[Zusammenfassung] Dieser Artikel erläutert den Zusammenhang zwischen Schutz und Steuerung von Asynchronmotoren und stellt verschiedene Schutzvorrichtungen für diese Motoren vor. Der Motorschutz lässt sich im Wesentlichen in zwei Kategorien einteilen: Stromüberwachungsgeräte umfassen thermische Relais, Leistungsschalter mit thermomagnetischer Auslösung, elektrische und Halbleiterrelais, Leistungsschalter mit elektronischer Auslösung sowie Sanftanlaufgeräte; Temperaturüberwachungsgeräte erfassen direkt die Wicklungstemperatur des Motors, darunter Bimetall-Temperaturrelais, Thermoschutzschalter, Messspulen und thermische Widerstands-Temperaturrelais. Aufgrund der Notwendigkeit, diese Geräte direkt in die Motorwicklungen einzubetten, ihrer hohen Kosten und des Wartungsaufwands werden sie jedoch nur in Anwendungen mit häufigem Betrieb eingesetzt. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass unabhängig von der Art der verwendeten Schutzvorrichtung die Abstimmung zwischen Überlastschutzvorrichtung und Motor sowie zwischen Überlastschutz- und Kurzschlussschutzvorrichtungen berücksichtigt werden muss. [Schlüsselwörter] Schutzvorrichtungen für Asynchronmotoren, Steuerung, Schutz von Asynchronmotoren, eine komplexe Aufgabe. In der Praxis müssen geeignete Schutzeinrichtungen und Anlaufgeräte entsprechend der Motorleistung, dem Motortyp, der Ansteuermethode und der Stromverteilungsanlage ausgewählt werden. Der Motorschutz ist eng mit der Ansteuermethode verknüpft; Schutz und Ansteuerung bedingen einander. Beim Direktanlauf eines Motors entsteht oft ein Anlaufstrom, der das 4- bis 7-Fache seines Nennstroms beträgt. Bei Ansteuerung über einen Schütz oder Leistungsschalter müssen die Kontakte der elektrischen Betriebsmittel den Anlaufstrom beim Ein- und Ausschalten aushalten. Selbst häufig betätigte Schütze unterliegen einem beschleunigten Kontaktverschleiß, der zu Schäden an den elektrischen Betriebsmitteln führen kann. Bei Kompaktleistungsschaltern ist es selbst bei seltener Betätigung schwierig, die Anforderungen zu erfüllen. Daher werden sie häufig in Reihe mit einem Anlasser im Hauptstromkreis geschaltet. In diesem Fall übernimmt der Schütz im Anlasser die Prüfung des Anlaufstroms, während die übrigen elektrischen Betriebsmittel lediglich die Prüfung des im Normalbetrieb auftretenden Motorüberlaststroms durchführen. Die Schutzfunktion wird durch die passende Schutzeinrichtung vervollständigt. Darüber hinaus kann der Motor auch kontaktlos, d. h. mittels Sanftanlauf, gesteuert werden. Der Hauptstromkreis des Motors wird über Thyristoren ein- und ausgeschaltet. Um Dauerverluste an diesen Bauteilen zu vermeiden, wird in manchen Fällen ein Vakuumschütz eingesetzt, das die Last des Hauptstromkreises (parallel zum Thyristor geschaltet) im Normalbetrieb trägt. Diese Steuerung bietet verschiedene Betriebsarten, z. B. programmierbar oder nicht programmierbar, lokal oder ferngesteuert sowie für sanften oder schnellen Anlauf. Mithilfe elektronischer Schaltungen lassen sich zudem verschiedene Schutzfunktionen, wie z. B. elektronische Relais, realisieren. Motorschutzvorrichtungen: Schäden an Motoren entstehen hauptsächlich durch Überhitzung der Wicklungen oder eine verminderte Isolationsleistung. Die Überhitzung der Wicklungen wird häufig durch zu hohen Stromfluss verursacht. Es gibt zwei Hauptarten des Motorschutzes: Strom- und Temperaturüberwachung. Im Folgenden werden die Produkte vorgestellt. 