Motor-und Pumpenschutzgeräte Elektronische Schutzrelais

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1 Lebensdauer (h) Elektromotoren sind die wichtigsten industriellen und gewerblichen Antriebsmechanismen. In vielen Fällen ist die Ursache eines Anlagenstillstands der Ausfall eines einfachen Elektromotors. Wichtige Prozesse und teure Maschinen stehen still und verursachen enorme Kosten. Über 60% dieser Ausfälle sind auf die Überhitzung der Motorwicklung zurückzuführen. Diese kann jedoch durch die Überwachung der Stromaufnahme des Motors bzw. der Wicklungstemperatur erfasst und vermieden Die häufigsten Ursachen für die Überhitzung der Motorwicklung sind: Überlastung Blockierte Rotoren Über- und Unterspannung Phasenasymmetrie bzw. -ausfall Anlauf unter hoher Last Häufiges An- und Abschalten Äußere nicht elektrische Erwärmung Erhöhte Umgebungstemperaturen Unzureichende Kühlung, Belüftung Isolationsfehler Die folgende Grafik verdeutlicht die drastische Abnahme der Lebensdauer des Motors in Abhängigkeit von der thermischen Belastung der Motorwicklung (Montsinger-Regel): Übertemperatur ( C) Bereits eine dauerhafte Übertemperatur von 10 C verringert die Lebensdauer eines Motors um 50%. Funktionsweise: Das Motorschutzrelais und die zu überwachenden Phasen des Motors sind vollkommen galvanisch getrennt. Die Kabelstränge werden lediglich durch die dafür vorgesehenen Öffnung des Relais gesteckt bzw. gezogen. Die elektronischen Motorschutzrelais werten die augenblicklichen Werte der Strangströme in den Motorzuleitungen aus. Diese werden im Relais gespeichert. Die Motorströme werden induktiv über integrierte Stromwandler abgetastet und elektronisch ausgewertet, um ein fortlaufend aktualisiertes thermisches Abbild des Motors zu speichern. Die so erhaltenen Werte werden mit den Voreinstellungen am Relais verglichen. Abweichungen von den Sollwerten führen zur Auslösung. Thermischer Speicher: Das Relais speichert fortlaufend die Erwärmung und Abkühlung des Motors während der Start-, Arbeits- und Auslaufphase. Dadurch wird die thermische Kapazität des Motors zu jedem Zeitpunkt abgeleitet, um Überhitzungen durch Überlast sofort voraus zu berechnen und zu vermeiden. Dieser Speicher schützt auch vor Zerstörung durch blockierte Rotoren. Überlastung: Durch die Speicherung dieses thermischen Abbildes berücksichtigt das Relais bei Überlastsituationen auch die früheren Auslösungen und verkürzt bei erneut auftretender Überlast automatisch die Auslösezeiten. Dieser Speicher ist unabhängig von der Versorgungsspannung, die Daten bleiben bei Spannungsausfall erhalten. Auslöseklassen: Die unterschiedlichen einstellbaren Auslöseklassen ermöglichen den Überlastschutz an verschiedene Anwendungen bzw. Einsatz des Motors, wie z.b. Motoranlauf unter hoher Last oder einer sehr hohen Anzahl von Arbeitszyklen mit vielen Motoranläufen, anzupassen. Unterlast und Leerlauf: Der Schutz vor Leerlauf bzw. Unterlast, z.b. durch Trockenlaufen, Kavitation oder Leitungsverschluss, ist vor allem bei Pumpen und Transmissionen sehr wichtig. Überdimensionierte Motoren können durch Leistungsfaktormessung sicher vor solchen Leerlaufbedingungen geschützt Das Relais kann dadurch zwischen geringer Last und Leerlauf unterscheiden und löst bei Unterlast sicher aus. Überhitzung: Der sichere Schutz gegen Überhitzung sowohl elektrischen als auch nicht elektrischen Ursprungs wird durch den Anschluss externer PTC-Temperatursensoren realisiert. Anzeige der Auslöseursache: Die jeweilige Auslöseursache wird durch frontseitige LEDs angezeigt, so dass so schnell wie möglich auf die spezifische Ursache reagiert werden kann. Phasenasymmetrie und -ausfall, Phaseninversion: Die Relais lösen bei einer Asymmetrie > 40% und bei Phasenverlust (Auslösezeit <3 sec) aus. Phasenausfall kann auch bei Unterlast erkannt werden, um eine plötzliche Überhitzung der Motorwicklung