2-Komponenten-Motorstarter für den Einsatz in Nordamerika

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1 otorstarter für USA und Kanada 2-Komponenten-otorstarter für den Einsatz in Nordamerika Fachaufsatz Dipl.-Ing. Wolfgang Esser 2. geänderte Auflage 2016

2 2-Komponenten-otorstarter für den Einsatz in Nordamerika schmelzsicherungslose otorstarter ohne otorschutzrelais Unterschiedlicher Aufbau von otorstartern otoren sind wohl die wichtigsten elektrischen Betriebsmittel im aschinenund Anlagenbau. Dieser Aufsatz beschäftigt sich mit dem Schalten und Schützen der Drehstrom-Asynchronmotoren bzw. der Drehstrom-Käfigläufermotoren, die am häufigsten eingesetzt werden. Grundsätzlich gibt es zwei Lösungen um diese otoren mit einer Drehrichtung und ohne Drehmoment- oder Drehzahländerung zu schalten und zu schützen. Die erste Lösung setzt Schmelzsicherungen, Schütze und otorschutzrelais ein und die zweite, schmelzsicherungslose Lösung, verwendet in der IEC-Welt otorschutzschalter oder Leistungsschalter, meistens in Verbindung mit einem Schütz. Die schmelzsicherungslosen Lösungen machen unabhängig von regional üblichen Schmelzsicherungsarten und das Schutzorgan ermöglicht ein rasches Wiedereinschalten nach der Beseitigung einer Störungsursache. Zusatznutzen sind das allpolige Schalten und geräteabhängig die öglichkeit, die Schalter abzuschließen. Durch eine entsprechende Koordinierung der Komponenten otorschutz-/leistungsschalter und der eingesetzten Schütze lassen sich unterschiedliche Zuordnungsarten nach IEC/EN bzw. nach der noch neuen UL realisieren. Die Zuordnungsarten machen Aussagen darüber, wie stark das Schütz im Störungsfall verschweißen darf oder ob es nicht verschweißen darf. Darüber, ob otorschutz- oder Leistungsschalter zum Einsatz kommen, entscheidet der Nennstrom des otors. In Nordamerika ist die Grenze zwischen diesen Gerätearten durch die Zuordnung zu unterschiedlichen Normen (UL 508 bzw. UL 489, oder CSA-C22.2 No.14 bzw. CSA-C22.2 No. 5-09), noch deutlicher als in der IEC-Welt und die Einsatzmöglichkeiten beider Gerätearten sind in Nordamerika unterschiedlich. Die Unterschiede ergeben sich durch 2 verschiedene, typische Luft- und Kriechstrecken 1. Verschiedene Wettbewerber unterscheiden nicht zwischen otorschutz- und Leistungsschaltern. Sie sprechen ausschließlich von Leistungsschaltern. Die otorschutzschalter bilden eine besonders wichtige und besonders stückzahlstarke Produktgruppe bei Eaton. Im kleinen Strombereich, bis etwa 65 A, verwendet Eaton bei oeller series den Begriff otorschutzschalter, weil diese äußerst kompakten Geräte speziell für den otorschutz optimiert wurden. Diese Geräte besitzen grundsätzlich einen verbesserten otorschutz durch eine Phasenausfallempfindlichkeit nach IEC/EN Bei der Entwicklung der otorschutzschalter hat Eaton, ehemals oeller, Pionierleistungen vollbracht. Der Produktname PKZ ist heute das oft genutzte Synonym für diese Geräte- Kategorie. Leistungsschalter berücksichtigen nach der zuständigen Gerätenorm IEC/EN Teil 2 keine Anforderungen für den otorschutz. Erst die Kombination der Gerätenormen IEC/EN und der IEC/EN , für Schütze und otorschutzrelais, machen aus den Leistungsschaltern die erforderlichen Leistungsschalter für den otorschutz, also große otorschutzschalter. Ähnlich sieht es so auch in Nordamerika aus, wo die Produktstandards für Circuit Breakers und olded Case Switches, die UL 489 für die USA oder die CSA-C22.2 No für Kanada, ebenfalls den otorschutz nicht berücksichtigen. Um einen Leistungsschalter für den otorschutz nach amerikanischen Standards zu entwickeln, muss