Wie wählt man einen thermischen Schutz für die Motorabsicherung?

Wärmerele für den Überlastschutz von Motoren: Prinzipien, Auswahl und Anwendung

In Motorkontrollsystemen werden Sicherungen hauptsächlich für Kurzschlusschutz verwendet. Sie können jedoch keinen Schutz gegen Überhitzung durch langanhaltende Überlastung, häufige Vorwärts-Rückwärts-Betrieb oder Unterspannungsbetrieb bieten. Derzeit werden Wärmerele weit verbreitet für den Überlastschutz von Motoren eingesetzt. Ein Wärmerele ist ein Schutzgerät, das auf der thermischen Wirkung des elektrischen Stroms basiert und im Wesentlichen eine Art Stromrelais ist. Es funktioniert, indem es durch den in seinem Heizelement fließenden Strom Wärme erzeugt, was zu einer Verformung eines bimetallischen Streifens (bestehend aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten) führt. Wenn die Verformung einen bestimmten Schwellwert erreicht, wird ein Verbindungsmechanismus ausgelöst, wodurch der Steuerkreis geöffnet wird. Dies entmagnetisiert den Kontakteinschalter und trennt den Hauptkreis, um so den Motor vor Überlastung zu schützen.

Wärmerele werden nach der Anzahl der Heizelemente klassifiziert: Zweipol- und Dreipol-Typen. Dreipol-Relais sind weiter unterteilt in Modelle mit und ohne Phasenausfallsschutz. Gängige Serien umfassen JR0, JR9, JR14 und JR16. Die Zeit-Strom-Kennlinie (Ampere-Sekunden-Kennlinie) von Wärmerele zeigt typischerweise ein inverses Verhalten, das der zulässigen Überlastkurve des Motors entspricht: Je größer der Überlaststrom, desto kürzer die Auslösezeit; umgekehrt, je kleiner der Überlaststrom, desto länger die Auslösezeit. Mit der richtigen Auswahl kann das Relais auslösen, bevor der Motor seine thermische Grenze erreicht, sodass die Überlastkapazität des Motors vollständig genutzt wird, während gleichzeitig Schäden verhindert werden.

Aufgrund ihrer geringen Größe, einfachen Struktur und niedrigen Kosten werden Wärmerele in industriellen Anwendungen zur Motorschutz weit verbreitet eingesetzt.

I. Schutz von Motoren durch Wärmerele

Die Verbindungstypen der Statorwicklungen eines Motors bestimmen die Überlast- und Phasenausfall-Stromcharakteristika, die wiederum den geeigneten Typ des Wärmereles vorgeben.

Stern (Y) verbundene Statorwicklungen

Bei Sternverbindung ist der Leitstrom gleich dem Phasenstrom. Bei Motorüberlastung erhöhen sich in der Regel alle drei Phasenströme. Wenn die Drehstromversorgungsaufspannung ausgeglichen und die Motorströme symmetrisch sind, kann ein zweipolisches Wärmerele effektiv einen dreiphasigen Motor schützen. Wenn jedoch die Drehstromversorgungsaufspannung stark ungleichmäßig (z.B. 4% Spannungsungleichgewicht kann bis zu 25% Stromungleichgewicht verursachen) oder wenn ein einphasiger Kurzschluss auftritt, bei dem der Fehlerstrom nicht durch das Heizelement fließt, kann das zweipolische Relais nicht ausreichend schützen. In solchen Fällen sollte ein dreipolisches Wärmerele verwendet werden.

Dreieck (Δ) verbundene Statorwicklungen

Bei normaler Betriebsweise beträgt der Leitstrom (I) = 0,58 × Phasenstrom (Iφ), und der Phasenstrom Iφ = 0,58 × Leitstrom I. Wenn eine Versorgungsphase ausfällt (z.B. eine Sicherung durchbrennt), wie in Abbildung 1 (mit Phase B offen) dargestellt, beträgt aufgrund gleicher Wicklungsimpedanz Ic = Ia + Ib = 1,5Iφ, und Ib = (2/3)Ic. Dies zeigt, dass der Leitstrom nicht mehr genau den Phasenstrom widerspiegelt, sodass der Einsatz des Leitstroms zum Schutz das wahre Wicklungsoverload nicht erkennen kann.

Wenn bei vollem Lastbetrieb ein Phasenausfall auftritt, beträgt Ia = 0,58Ie, Ib = 1,16Ie—dieser Überstrom reicht aus, um ein Standarddreipolisches Wärmerele auszulösen. Allerdings bei 64% der Nennlast mit Phasenausfall, beträgt Ia = 0,37Ie, Ib = 0,75Ie. Der Überstrom infolge des Phasenausfalls beträgt weniger als 20%, daher könnte ein Standarddreipolisches Relais nicht auslösen, obwohl eine Phase 58% mehr als ihren normalen Strom trägt, was den Motor gefährdet. Daher können Standarddreipolisches Wärmerele für Delta-verkoppelte Motoren keinen effektiven Schutz bieten; Phasenausfallsschutzrelais müssen verwendet werden.