1. Stromdetektions-Schutzvorrichtung (1) Thermische Relais nutzen den Laststrom, der durch ein kalibriertes Widerstandselement fließt. Dieses erhitzt das Bimetall-Heizelement und bewirkt dessen Verformung, sodass die Relaiskontakte auslösen, bevor die Motorwicklungen durchbrennen. Die Auslösecharakteristik entspricht nahezu der zulässigen Überlastkennlinie der Motorwicklungen. Obwohl die Ansprechzeitgenauigkeit thermischer Relais im Allgemeinen nicht hoch ist, bieten sie einen effektiven Überlastschutz für Motoren. Durch kontinuierliche Verbesserung und Optimierung der Konstruktion verfügen sie neben der Temperaturkompensation auch über Schutzfunktionen gegen Phasenausfall und Lastunsymmetrie. Beispiele hierfür sind die bimetallischen thermischen Überlastrelais der T-Serie von ABB, die bimetallischen thermischen Überlastrelais der Serien 3UA5 und 3UA6 von Siemens sowie die thermischen Überlastrelais JR20 und JR36, wobei das JR36 ein weiterentwickeltes Produkt ist, das das veraltete JR16 ersetzen kann. (2) Für den Überlastschutz werden Leistungsschalter mit thermomagnetischer Auslösung zum Motorschutz eingesetzt. Ihr Aufbau und Funktionsprinzip entsprechen denen thermischer Relais. Nach dem Biegen des Bimetall-Thermoelements drücken einige Elemente direkt auf die Auslösevorrichtung, während andere die Kontakte schließen und so den Leistungsschalter auslösen. Der Elektromagnet hat einen hohen Einstellwert und schaltet nur bei Kurzschlüssen. Er ist einfach aufgebaut, klein, kostengünstig, erfüllt die geltenden Normen und bietet zuverlässigen Schutz. Daher findet er auch heute noch breite Anwendung, insbesondere in Leistungsschaltern mit geringer Nennleistung. Beispiele hierfür sind der von ABB eingeführte Motorschutzschalter Typ M611, der inländische Niederspannungs-Universalleistungsschalter DW15 (200–630 A) und die Kompaktleistungsschalter der S-Serie (100, 200, 400 A). (3) Das elektronische Überstromrelais erfasst das Fehlerstromsignal über die internen Phasenstromwandler und leitet nach der Verarbeitung durch die elektronische Schaltung die entsprechende Aktion ein. Die elektronische Schaltung ist flexibel und verfügt über vielfältige Funktionen, wodurch sie die Schutzanforderungen verschiedener Motortypen umfassend erfüllt. Ihre Merkmale sind: ① Mehrere Schutzfunktionen. Es gibt drei Haupttypen: Überlastschutz, Überlastschutz mit Phasenausfallschutz und Überlastschutz mit Phasenausfallschutz und Rückwärtsphasenschutz. ② Die Ansprechzeit ist wählbar (gemäß GB14048.4-93). Standardtyp (Klasse 10): 7,2 In (In ist der Nennstrom des Motors), Ansprechzeit 4–10 s, für den Überlastschutz von Standardmotoren. Schnellansprechender Typ (Klasse 10 A): 7,2 In, Ansprechzeit 2–10 s, für den Überlastschutz von Tauchmotoren oder Kompressormotoren. Langsamansprechender Typ (Klasse 30): 7,2 In, Ansprechzeit 9–30 Sekunden, für den Überlastschutz von Motoren mit langer Anlaufzeit, z. B. Gebläsemotoren. ③ Großer Stromeinstellbereich. Das Verhältnis von Maximal- zu Minimalwert kann in der Regel 3–4 Mal oder sogar höher sein (1,56 Mal bei thermischen Relais). Dies ist besonders geeignet für Anwendungen mit häufig wechselnder Motorleistung (z. B. im Bergbau). ④ Fehleranzeige. Die Fehlerkategorie wird durch LEDs angezeigt, was die Wartung erleichtert. (4) Halbleiterrelais: Es handelt sich um ein mikroprozessorgesteuertes Bauteil, das sich von einem einfachen elektronischen Relais zu einem Gerät mit vielfältigen Funktionen entwickelt hat. Kosten und Preis variieren je nach Funktionsumfang. Komplexe Relais eignen sich nur für größere und teurere Motoren oder wichtige Anwendungen. Zu den Hauptfunktionen der Überwachung, Messung und des Schutzes gehören: ① Maximaler Anlaufstrom und -zeit; ② Thermischer Speicher; ⑤ Langzeitbeschleunigung großer Massenträgheitslasten; ④ Phasenausfall oder unsymmetrischer Phasenstrom; ⑤ Phasenfolge; ⑥ Unter- oder Überspannung; ⑦ Überstrom (Überlast); ⑧ Blockieren des Rotors; ⑨ Lastausfall (Wellenbruch, Unterbrechung des Förderbandes oder Pumpenabsenkung mit Stromabfall); ⑩ Motorwicklungstemperatur und Temperatur der Lastlager; ⑩ Überdrehzahl oder Blockieren. Jede