man die Anforderungen des Leistungsschalterstandards UL 489 um weitere Anforderungen und Prüfungen 1 otorschutzschalter sind in Amerika anual otor Controllers, ohne Trenn- und Kurzschlussschutzfunktionen. Als otorstarter müssen stattdessen UL 508 Type E anual Self-Protected Combination Starter oder Type F Combination Starter verwendet werden [2]. aus dem Produktstandard für Industrieschaltgeräte, der UL 508, ergänzen [1]. In Kanada sind Ergänzungen nach der CSA-C22.2 No.14 erforderlich. Weltweit erfolgt also die Kalibrierung von Leistungsschaltern für den otorschutz nach den Standards für otorschutzrelais und otorstarter. Um die otoren aus der Ferne, automatisch oder mit einer höheren Schalthäufigkeit und elektrischen Lebensdauer schalten zu können, setzt man in der IEC-Welt und in Nordamerika zusätzlich je ein Leistungsschütz für die Funktion betriebsmäßiges Schalten ein. In der IEC-Welt besteht dieser fernsteuerbare otorstarter aus 2 Komponenten, dem otorschutzschalter oder dem Leistungsschalter für den Kurzschluss- und den Überlastschutz und einem Schütz für das betriebsmäßige Schalten. In Nordamerika werden otorstarter heute noch überwiegend aufwendiger aufgebaut. otorstarter bestehen in Nordamerika aus 3 Komponenten Während man im Geltungsbereich der Standards der IEC den Leistungsschalter um die Zusatzfunktionen für den otorschutz ertüchtigt, kombiniert man in Nordamerika die Leistungsschalter heute noch mit einem zusätzlichen otorschutzrelais nach UL 508 bzw. CSA-C22.2 No.14. Dadurch besteht in den USA und in Kanada der klassische otorstarter aus 3 Komponenten. Also so, wie man ihn auch von der noch sehr häufig eingesetzten Kombination aus Schmelzsicherungen, Schütz und otorschutzrelais kennt. In beiden Kombinationen bilden der Leistungsschalter bzw. die Schmelzsicherungen das Branch Circuit Protective Device (BCPD), das Schutzorgan für den Lastabzweig. Der otorschutzschalter, z.b. PKZ0, wird in Nordamerika als otor Protective Switch oder anual otor Controller bezeichnet. Als Geräte nach der UL 508 bzw. CSA-C22.2 No.14 dürfen otorschutzschalter (otor Protective Switches)

3 nicht als Branch Circuit Protective Device (BCPD) eingesetzt werden. In Nordamerika müssen die otorschutzschalter durch vorgeschaltete Sicherungen oder Leistungsschalter geschützt werden oder sie müssen zunächst mit Zusatzklemmen auf der Schaltereingangsseite ergänzt werden, die die Luft- und Kriechstrecken an den Anschlussklemmen vergrößern. Diese otorschutzschalter mit Zusatzklemmen müssen als UL 508 Type E-, oder ergänzt mit einem Schütz, als UL508 Type F- Self-Protected Contollers geprüft und zugelassen sein. Dann können sie als BCPD für einzelne otorabgänge eingesetzt werden [2]. Für schmelzsicherungslose otorstarter, bestehend aus den 3 Komponenten Leistungsschalter, Schütz und otorschutzrelais, sind in Nordamerika 2 Versionen von Leistungsschaltern gebräuchlich. Erstens, die im Industriebereich meistens eingesetzte Version mit einem Leistungsschalter ohne Überlastauslöser (Instantaneous Trip Circuit Breaker) oder zweitens, die Kombination mit einem Leistungsschalter mit meistens festeingestellten Überlastauslösern. Letztere Schalter sind eine Sonderform der normalerweise einstellbaren Inverse Time Circuit Breakers (Bild 1). Leistungsschalter mit fest eingestellten Überlastauslösern werden im IEC- Bereich nur sehr selten (in Asien und in der Gebäudeausrüstung) eingesetzt. Außerhalb der otorstarteranwendung lassen sich durch den Einsatz von Leistungsschaltern mit fest eingestellten Überstromauslösern, in Anwendungen mit großen Strömen und langen