oder Schäden durch Vibrationen zu vermeiden. Immer dann wenn die Drehrichtung des Motors wichtig ist, wie zum Beispiel bei Kompressoren, Ventilatoren oder Belüftungssystemen, kann eine Änderung der Phasenfolge bzw. Phaseninversion sofort erkannt Galvanische Trennung: Die 3 Phasen der Motoranschlussleitungen werden mittels Durchsteckmontage angeschlossen. Dabei werden die Phasen durch das Gehäuse geführt, ohne dass ein direkter Anschluss an das Relais erfolgt. Damit wird eine sichere galvanische Trennung und Sicherheit gegenüber Kurzschlüssen erreicht. Elektronische Motorschutzrelais bieten eine Vielzahl von Funktionen zur Erhöhung der Lebensdauer von Elektromotoren. Gleichzeitig werden Wartungs- und Stillstandskosten drastisch reduziert und die Zuverlässigkeit von Anlagen und Prozessen wesentlich erhöht. Diese Relais sind langlebiger, zuverlässiger und effektiver als konventionelle Schutzsysteme wie thermische Relais oder thermisch-elektronische Relais oder Motorschutzschalter. Diese Relais finden im Wesentlichen in den folgenden Bereichen Anwendung: Kompressoren und Ventilatoren, Zentrifugen, Kräne und Aufzüge Klima- und Kühlanlagen, Pumpen und Ventilsteuerungen Mühlen und Förderbänder, Werkzeugmaschinen, Rolltreppen oder Mischanlagen. 11

2 + Motor-und Pumpenschutzgeräte 1. Installation: Die Versorgungsleitungen bzw. die Sekundärleiter der Stromwandler sind durch die vorgesehenen Gehäuseöffnungen zu führen. Die maximal zulässigen Querschnitte für Kabel mit 700V-Isolierung sind grundsätzlich 35mm. Lediglich beim Relaistyp C beträgt der Querschnitt nur 16mm. Für den Stern-Dreieck-Anlauf muss das Relais zwischen den Schmelzsicherungen bzw. Unterbrechern und Motorschaltern angeschlossen L3 L2 L1 M 3 Bei der Installation mit Frequenzwandlern ist folgendes zu beachten: a.) Für den Relaistyp GL mit aktiviertem Phasenfolgeschutz (Drehrichtungsschutz) und die Relaistypen P und PF gilt: Diese Typen dürfen nicht mit Frequenzwandlern betrieben b.) Für den Relaistyp GL mit Auswahlschalter mit deaktiviertem Phasenfolgeschutz und die Typen C, G, BG und PF gilt: Das Relais bzw. die eventuell verwendeten Spannungswandler sowie die Spannungsversorgung des Relais dürfen nicht mit dem Ausgang des Frequenzwandlers zusammengeschaltet Der Anschluß von PTC-Sensoren mit Anschlusslängen von 100m oder mehr sollte nur über abgeschirmtes Kabel erfolgen, wobei die Abschirmung am Anschluß T1 vorgenommen werden muß. Gleiches gilt bei Umgebungen mit erhöhter HF-Einstrahlung (Relaistypen GL, B und BG). 2. Einstellungen am Relais: Einstellen des Motornennstromes I N bei den Relaistypen C, GL, PS, P, PF, G, BG, GEN. Auswahl und Einstellung der Auslöseklasse bei den Relaistypen C, GL, P und PF oder der Auslösezeit bei den Relaistypen G, BG und GEN. Auswahl und Einstellung der Leerlaufschwelle bei den Pumpenschutzrelais PS, P und PF sowie der Verzögerungszeit für die Auslösung bei Unterlast bei den Relaistypen P und PF. Auswahl und Einstellung des Auslösepunktes bei Unterstrom des Pumpenschutzrelais PS. Aktivieren des Phasenfolgeschutzes (Drehrichtung) bei den Relaistypen GL, P und PF. Einstellung bei den Pumpenschutzrelais P und PF, ob die Rücksetzung automatisch oder manuell erfolgen soll. Damit von Anfang an ein korrektes thermisches Abbild des Motors gespeichert werden kann, sollte sich der Motor vor dem ersten Einschalten nach Installation des Relais im kalten Zustand befinden Einstellen des Motornennstromes: Der Motornennstrom I N wird über die frontseitigen DIP-Schalter ( full load current ) eingestellt. Dem Basiswert jeder Type werden die gewählten Teilwerte hinzuaddiert, indem die entsprechenden DIP-Schalter auf die Position geschoben werden: FULL LOAD CURRENT SETTG I B = A + 4 = Beispiel: Relais GL16 - I N = = 12A on off R-S-T Das Relais erkennt Überlasten ab 110% des eingestellten Motornennstromes I N. b.) Für