der oben genannten Informationen kann in den Mikroprozessor programmiert werden, insbesondere mit dem erforderlichen Zeitlimit, um sicherzustellen, dass die Stromzufuhr vor dem Auftreten von Schäden während des Motoranlaufs oder -betriebs unterbrochen wird. Fehlertyp und -ursache können über LEDs oder Digitalanzeigen dargestellt und die Daten an einen Computer ausgegeben werden. (5) Das Funktionsprinzip des Motorschutzschalters mit elektronischer Auslösung ähnelt dem des oben genannten elektronischen Überstromrelais oder Halbleiterrelais. Zu den Hauptfunktionen gehören: Anzeige von Stromkreisparametern (Strom, Spannung, Leistung, Leistungsfaktor usw.), Lastüberwachung (Lastabschaltung oder -zuschaltung gemäß Vorschriften), verschiedene Schutzfunktionen (exponentieller, I²t- und zeitinverser Schutz, zeitdefinierter Schutz oder Kombinationen davon), Fehleralarm, Testfunktion, Selbstdiagnosefunktion, Kommunikationsfunktion usw. Beispiele hierfür sind die Niederspannungs-Leistungsschalter der M-Serie von Schneider Electric. (6) Sanftanlaufgerät: Der Hauptstromkreis des Sanftanlaufgeräts verwendet Thyristoren. Die Schutzeinrichtung, die das Ein- und Ausschalten steuert, ist in der Regel als Fehlererkennungsmodul integriert. Sie erkennt Störungen wie Phasenausfall, Überhitzung, Kurzschluss, Leckstrom und unsymmetrische Last vor und nach dem Motorstart und gibt entsprechende Aktionsbefehle aus. Das System zeichnet sich durch seine einfache Struktur aus, die von einem einzelnen Mikrocontroller realisiert werden kann und sich daher für industrielle Anwendungen eignet. 2. Temperaturüberwachungs-Schutzeinrichtungen: (1) Bimetallstreifen-Temperaturrelais: Dieses Relais ist direkt in die Motorwicklung integriert. Bei Überlastung des Motors und Erreichen der Grenzwerttemperatur der Wicklung erhitzt sich der Bimetallstreifen mit einem Kontakt, verbiegt sich und unterbricht den Stromkreis. Beispiele hierfür sind das Temperaturrelais JW2. (2) Thermischer Überlastschutz: Dieses thermische Überlastschutzrelais ist am Motorgehäuse montiert. Im Gegensatz zu Temperaturrelais verwendet es einen schalenförmigen Bimetallstreifen mit zwei Kontakten als Kontaktbrücke im Motorstromkreis. Sowohl der durchfließende Überlaststrom als auch die Motortemperatur führen zu einer Erwärmung des Streifens. Wird ein bestimmter Wert erreicht, springt der Bimetallstreifen schlagartig zurück, die Kontakte öffnen sich und der Motorstrom wird unterbrochen. Dieses System eignet sich zum Schutz kleiner Drehstrommotoren vor Überhitzung, Überlastung und Phasenausfall. Zu den Produkten gehören die Thermoschutzschalter der Typen sPB und DRB. (3) Temperaturmessspule: In jede Phasenwicklung des Motorstators sind eine oder zwei Messspulen integriert. Die Wicklungstemperatur wird mit einem automatischen Abgleichthermometer überwacht. (4) Thermistor-Temperaturrelais: Dieses ist direkt in die Motorwicklung integriert. Sobald die vorgegebene Temperatur überschritten wird, steigt sein Widerstandswert sprunghaft um das 10- bis 1000-Fache an. Im Betrieb ist es mit einer elektronischen Schaltungserkennung ausgestattet, die das Relais aktiviert. Zu den Produkten gehören die elektronischen Temperaturrelais der Serie JW9 für die Schifffahrt. Abstimmung zwischen Schutzeinrichtungen und Asynchronmotoren : Um den ordnungsgemäßen Betrieb und den effektiven Schutz von Asynchronmotoren zu gewährleisten, muss die Abstimmung zwischen Asynchronmotoren und Schutzeinrichtungen berücksichtigt werden. Insbesondere beim Einsatz von Asynchronmotoren mit geringer Leistung in Stromnetzen mit hoher Kapazität ist die Koordination der Schutzmaßnahmen von besonderer Bedeutung. 