Leitungen, die Kupferkosten dadurch senken, dass die Kabel nur nach dem fest eingestellten Strom dimensioniert werden müssen. Im Gegensatz dazu müsste die Dimensionierung der Leitungen bei einstellbaren Schaltern nach dem maximal einstellbaren Strom erfolgen. Die Schalter ohne Überlastauslöser werden im IEC-Bereich gelegentlich für otoren mit Schweranlauf eingesetzt, in Verbindung mit einem elektronischen otorschutzrelais, bei dem man längere Auslösezeiten wählen kann. Leistungsschalter ohne Überlastauslöser lassen sich lediglich als Recognized Components approbieren. Das ist eine eingeschränkte Approbation. Die Einschränkung besteht darin, dass sie immer durch ein Schütz und ein otorschutzrelais zu einem otorstarter vervollständigt werden müssen. Nachteile der 3-Komponenten-otorstarter sind der Platz- und ontageaufwand für drei Komponenten und die Tatsache, dass bei Kombinationen mit Überlastauslösern im Leistungsschalter und mit einem otorschutzrelais zweimal die stromabhängige Verlustwärme entsteht. Dieses Argument ist für individuelle otorstarter besonders bedeutsam, die in den in Nordamerika sehr populären otor Control Centers (CC) eingesetzt werden. Das sind Schubladenverteiler, bei denen der optimierte Platzbedarf und die Verlustleistung eine große Rolle spielen. In diesen Schubladen bevorzugt man, wegen der geringeren Erwärmung, die Instantaneous Only Trip Circuit Breakers. Daher kommt deren hoher Stückzahlanteil. Schließlich sind noch die Kosten für 3, statt 2 Komponenten zu berücksichtigen. Inverse Time Circuit Breaker, mit einstellbarem oder häufig mit fest eingestelltem Überlastauslöser (UL 508 Table 76.2, Construction Type C) Inverse Time Circuit Breaker, mit einstellbarem Überlastauslöser, mit UL 508 Kalibrierung, ohne zusätzliches otorschutzrelais I > Instantaneous Trip only Circuit Breaker, ohne Überlastauslöser (UL 508 Table 76.2, Construction Type D) b NZ..-E..-NA neu! I > I > a c Bild 1: Für größere Leistungen werden in Nordamerika noch überwiegend otorstarter eingesetzt, die aus 3 Komponenten bestehen. Der neue NZ..2-E..-NA ermöglicht es, auch in Nordamerika otorstarter aus einem Leistungsschalter und einem Schütz aufzubauen. 3

4 Vorteilhafte 2-Komponenten- otorstarter Im Strombereich bis 52 A sind 2-Komponenten-otorstarter der Eaton oeller Series durch die UL 508 Type F Starters schon stark vertreten und man wendet bei diesen Startern auch bereits gerne die platzsparende ontage auf Sammelschienenadaptern an (Bild 2) [2, 3]. Für den Strombereich von 45 bis 200 A hat Eaton nun den neuen Leistungsschalter NZ..2-E...-NA mit otorschutzfunktion (otor Protective Circuit Breaker) entwickelt und approbiert, während parallel dazu die nordamerikanischen Standards und Prüfbedingungen entstanden. Diese Schalter sind UL-Listed und CSA-Certified. Es handelt sich um Leistungsschalter der Baugröße 2, mit elektronischen Auslösern. Die großen otorschutzschalter NZ..2-E -NA verfügen über weite, überlappende Einstellbereiche (Bild 3). it nur 3 Varianten wird der weite Strombereich von 45 bis 200 A (Full Load Current Setting Range) abgedeckt (Tabelle 1). Diese Stromstärken entsprechen den amerikanischen otorgrößen von 60 bis 150 HP bei 460/480 V. Die Kurzschlussauslöser können im weiten Bereich von x I n eingestellt werden, um nicht unnötig auf Einschaltspitzenströme der otoren zu reagieren. Eine Besonderheit ist das 100 % Rating dieser Schalter. Herkömmliche Leistungsschalter besitzen in Nordamerika ein Rating von 80 %. Das Bemerkung: Knebel der Schalter müssen abschließbar sein. Bild 2: Typische, moderne 2-Komponenten-otorstarter für den