Wenn eine Statorwicklung bricht (z.B. lose Verbindung zwischen Wicklungsanschluss und Anschluss, wie in Abbildung 2 gezeigt, offener Kontakt zwischen A und B), dann beträgt Ia = Ic = Iφ, und Ib = Iφ. Hier ist ein Leitstrom gleich dem Phasenstrom, wie bei normaler Betriebsweise. In diesem Fall kann ein Phasenausfallsschutzrelais immer noch Schutz bieten, während Phasenausfallsschutzgeräte, die auf der Erkennung des Phasenausfalls auf der Versorgungsseite basieren, nicht funktionieren würden.

II. Auswahl von Wärmerele

Die richtige Wahl und Nutzung von Wärmerele ist ein bekanntes Thema, trotzdem treten aufgrund fehlerhafter Auswahl und Nutzung immer noch häufig Motorausfälle auf. Daher sollten Anfänger neben den Standardrichtlinien folgende Punkte beachten:

• Verstehen Sie das Modell, die Spezifikationen und Eigenschaften des zu schützenden Motors.

• Typauswahl: In ländlichen Gebieten mit häufigem Drehstromungleichgewicht sollten für Sterngeschaltete Motoren Standarddreipolisches Wärmerele und für Dreieckgeschaltete Motoren Phasenausfallsschutzrelais verwendet werden.

• Strombelastungsauswahl: Wählen Sie die Nennstromstärke des Wärmereles basierend auf der Nennstromstärke des Motors, und wählen Sie dann die Nennstromstärke des Heizelements. Der einstellbare Bereich des Heizelementstroms kann in Hersteller-Tabellen gefunden werden. Wenn der Motorstartstrom etwa sechsmal die Nennstromstärke beträgt und die Startzeit unter 5 Sekunden liegt, setzen Sie den Heizelementstrom gleich der Nennstromstärke des Motors. Für Motoren mit längeren Startzeiten, Stoßlasten oder bei denen ein Stillstand nicht zulässig ist, setzen Sie den Strom auf 1,1–1,15 Mal die Nennstromstärke des Motors.

• Beispiel: Ein Motor hat eine Nennstromstärke von 30,3 A, Startstrom sechsmal die Nennstromstärke, kurze Startzeit und keine Stoßlast. Geeignete Modelle sind JR0-40, JR0-60 oder JR16-60. Verwendung von JR16-60: Relais-Nennstromstärke 60 A, Dreipoltyp. Wählen Sie ein 32 A-Heizelement, einstellbar auf etwa 30,3 A.

• Verkabelungswahl: Zu dicke oder zu dünne Drähte beeinflussen die Wärmeabfuhr und damit die Leistung des Wärmereles. Die Drahtdicke sollte den Herstelleranweisungen oder Elektrohandbüchern entsprechen.

• Motoren mit schlechter Überlastfähigkeit oder schlechter Kühlung: Setzen Sie die Nennstromstärke des Wärmereles auf 60%–80% der Nennstromstärke des Motors.

• Zurücksetzen: Wärmerele bieten in der Regel sowohl manuelles als auch automatisches Zurücksetzen, wechselbar über einen Einstellschraubenzieher. Hersteller liefern sie in der Regel im automatischen Rücksetzmodus. Die Wahl hängt vom Steuerkreis ab. Als Faustregel sollte selbst wenn das Relais automatisch zurückgesetzt wird, der geschützte Motor nicht automatisch neu gestartet werden, um wiederholte Starts bei Fehlfunktionen und Geräteschäden zu verhindern. Beispielsweise ist in manuellen Start-/Stoppschaltungen mit Tasten ein automatisches Zurücksetzen akzeptabel; in automatischen Startschaltungen sollte manuelles Zurücksetzen verwendet werden.

III. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung

Um die Lebensdauer von Wärmerele zu verlängern und optimale Leistung sicherzustellen, beachten Sie Folgendes:

• Verwenden Sie Verbindungsdraht am Relais mit Querschnitten, die strikt den Spezifikationen entsprechen.

• Wärmerele bieten keinen Kurzschlusschutz—getrennte Sicherungen müssen installiert werden. Sie sind nicht geeignet für Motoren mit sehr langen Startzeiten, häufigem Betrieb oder Intermittierendem Dienstzyklus.

• Bei der Installation mit anderen Geräten montieren Sie das Wärmerele darunter, um Wärmebeeinflussungen zu vermeiden. Reinigen Sie regelmäßig Staub und Schmutz.

• Nach dem Auslösen erfolgt das automatische Zurücksetzen innerhalb von 5 Sekunden; für manuelles Zurücksetzen warten Sie 2 Minuten, bevor Sie die Zurücksetztaste drücken.

• Nach einem Kurzschlussfehler prüfen Sie das Heizelement auf Schäden und den bimetallischen Streifen auf Verformung (beugen Sie den bimetallischen Streifen niemals), entfernen Sie jedoch keine Komponenten.

• Beim Austausch eines Wärmereles stellen Sie sicher, dass das neue Modell den Spezifikationen des ursprünglichen entspricht.

Fazit

Nur durch die richtige Auswahl, korrekte Verkabelung und angemessene Nutzung von Wärmerele kann ein effektiver Überlastschutz für Motoren erreicht werden.