Nennströme I N welche kleiner als der Mindestwert des Einstellbereichs sind, müssen die Zuleitungen mehrfach durch die Gehäuseöffnungen geführt Die Einstellung für den Strom muß dann gleich dem Nennstrom des Motors I N multipliziert mit der Anzahl n der Windungen sein. L2 L3 L1 n=2 c.) Für Nennströme I N welche größer als der Maximalwert des Einstellbereichs sind, müssen drei Stromwandler../5A und das Relais mit dem kleinsten Basiswert bzw. Einstellbereich verwendet L1 L2 L3 S1 S2 Für die Relaistypen C9, G17 und BG17 wird empfohlen, die Zuleitungen immer mindestens 2mal durchzuführen Auslöseklassen und Auslösezeiten (IEC ) für die Relaistypen C, GL, P, PF, G und BG: Die verschiedenen Auslöseklassen bzw. Auslösezeiten erlauben die Anpassung der Schutzfunktion gegen Überlastung an jede Betriebsart des Motors, je nachdem, ob kurze oder lange Anlaufphasen erforderlich sind. Die Kennziffer für die Auslöseklasse gibt die ungefähre Zeit in Sekunden an, in welcher der Motor ausgehend von seinem Kaltzustand, dem maximal zulässigen direkten Anlaufstrom ausgesetzt sein darf. Die Einstellung der Auslöseklasse bzw. Auslösezeit erfolgt über die frontseitigen DIP-Schalter (Schalter auf Position ). Die empfohlenen Werte dafür sind in den folgenden Tabellen zu entnehmen: n=1 12

3 Durch die verschiedenen Auslöseklassen bzw. Auslösezeiten kann der Überlastschutz an die unterschiedlichen Anlaufarten und Arbeitszyklen angepasst Die Auslöseklasse bzw. Auslösezeit entspricht der maximalen Verzögerungszeit zur Auslösung aus einem Kaltzustand des Motors bei Direktanlauf. Zur Auswahl der Auslöseklasse bzw. Auslösezeit (t 6xIB ) werden die frontseitigen DIP-Schalter verwendet. Die empfohlenen Einstellungen sind in den Tabellen abgebildet. Auslöseklassen für Motoren im Direktanlauf: Auslöseklassen für Motoren im Stern-Dreieck-Anlauf: Mittlere Auslösekennlinien (IEC ): Kaltzustand: Stellt die Auslösecharakteristik des Motorschutz-relais bei kaltem Motor, d.h. vor dem ersten Start, dar. Warmzustand: Die Auslösezeiten verringern sich entsprechend der Stromaufnahme und passen sich über das errechnete thermische Abbild dem Erwärmungs-/Abkühlungszustand des Motors an. Der Warmzustand (nach IEC 255) wird nach einer Stromaufnahme von 0,9 x I N in 2 Stunden erreicht. 13

4 2.3. Auslösezeiten Relaistyp GEN: Die Auswahl der richtigen Auslösezeit für den Generator erfolgt über die frontseitigen DIP-Schalter ( trip time setting ). Die so ausgewählte Kennlinie ergibt sich aus der Addition der einzelnen Werte der auf gestellten DIP-Schalter Unterlasteinstellung über cosφ beim Relaistyp PF: Die Einstellung der Schaltschwelle cosφ wird über ein frontseitiges Potenziometer (Skala 0,1 bis 0,9) vorgenommen. Die Auswahl berücksichtigt den Leistungsfaktor cosφ des Motors im Leerlauf und den entsprechenden Wert für die Minimallast der Anwendung. Man wählt einen Leistungsfaktorwert der zwischen diesen beiden Werten liegt. Die Verzögerungszeit für das Auslösen des Relais ist zwischen 5 bis 45 Sekunden über frontseitige DIP-Schalter ( trip delay ) einstellbar. Die Einstellung soll durch zwei Beispiele verdeutlicht werden: a.) Stark überdimensionierter Motor, Leerlauf cosφ = 0,15: b.) Gering überdimensionierter Motor, Leerlauf von cosj = 0,25: Falls die Werte für cosj im Leerlauf nicht bekannt sein sollten, kann die Einstellung auch wie folgt vorgenommen werden: 1. Einstellen der Auslöseverzögerung auf Null ( trip delay ). 2. Potenziometer auf den Minimalwert 0,1 stellen ( cosφ setting ). 3. Starten des Motors unter der vorgesehenen Minimallast. 4. Langsames Drehen am Potenziometer im Uhrzeigersinn, bis das Relais auslöst. 5. Drehen des Potenziometers in entgegengesetzter Richtung, auf einen Wert für cosφ, der ca. 30% unterhalb des gefundenen Auslösepunktes liegt. 