nordamerikanischen arkt: UL 508 Type F - otor Starters, bestehend aus einem otorschutzschalter PKZ0 mit Zusatzklemme (rot eingekreist) zur Vergrößerung der Luft- und Kriechstrecken, sowie einem Schütz DIL, hier auf Sammelschienenadaptern und Sammelschienen. Bild 3: otorschutz-leistungsschalter NZ2-E-NA, nach UL 489 und CSA C22.2 No. 5 09, mit zusätzlicher otorschutz-charakteristik nach UL 508 und CSA C22.2 No. 14. Zusätzlich zum Überlast- und Kurzschlussauslöser lässt sich der Trägheitsgrad, wie bei hochwertigen otorschutzrelais einstellen. bedeutet, dass sie nur bis zu 80 % des Nennstromes belastet werden dürfen. 100 % rated Circuit Breakers können bis zu ihrem maximalen Nennstrom eingesetzt werden. Dieser Nennstrom darf im Fall des otor Protective Circuit Breaker dem maximalen otornennstrom (otor Full Load Current, FLC) entsprechen. 100 % rated Circuit Breakers müssen als Sonderlösungen auf den Leistungsschildern der Schalter mit 100 % rated gekennzeichnet werden, während die 80 % rated Schalter als Normalfall nicht gekennzeichnet werden. Die Schalter stellen eine wesentliche Verbesserung des Sortiments von Eaton oeller für den nordamerikanischen arkt dar. Sie sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Weltmarkt-Schaltschrank, mit einem weltweit einheitlichen Layout. Die Schalter können die otoren auch alleine schalten und schützen. Üblich ist allerdings die Kombination mit einem Schütz zum fernsteuerbaren otorstarter mit hoher elektrischer Lebensdauer. Natürlich lassen sich mit 2 Schützen auch Wendestarter realisieren. Damit sind jetzt 2-Komponenten-otorstarter für die große asse der otoren, für alle otornennströme bis 200 A realisierbar. Die Kombinationen mit den Schützen wurden als Combination otor Starters mit 2 unterschiedlich hohen Short Circuit Current Ratings (SCCR) geplant, um sich an die Anforderungen in unterschiedlichen Industrial Control Panels anpassen zu können. Für die deutlich geringere Anzahl der otoren mit Strömen oberhalb von 200 A werden weiter 3-Komponenten-otorstarter eingesetzt. Die neuen Schalter sind zusätzlich mit IEC-Leistungsdaten und mit dem in Europa wichtigen CE-Zeichen versehen. Durch vorhandene Approbationen für weitere Länder können diese Schalter auch in Schaltanlagen nach IEC weltweit eingesetzt werden. Unter IEC-Bedingungen stehen zusätzlich sogar Leistungsschalter für den otorschutz bis 1400 A zur Verfügung. Danksagung: Der Aufsatz entstand mit freundlicher Unterstützung von: Andre R. Fortin, BA Phys International Corporate Advisor Codes & Standards, Power Products Houston, TX, USA und Herrn Dipl.-Ing. Dieter Reiß, Certifications, Institute for International Product Safety GmbH, Bonn 4

5 otorschutz-leistungsschalter für Nordamerika (Inverse Time Circuit Breakers) otor Protective Circuit Breakers Leistungsschalter mit einstellbaren elektronischen Kurzschluss- und Überlastauslösern, Trägheitsgradeinstellung für Überlastauslöser approbiert nach UL 489 und CSA-C22.2 No zusätzlich otorschutzcharakteristik (Kalibrierung) nach UL 508 und CSA-C22.2 No.14 Die Überlastkennlinie kann zur Trägheitsgradeinstellung in Schritten verschoben werden, zwischen 2 und 20 sec bei 6 x I r. Besonderheit: 100 % rated Circuit Breakers I n = I u [A] Einstellbereich otorleistung passendes Leistungsschütz Überlastauslöser I r [A] Schalter mit Normalem Schaltvermögen Typ unverzögerter Kurzschlussauslöser SCCR SCCR I i [A] I i 230 V 240 V HP x I n x I n x I n Verbindlich sind nur Daten der gültigen Hauptpreisliste! 