Sofortkonvention von 0,1 Sekunden auszulösen. Ein niedrigeres Vielfaches entsprechend dem Kurventyp gibt den Strom an, bei dem der Leistungsschalter weiterhin in Betrieb bleiben muss, und ein höheres Vielfaches zeigt an, bei welchem der Leistungsschalter auslösen muss.

Der Test wird pro Kurventyp in zwei Phasen durchgeführt. Zuerst bestätigt ein Halttest, dass der Leistungsschalter innerhalb von 0,1 s bei der unteren Vielfachen nicht auslöst — 3 × In für B, 5 × In für C, 10 × In für D. Dann bestätigt ein Auslösetest, dass er innerhalb von 0,1 s bei der oberen Vielfachen auslöst — jeweils 5, 10 und 20 × In. Nehmen wir einen Typ-C-Leistungsschalter mit 16 A: Er muss 80 A (5 ×) ohne sofortiges Auslösen überstehen, darf aber bei 160 A (10 ×) fast sofort öffnen. Derselbe 16-A-Leistungsschalter vom Typ B würde bei 80 A sofort auslösen, und vom Typ D würde er bis zu 320 A tolerieren, bevor der Magnet wirkt. Diese Spannweite ist genau der Grund, warum die Kurvenauswahl die Einschaltstromtoleranz und die nachgeschaltete Koordination bestimmt: Eine D-Kurve übersteht den momentanen Anstieg eines Motors oder Transformators, der eine B-Kurve unnötig auslösen würde.

Ein Punkt verdient besondere Betonung für jeden, der eine Testspezifikation schreibt. Die Bestehenskriterien, die sich zwischen B, C und D unterscheiden, gehören zum magnetischen (sofortigen) Auslösen, nicht zum thermischen Überlastauslöser.. Die bimetallische Seite, die echte thermische Kalibrierung, ist für alle drei Kurven gleich. Und bei einem Leitungsschutzschalter ist diese Kurzschlussreaktion sofortig und nicht wirklich verzögert; der Begriff Kurzzeitverzögerung wird in der Werkstatt locker verwendet. Eine echte, absichtlich eingestellte Kurzzeitverzögerungszone erscheint nur bei Leistungsschaltern mit einstellbaren Auslöseeinheiten, die im Folgenden behandelt werden. Für die magnetische Prüfung von Leitungsschutzschaltern und kleinen Leistungsschaltern ist Benlongs Prüfstand für manuelle magnetische Auslöser von MCCBs speziell entwickelt, mit einer programmierbaren 5–10 × In Stromquelle und Millisekunden-genauer Zeitmessung für eine klare Bestehens-/Nichtbestehensbewertung.

Anwendbare Normen: IEC 60898-1, 60947-2 und 61009

Die geeigneten Bestehenskriterien hängen von der Norm ab, nach der das Produkt zertifiziert ist, und eine falsche Anwendung birgt ein echtes Risiko. Leitungsschutzschalter, die im Haushalt und ähnlichen Umgebungen eingesetzt werden, unterliegen der Norm IEC 60898-1, die die Klassifizierungen B, C, D festlegt. Die Norm IEC 60947-2 regelt den Einsatz von Leistungsschaltern und industriellen Leistungsschaltern, daher gibt es hier die konventionellen Ströme (1,05 × und 1,3 × In) und flexiblere Funktionen. Die Norm IEC 61009-1 regelt den Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern (RCBOs), die neben den Fehlerstromtests auch dieselben Tests wie Leitungsschutzschalter für thermische und magnetische Funktionen durchlaufen müssen. Ein einzelner Schalter kann nach beiden Normen zertifiziert sein, wobei die Temperaturreferenz je nach verwendeter Norm unterschiedlich festgelegt sein kann.

Die Referenztemperatur ist einer der Faktoren. Nach IEC 60898-1 erfolgt die Kalibrierung bei 30 °C, während Geräte, die der IEC 60947-2 entsprechen, bei 40 °C getestet werden. Gleichzeitig kann dasselbe Gerät für jede der genannten Normen mit anderen Temperaturwerten getestet werden. Die Referenztemperatur beeinflusst auch die von den Anwendern verwendete Abminderungstabelle, sodass ein Leistungsschalter, der mit der falschen Referenz getestet wurde, nach bestandenen Normtests ausfallen kann. Daher ist die Festlegung der Temperatur während der Prüfung nicht nur eine Laborformalität, sondern auch eine eindeutige Qualitätsanforderung.