6. Einstellen der Auslöseverzögerung über die DIP-Schalter Unterstromeinstellung beim Relaistyp PS und P: Die Auswahl der Auslöseschwelle für Unterstrom bzw. Unterlast wird bei diesen Relais durch ein frontseitiges Potenziometer (0,4 bis 0,9) bzw. durch DIP-Schalter eingestellt. Der Stromwert zum Auslösen des Relais durch Unterlast wird durch Multiplikation dieses Wertes mit dem eingestellten Motornennstrom I N errechnet. Die Auslöseverzögerung ist beim Relais PS fest auf 5 Sekunden eingestellt oder kann beim Typ P eingestellt a.) Falls der Leerlaufstrom des Motors bekannt ist: Um unerwartetes Auslösen zu vermeiden, sollte dieser Wert ca % über dem Leerlaufstrom des Motors liegen. IE x1.15 = 0.6 I< 0.6 x 1.15 = 0.7 b.) Falls der Leerlaufstrom des Motors unbekannt ist: Sollte die Pumpe normal dimensioniert sein, wird empfohlen, den Wert für den Leerlaufstrom auf 70% des Motornennstromes I N (0,7 x I N ) einzustellen. Bei stark überdimensionierten Pumpen und unerwartetem Auslösen des Relais sollte dieser Wert auf 60% des Motornennstromes I N (0,6 x I N ) eingestellt 2.6. Phasenfolge: Phasenfolge durch Strommessung - Beim Relaistyp GL erfolgt die Erfassung der Phasenfolge (Drehrichtung des Motors) durch Strommessung und ist nur in der Anlaufphase des Motors aktiv. Für eine korrekte Erfassung muss die Anlaufzeit größer als 0,2 Sekunden sein. An dem Relais kann diese Funktion jedoch deaktiviert Für Anwendungen, bei denen die Drehrichtung des Motors wichtig ist, muss der frontseitige DIP-Schalter auf die Position geschoben Da diese Funktion nicht kompatibel ist mit dem Einsatz von Frequenzwandlern, wird empfohlen, die Funktion durch Schieben des DIP-Schalter auf die Position OFF zu deaktivieren und zusätzlich ein Relais Typ S einzusetzen, wenn der Schutz gegen Phaseninversion erforderlich ist. Phasenfolge durch Spannungsmessung: Beim Relaistyp PF erfolgt die Erfassung der Phasenfolge (Drehrichtung des Motors) über die Auswertung der Spannung. Bei Auftreten einer Phaseninversion kann der Motor nicht starten, da das Relais diese bereits erfasst hat und sofort abschaltet Rücksetzung: Manuelle Rücksetzung: Dazu muss die RESET- Taste betätigt Nach einer Auslösung wegen Phasenausfall/-asymmetrie, Unterlast oder Phaseninversion, kann das Relais nach 2 Sekunden zurückgesetzt Bei Überlast kann die Wartezeit bis zur Rücksetzung bei den Relaistypen C, GL, G und BG bis zu 8 Minuten, bei den Typ P und PF bis zu 5 Minuten und bis zu 1 Minute beim Typ GEN dauern. Sie ist abhängig von der Größe der Überlast x undercurrent

5 Fernrücksetzung: Nach Ablauf der erforderlichen Wartezeit muss die Versorgungsspannung des Relais für mindestens 3 Sekunden unterbrochen Bei dem Relaistyp PF muss dabei der Auswahlschalter auf die Position man gestellt Automatische Rücksetzung: Für die automatische Rücksetzung muss bei dem Relaistyp P und PF der Auswahlschalter auf auto gestellt Dann werden die Relais nach ca. 20 Minuten automatisch zurückgesetzt. Der Relaistyp PS wird automatisch nach 4 Minuten zurückgesetzt. 3. Funktionsprüfung und Test: Um einen Phasenausfall-Test durchzuführen, muss der Strom mindestens 70% des Motornennstromes betragen. Wenn unter dieser Bedingung der frontseitige Taster TEST für länger als 3 Sekunden gedrückt wird, löst das Relais aufgrund eines Phasenfehlers aus und die Anzeige-LED leuchtet. Maße Relaistypen GL, B, BG, P, PF, GEN Maße Relaistyp C 4. Externes Anzeigemodul: Das externe Anzeigemodul ist ein optional steckbares Zubehör. Damit kann die Auslöseursache angezeigt und das Relais zurückgesetzt werden, ohne den Schaltschrank öffnen zu müssen. In den Abmessungen eines Befehlsgerätes mit 22mm Durchmesser lässt es sich leicht montieren und ist ideal für Steuer- und Bedientableaus oder Schaltschränke. Der Anschluss am Relais erfolgt frontseitig durch ein 2 Meter langes Flachbandkabel. Auswahltabelle Schutz- und Überwachungsfunktionen Motorschutzrelais: Auswahltabelle Motornennströme: 15