460 V 480 V HP DIL50 DIL65 DIL80 DIL80 DIL95 DIL115 DIL150 DIL185A DIL225A ohne Schütz 85 ka 240 V 35 ka 480 V NZN2-E90-NA NZN2-E140-NA NZN2-E200-NA mit Schütz bis 65 ka / 240 V 35 ka / 480 V Schalter mit Hohem Schaltvermögen Typ ohne Schütz 150 ka 240 V 100 ka 480 V NZH2-E90-NA NZH2-E140-NA NZH2-E200-NA mit Schütz bis 65 ka / 240 V 65 ka / 480 V Tabelle 1: Die Leistungsschalter sind nach UL 489 mit Kurzschluss- und Überlastauslöser und mit otorschutzcharakteristik nach UL 508 und CSA-C22.2 No.14 approbiert. Sie sollen auch in Nordamerika die großen otorschutzschalter werden. Die Schalter sind 100 % rated, d.h. der gesamte Einstellbereich der Schalter kann genutzt werden. Für otorstarter aus 2 Komponenten sind leistungsbezogen mindestens die angegebenen Schütze einzusetzen. Literatur: [1] Schaltgeräte und Schaltanlagen für den Weltmarkt und für den Export nach Nordamerika VKF D, Article No Components and Systems suitable for World arkets and Export to North America VKF GB, Article No Eaton GmbH, Bonn, 2007 [2] Wolfgang Esser Besondere Bedingungen für den Einsatz von otorschutzschaltern und otorstartern in Nordamerika VER D, Article No Special considerations governing the application of anual otor Controllers and otor Starters in North America VER GB, Article No Eaton GmbH, Bonn, 2003 [3] Wolfgang Esser Sammelschienenadapter für die rationelle otorstartermontage jetzt auch für Nordamerika, VER D, Article No Busbar Component Adapters for modern industrial control panels VER GB, Article No Eaton GmbH, Bonn, 2007 [4] Wolfgang Esser Leistungsschalter für den Einsatz in Nordamerika VER D, Article No olded Case Circuit Breakers, for applications in North America VER GB, Article No Eaton GmbH, Bonn, 04/2008 5

6 Wir bei Eaton sind angetrieben von Lösungen zur Energieversorgung einer Welt, die immer anspruchsvoller wird. it über 100 Jahren Kompetenz im Bereich des Energiemanagements sind wir bereit für die Zukunft. Kernbranchen rund um den Globus vertrauen auf Eaton und auf unsere wegweisenden Produkte, Komplettlösungen und Ingenieursleistungen. Wir stärken Unternehmen mit zuverlässigen, effizienten und sicheren Energiemanagement-Lösungen. Kombiniert mit unserem persönlichen Service, Support und unserem anspruchsvollen Denken, erfüllen wir bereits heute die Anforderungen von morgen. it Energie in die Zukunft. Besuchen Sie eaton.eu. Eaton Electric GmbH Kunden-Service-Center Postfach Bonn Auftragsbearbeitung Kaufmännische Abwicklung Direktbezug Tel Fax E-ail: Kaufmännische Abwicklung Elektrogroßhandel Tel Fax E-ail: com Technik Technische Auskünfte / Produktberatung Tel Fax E-ail: Technik-Bonn@eaton.com Anfragen / Angebotserstellung Tel Fax E-ail: Anfragen-Bonn@eaton.com Qualitätssicherung / Reklamationen Tel Fax E-ail: Qualitaetssicherung-Bonn@eaton.com Zentrale Tel Fax Schweiz Internet: Lausanne Eaton Industries II Sàrl Avenue des Baumettes Renens Tel Fax E-ail: lausanneswitzerland@eaton.com Zürich Eaton Industries II GmbH Im Langhag Effretikon Tel Fax E-ail: effretikonswitzerland@eaton.com Österreich Internet: Wien Eaton GmbH Scheydgasse Wien, Austria Tel. +43 (0) Fax: +43 (0) InfoAustria@Eaton.com After Sales Service Eaton Industries GmbH Hein-oeller-Straße Bonn Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Hotline +49 (0) E-ail: AfterSalesEGBonn@Eaton.com Eaton Industries GmbH Hein-oeller-Str D Bonn / Germany 2016 by Eaton Corporation Alle Rechte vorbehalten Printed in Germany 08/16 Bezeichnung: VER DE ip August 2016 Artikelnr.: Eaton ist ein eingetragenes Warenzeichen der Eaton Corporation. Alle anderen Warenzeichen sind Eigentum der entsprechenden Eigentümer. SmartWire-DT ist ein eingetragenes Warenzeichen der Eaton Corporation.