MCCB Thermische Kalibrierung und die LSI(G) Verzögerungsbereiche

Leistungsschalter mit Gehäuse fügen eine zusätzliche Komplexitätsebene hinzu. Kleinere thermisch-magnetische MCCBs werden ähnlich wie MCBs kalibriert, indem ein Bimetall für den Überlastbereich justiert und der Elektromagnet für den Kurzschlusstrip überprüft wird. Viele moderne MCCBs verwenden jedoch elektronische Auslöseeinheiten, und hier MCCB thermische Kalibrierung wird zur Einstellung und Überprüfung programmierbarer Schutzparameter, anstatt Metall zu biegen. Diese Auslöseeinheiten werden üblicherweise mit dem LSI- oder LSIG-Schema beschrieben, wobei jeder Buchstabe einen separat einstellbaren Schutzbereich darstellt:

• L, Langzeitverzögerung: die Überlastfunktion, äquivalent zum thermischen Element, mit einstellbarem Einschaltstrom und Zeitverzögerung, die das inverszeitige Überlastverhalten definieren.
• S, Kurzzeitverzögerung: eine echte, absichtliche Verzögerung bei moderaten Fehlerströmen, die verwendet wird, damit ein nachgeschalteter Leistungsschalter einen Fehler zuerst beseitigen und die Selektivität erhalten kann. Dies ist der echte Kurzzeitverzögerungsbereich, den MCBs einfach nicht haben.
• I, Sofortauslösung: sofortiges Auslösen oberhalb einer hohen Schwelle ohne absichtliche Verzögerung, für schwere Kurzschlüsse.
• G, Erdschluss: optionale Erdschlussüberwachung bei Vierpol- und höherwertigen Geräten.

Bei einem elektronischen MCCB überprüft der Verzögerungstest, dass jeder Bereich innerhalb der Toleranz bei seinen programmierten Einstellungen auslöst, indem nacheinander Strom an den L-, S- und I-Schwellen eingespeist und die Reaktionszeit gemessen wird. Bei einem thermisch-magnetischen MCCB wird das Bimetall und der Elektromagnet direkt überprüft, genau wie bei einem MCB, jedoch bei höheren Strömen und größeren Baugrößen. In jedem Fall muss die Ausrüstung deutlich höhere Prüfströme als ein MCB-Prüfstand liefern. Benlongs MCCB Laboratory Integrated Testing bench ist dafür ausgelegt, magnetische Auslösungstests, thermische Kalibrierung und thermische Langzeitkalibrierung in einer Station durchzuführen, was sowohl für das F&E-Labor als auch für den Typprüfungssaal geeignet ist.

Wie die thermische Kalibrierung in einer Produktionslinie durchgeführt wird

Ein typischer thermischer Auslösetest Ablauf auf einer modernen MCB-Linie folgt einer wiederholbaren Sequenz. Ein kontrollierter Überlaststrom, üblicherweise bei 2,55 × In, wird durch den zu prüfenden Leistungsschalter mit einer stabilisierten Quelle mit geringer Oberschwingungsverzerrung eingespeist, da eine verzerrte Wellenform die Erwärmung verändert und das Messergebnis verfälscht. Ein hochauflösender Timer zeichnet den genauen Moment auf, in dem der Leistungsschalter öffnet, typischerweise auf einen Bruchteil eines Prozents der Messung genau. Fällt die Auslösezeit außerhalb des zulässigen Bereichs, wird das Bimetall gebogen oder seine Einstellschraube angepasst – durch einen Bediener an einem halbautomatischen Prüfstand oder durch einen Servokopf in einer vollautomatischen Zelle. Die Einheit wird dann erneut aus kaltem Zustand getestet, und das Bestehen/Nichtbestehen sowie die Auslösezeit werden protokolliert, oft per USB exportiert oder an ein MES zur vollständigen Rückverfolgbarkeit übertragen. Währenddessen wird die Temperatur im Prüfbereich überwacht und kompensiert, da die Norm 30 °C als Referenz angibt; die Kalibrierung bei falscher Umgebungstemperatur ist eine der häufigsten Ursachen für Fehler bei der Auslösezeit im Feld..

Die Automatisierung dieser Sequenz zahlt sich auf drei Arten aus: Konsistenz, weil ein Servo präziser einstellt als eine Hand; Geschwindigkeit, weil parallele Stationen die langen konventionellen Tests übernehmen; und Rückverfolgbarkeit, weil die Daten jeder Einheit erfasst und nicht nur stichprobenartig geprüft werden. Produkte mit höherer Spezifikation werden oft an 100% Einheiten kalibriert, während Standard-MCBs einem definierten Stichprobenplan folgen können. Qualität im Vorfeld ist ebenfalls wichtig – die Bimetallbaugruppe muss konsistent gefertigt werden, bevor sie überhaupt kalibriert werden kann, weshalb Benlong auch die MCB-Thermoauslöser, automatische Schweißleitung für die Herstellung der thermischen Auslöseeinheit mit wiederholbarer Schweißqualität liefert. Konsistente Komponenten, die in die Kalibrierung eingehen, bedeuten weniger Einheiten, die außerhalb des Fensters liegen, und weniger Nacharbeit im weiteren Prozess.

