Motorschutzfunktionen

Unter Motorschutzfunktionen versteht man den Aufbau der Motorstromkreise, um zu verhindern, dass die Motoren gegen Zustände geschützt werden, die Leistung und Performance beeinträchtigen, wie z. B.: Überhitzung, vorzeitiges Altern, Beschädigung von Wicklungen, Beschädigung von Kupplungen oder Getrieben,...

Die Schutzsysteme werden im Wesentlichen in vier Klassen eingeteilt: „Basis“, „Erweitert“, „Hochwertig“ und „Höchstwertig“.

• „Basis“-Schutz kann für jeden Motor und Anwendungsfall angewendet werden,
• „Erweiterter“ Schutz trifft auf hochwertige Motoren mit speziellen Anforderungen zu,
• „Hochwertige“ und „Höchstwertige“ Schutzsysteme sind für Hochleistungsmotoren, hochverfügbare Anwendungen oder Motoren in kritischen Prozessanwendungen oder wenn Fehlerströme gegen Erde sehr genau gemessen werden müssen (>0,01 A). Wie in nachfolgender Tabelle in Abb. N58 dargestellt, beziehen sich die „höchstwertigen“ Schutzmaßnahmen nicht ausschließlich auf Strom- sondern auch auf Spannungsfunktionen.

Abb. N58 – Klassifizierung von Motorschutzfunktionen

Schutz	Basis	Erweitert	Hochwertig	Höchstwertig
Kurzschluss	☑	☑	☑	☑
Thermische Überlast	☑	☑	☑	☑
Phasenunsymmetrie Strom	☑	☑	☑	☑
Phasenausfall	☑	☑	☑	☑
Überstrom	☑	☑	☑	☑
Fehlerstrom gegen Erde	☑	☑	☑	☑
Überschreitung Anlaufzeit		☑	☑	☑
Blockierter Rotor		☑	☑	☑
Stromabfall		☑	☑	☑
Phasenfolge			☑	☑
Thermischer Motorschutz (PTC Fühler)			☑	☑
Anlaufschutz			☑	☑
Lastmanagement			☑	☑
Anzahl Anlassvorgänge			☑	☑
Phasenunsymmetrie Spannung				☑
Ausfall Phasenspannung				☑
Drehfeld				☑
Drehfeld				☑
Überspannung				☑
Unterlast				☑
Unterlastfaktor				☑
Überlastfaktor				☑
Motorlast				☑

Auflistung der Motorschutzfunktionen und der daraus resultierenden Maßnahmen:

Kurzschluss = Trennung im Falle eines Kurzschlusses an den Motoranschlussklemmen oder in der Motorwicklung.
Thermische Überlast = Trennung im Falle eines dauerhaften Betriebes des Motors mit einem Drehmoment über dem Normaldrehmoment. Überlast wird durch Messen des Statorstromes oder über PTC-Fühler festgestellt.
Phasenunsymmetrie Strom = Trennung im Falle eines stark abweichenden Phasenstromes, der für einen Anstieg der Verlustleistung und eine Überhitzung des Motors verantwortlich ist.
Phasenausfall = Trennung des Motors, wenn ein Phasenstrom den Wert Null annimmt, da dies als Folge eines Kabelbruches oder einer fehlerhaften Anschlussverbindung auftritt.
Überstrom = Alarmmeldung oder Trennung des Motors im Falle eines überhöhten Phasenstromes, da an der Welle ein überhöhtes Drehmoment auftritt.
Fehlerstrom gegen Erde = Trennung im Falle eines Fehlers zwischen Motoranschlussklemme und Erde. Auch wenn der Fehlerstrom gering sein sollte, kann eine rasche Beseitigung des Fehlers eine Zerstörung des Motors verhindern. Wenn die Genauigkeit nicht sehr hoch sein muss (ca. 30 %), kann man diesen Strom durch die Summenströme der drei Phasen messen. Wenn die Genauigkeit sehr hoch sein muss, muss man einen Fehlerstromwandler (Genauigkeitsklasse 0,01 A) einsetzen.
Überschreitung Anlaufzeit = Trennung des Motors, wenn die Anlaufzeit den eingestellten Wert überschreitet (aufgrund mechanischer Probleme oder Spannungseinbruch), um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden.
Blockierter Rotor = Trennung des Motors um Überhitzung und mechanische Beschädigungen zu vermeiden, wenn der Antrieb im Betrieb aufgrund äußerer Einflüsse blockiert ist.
Stromabfall = Alarmmeldung oder Trennung des Motors, wenn ein zu geringer Strom gemessen wird, als Folge eines Leerlaufbetriebszustandes (Entwässerungspumpe, Kavitation, gebrochene Achse, ...).
Phasenfolge = Trennung, wenn eine falsche Phasenfolge erkannt wird.
Thermischer Motorschutz (PTC-Fühler) = Alarmmeldung oder Trennung, wenn über die Temperaturfühler eine Überhitzung festgestellt wird.
Anlaufschutz = Schützt vor Einschaltung und Überhitzung aufgrund zu häufiger Anlaufvorgänge.
Lastmanagement = Trennung des Motors, wenn ein Spannungseinbruch erkannt wird, um die Einspeiseleistung zu reduzieren und zur Spannungsstabilität zurückzukehren.
Phasenunsymmetrie Spannung = Trennung des Motors, wenn eine starke Spannungsunsymmetrie erkannt wird, führt zu einer Erhöhung der Verlustleistung und Überhitzung.
Ausfall Phasenspannung = Trennung des Motors bei Ausfall der Netzspannung. Diese Überwachung ist notwendig, um einen 1-phasigen Weiterbetrieb des Motors zu vermeiden, was zu einem Drehmomentverlust, einer Erhöhung des Statorstromes und einem Verlust der Anlaufsteuerung führt.
Drehfeld = Schutz der Anschlüsse und Vermeidung einer falschen Drehrichtung, wenn die Kabelanschlüsse an den Motoranschlussklemmen nicht in der richtigen Phasenfolge montiert wurden, kann z. B. nach einer Wartung auftreten.
Unterspannung = Trennung des Motors, wenn ein Spannungseinbruch einen sicheren Weiterbetrieb nicht gewährleistet.
Überspannung = Trennung des Motors, wenn eine dauerhafte Überspannung einen sicheren Weiterbetrieb nicht gewährleistet.
Unterlast = Trennung des Motors, wenn die Aufnahmeleistung sich verringert, da dies ein Anzeichen für den Leerlauf einer Entwässerungspumpe (Zerstörung der Pumpe) oder eine gebrochene Welle, ist.
Überlast = Alarmmeldung oder Trennung des Motors, wenn die Leistung über die Normalleistung ansteigt, da dies zu einer Überlastung führt.
Unterlastfaktor = Kann zum Erkennen kleiner Leistungen verwendet werden für Motoren, mit einem höhen Leerlaufstrom.
Überlastfaktor = Kann zum Erkennen des Endes einer Anlaufperiode genutzt werden.

Die Folge einer Überhitzung ist eine Verringerung der Isolationsfähigkeiten von Materialien, die zu einer wesentlichen Reduzierung der Motorlebensdauer führt. Dies ist in Abbildung N59 dargestellt und zeigt die Wichtigkeit einer Überlast- und Übertemperaturüberwachung.

Abb. N59 – Lebensdauer eines Motors in Abhängigkeit der Übertemperatur

Überlastrelais (thermomagnetisch oder elektronisch) schützen die Motoren gegen Überlast, dürfen aber auch nicht bei den zeitlich begrenzten höheren Anlaufströmen auslösen, da dies normale Betriebszustände und keine Fehlerströme sind.

Je nach Applikation kann die Anlaufzeit zwischen wenigen Sekunden (lastfreier Anlauf, geringes Drehmoment usw.) bis zu einer Vielzahl von Sekunden (hohes mechanisches Drehmoment, hohe Trägheit der anzutreibenden Last usw.) betragen. Es ist daher notwendig, das richtige Schutzrelais nach Anwendung und Art des Anlaufs eines Motors festzulegen.

Um diese Voraussetzungen zu definieren, legt IEC 60947-4-1 (VDE 0660-102) verschiedene Auslöseklassen für Relais fest. Jede Klasse ist über die Auslösekennlinie (siehe Abb. N60a) definiert.

Abb. N60a – Auslösekennlinie von Überlastrelais

Der Stromeinstellbereich eines Relais ist auf den Nennstrom des Motors unter Berücksichtigung des Anlaufstromes festzulegen.

Auslöseklasse 10: speziell geeignet für Motoren unter normalen Betriebsbedingungen.

Auslöseklasse 20: speziell geeignet für Motoren unter erschwerten Betriebsbedingungen.

Auslöseklasse 30: speziell geeignet für Motoren mit sehr langen Motoranlaufzeiten.