1. Koordination zwischen Überlastschutzgeräten und Motoren (1) Die Ansprechzeit des Überlastschutzgeräts sollte etwas länger sein als die Anlaufzeit des Motors. Wie aus der beigefügten Abbildung ersichtlich, gewährleistet das Überlastschutzgerät nur dann einen ordnungsgemäßen Betrieb, wenn es die Kennlinie des Motoranlaufstroms nicht überschreitet. Die Ansprechzeit darf jedoch nicht zu lang sein, und die Kennlinie kann nur innerhalb der thermischen Kennlinie des Motors als Überlastschutz fungieren. (2) Der kurzzeitige Auslösestrom des Überlastschutzgeräts sollte etwas höher sein als der Anlaufstrom des Motors. Verfügen Schutzgeräte über eine kurzzeitige Überlastschutzfunktion, sollte ihr Auslösestrom den Spitzenwert des Anlaufstroms überschreiten, um einen ordnungsgemäßen Motoranlauf zu ermöglichen. (3) Die Ansprechzeit des Überlastschutzgeräts sollte etwas kürzer sein als die thermische Kennlinie des Leiters, um als Backup-Schutz für die Stromversorgungsleitung zu dienen. 2. Koordination zwischen Überlast- und Kurzschlussschutzeinrichtungen. Überlastschutzeinrichtungen können Kurzschlussströme in der Regel nicht unterbrechen. Tritt im Betrieb ein Kurzschluss auf, muss eine in Reihe geschaltete Kurzschlussschutzeinrichtung (z. B. ein Leitungsschutzschalter oder eine Sicherung) den Stromkreis abschalten. Ist der Fehlerstrom gering und liegt innerhalb des Überlastbereichs, sollte die Überlastschutzeinrichtung den Stromkreis dennoch abschalten. Daher muss eine Selektivität zwischen den beiden Schutzfunktionen gewährleistet sein. Die Kurzschlussschutzkennlinie ist im beigefügten Diagramm anhand einer Sicherung dargestellt. Der Schnittpunktstrom mit der Überlastschutzkennlinie ist Ij. Aufgrund der Streuung der Sicherungskennlinie ergeben sich zwei Schnittpunkte: Is und IB. In diesem Fall sollten Überströme bis einschließlich Is von der Überlastschutzeinrichtung abgeschaltet werden, während Ströme ab Ib bis zum zulässigen Kurzschlussstrom von der Kurzschlussschutzeinrichtung abgeschaltet werden sollten, um die Selektivitätsanforderung zu erfüllen. Es ist offensichtlich schwierig, die Selektivität im Bereich Is-IB sicherzustellen. Daher sollte dieser Bereich so klein wie möglich sein. Gemäß den aktuellen IEC-Normen betragen die Grenzwerte Is = 0,75Ij und Ib = 1,25Ij. Derzeit wird die Bemessungsschaltleistung von Überlastschutzeinrichtungen auf Basis von 0,75Ij bewertet, was eindeutig zu niedrig ist. Angesichts der aktuellen Überarbeitung der IEC-Normen ist es möglich, dass zukünftige Bewertungen Ij verwenden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Daher sollte die erwähnte Abstimmung sowohl die Selektivität als auch die Bemessungsschaltleistung berücksichtigen. Fazit: Der Schutz von Asynchronmotoren ist einer der Schlüsselfaktoren für den zuverlässigen und ordnungsgemäßen Betrieb elektrischer Anlagen und mechanischer Geräte. Die direkte Temperaturmessung der Motorwicklungen zum Schutz vor Überhitzung durch Überlastung ist eine sehr effektive Schutzmethode. Da die Relais jedoch direkt in die Motorwicklungen integriert werden müssen, sind die Kosten hoch und die Wartung aufwendig. Daher wird diese Methode nur in Anwendungen mit häufigem Betrieb eingesetzt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind Strommessrelais vorteilhafter. Heizrelais bleiben eine kostengünstige, einfache und zuverlässige Form des Motorschutzes (derzeit die am weitesten verbreitete in der Praxis). Zum Schutz von Motoren mit hoher Leistung, hohen Anforderungen an die Betriebsleistung, umfangreichen Funktionen oder hohen Kosten können elektronische oder Halbleiterrelais eingesetzt werden. Für allgemeine Anforderungen sind Leistungsschalter mit thermomagnetischer Auslösung zum Motorschutz praktischer. Unabhängig vom verwendeten Schutzgerät muss jedoch die Abstimmung zwischen Überlastschutz und Motor sowie zwischen Überlastschutz und Kurzschlussschutz berücksichtigt werden.