Die Stromquelle selbst ist der stille Held der gesamten Phase. Da das Bimetall auf Erwärmung reagiert, hängt die Auslösezeit vom tatsächlichen Effektivwertstrom und dessen Wellenformqualität ab, nicht nur von einem nominalen Sollwert. Eine Quelle, die unter Last einbricht, mit zunehmender Erwärmung ihrer eigenen Komponenten driftet oder erhebliche Oberschwingungsverzerrungen aufweist, erwärmt den Streifen anders als die saubere Sinuswelle, die der Standard voraussetzt, und jede Einheit, die dagegen kalibriert wird, übernimmt diesen Fehler. Deshalb leistet eine stabile, geschlossene Regelstromquelle mit niedriger Gesamtoberschwingungsverzerrung in Kombination mit soliden, niederohmigen Testkontakten mehr für den Ertrag als fast jeder andere einzelne Faktor am Prüfstand.

Warum Schalter bei Verzögerungstests ausfallen

Selbst wenn ein Schalter gut konstruiert ist, kann er dennoch Ausschuss produzieren, wenn der Herstellungsprozess abweicht. Die häufigsten Gründe, warum ein Schalter den Verzögerungstest nicht besteht, sind hohe Umgebungstemperaturen, die von der Referenztemperatur von 30 °C abweichen und das gesamte thermische Band nach links oder rechts verschieben; instabiler Strom, der die Wärmezufuhr zum Bimetall verändert; falscher Widerstand an den Anschlüssen, der zusätzliche Wärme erzeugt; unzureichende Abkühlzeit zwischen den Tests, sodass das Bimetall Restwärme behält; falsche Kurvenkarte oder Programm; und mechanische Drift nach der Kalibrierung, die zu hoher Streuung zwischen aufeinanderfolgenden Tests führt. Die meisten dieser Probleme entstehen durch Steuerungsprobleme und können beseitigt werden, wenn der Prüfstand eine stabile Stromversorgung, exzellente Temperaturkompensation und ein automatisches Datenerfassungssystem besitzt.

Der Verzögerungstest ist nur eine Säule der Qualitätssicherung von Schaltern. Er steht neben der Dielektrik- und Isolationsprüfung – wenn Sie einen vollständigen Testplan erstellen, behandelt unsere Erklärung zu Hi-Pot-Tests die Spannungsfestigkeitsprüfung, die parallel zu den thermischen und magnetischen Prüfungen läuft.

Auswahl von Geräten für thermische Kalibrierung und Verzögerungstests

Die Abstimmung des Prüfstands auf das Produkt ist entscheidend. Eine einzelne MCB-Familie mit moderatem Volumen wird gut von einem halbautomatischen Kalibrierprüfstand bedient; eine Anlage, die viele Modelle produziert, profitiert von kartenbasiertem Wechsel, sodass eine Linie innerhalb von Minuten zwischen Familien wechseln kann; und eine MCCB- oder ACB-Fertigung benötigt Prüfstände mit höherem Strom und größeren Baugrößen, die den erforderlichen Bereich abdecken. Das vollständige Sortiment dieser Systeme von Benlong finden Sie im Testbench-Projekt Katalog, der MCB-Thermokalibrierprüfstände, MCCB-Magnetauslösprüfstände, integrierte Labortester und umfassende ACB-Prüfstationen umfasst. Da sich der Modellmix, die Ziel-Durchsatzrate und die Zykluszeit jeder Anlage unterscheiden, werden diese Prüfstände typischerweise auf das Produkt des Kunden konfiguriert und nicht als feste Katalogeinheiten verkauft.

Abschluss

Die Thermokalibrierung ist der Schritt, in dem ein Leistungsschalter seine Nennwerte erhält. Der Verzögerungstest, der dies überprüft, teilt sich sauber in einen Langzeitverzögerungsteil, der das thermische Bimetall gemäß den Überlastpunkten der IEC 60898-1 einstellt und prüft, und einen Kurzzeit- oder Sofortteil, der den magnetischen Auslöser überprüft – und es ist die magnetische Seite, die den B-, C- und D-Kurven ihre unterschiedlichen Durchgangskriterien verleiht. Stellen Sie die Umgebung, die Stromwellenform und das Timing richtig ein, kalibrieren Sie jedes Bimetall einzeln, protokollieren Sie die Ergebnisse, und das Ergebnis ist ein Schalter, der genau dann auslöst, wenn er soll, und hält, wenn er soll. Für Hersteller, die diesen Prozess skalieren, verwandelt die richtige Kombination aus Kalibrier- und Verzögerungsprüfständen eine langsame, bedienerabhängige Aufgabe in eine wiederholbare, rückverfolgbare Produktionsstufe.