Überlastrelais

Schaltzeichen eines Motorschutzschalters. Das Symbol „I>“ symbolisiert eine Strombegrenzung, die rechteckige Schleife steht für einen Bimetall-Auslöser

Der Motorschutz (zum Beispiel ein Motorschutzschalter) schützt Elektromotoren (meist Asynchronmotoren) vor thermischer Überlastung aufgrund mechanischer Überlastung oder bei Ausfall eines einzelnen oder zweier Außenleiter.

Grundlagen

Das Isolationsmaterial der Wicklungsdrähte schmilzt oberhalb von Grenztemperaturen und wird so unwirksam. In den Wicklungen würde so ein Leiterschluss entstehen. Der Motor wäre zerstört. Daher muss er sich rechtzeitig abkühlen. Im Motorschutzschalter wird diese thermische Belastung simuliert. Man kann darauf verzichten, wenn in den Motorwicklungen Temperaturfühler angeordnet sind und diese entsprechend ausgewertet werden.

Mit ähnlichen Einrichtungen können auch andere Verbraucher vor Überlast geschützt werden, als Beispiel wäre der Überlastschutz an einem Transformator zu nennen.

Im Vergleich zu den Folgen eines Motorausfalls sind die möglichen Gefahren durch Rauchentwicklung oder Brand häufig als vorrangig zu bewerten.

Motorschutz

Es gibt zwei grundlegende Arten, einen Elektromotor im Betrieb vor Überlastung zu schützen, zum einen die Überwachung seiner Stromaufnahme, zum anderen die direkte Überwachung der Temperatur in den Motorwicklungen. Zur ersten Kategorie gehören der Motorschutzschalter und das Überlastrelais (auch Motorschutzrelais), zur zweiten selbstrückstellende Bimetallschalter und Kaltleiter.

Die Auslösezeit des Überlastschutzes wird bestimmt von der Stromstärke bzw. Temperatur und der Einstellung des Auslösebereiches. Sie muss für alle eingestellten Stromwerte unterhalb der Gefährdungszeit der Motor-Isolation liegen. Daraus ergibt sich laut EN 60947 die Forderung, Maximalzeiten für die Überlast anzugeben. Um unnötige Auslösungen zu vermeiden, sind hier Grenzwerte für den Grenzstrom und den Motorstillstand festgelegt.

Motorschutzschalter

Motorschutzschalter werden vor Allem für dreiphasige Drehstrommotoren hergestellt. Bei dieser Ausführung des Motorschutzes erfolgt eine ODER-verknüpfte Auslösung durch Überwachung der Ströme in den drei Zuleitungen (stromabhängige Schutzeinrichtung). Die Überwachung kann thermisch-mechanisch (Bimetall), thermisch-elektronisch (PTC) oder elektronisch (Strommessung) realisiert sein.

Drehstrommotoren sollten nur über geeignete Motorschutzschalter oder Motorschutzrelais an das Stromnetz angeschlossen werden, um Schäden durch Überlast oder Ausfall eines Außenleiters zu vermeiden. Eingestellt wird diese Art von Motorschutz in der Regel immer nach dem Motorbemessungsstrom I_e. Das Wiedereinschalten nach erfolgter Auslösung kann entweder automatisch oder durch Drücken einer Entsperrtaste manuell erfolgen.

Beim Motorschutzschalter sind teilweise auch Unterspannungsauslöser integriert. Motorschutzschalter schützen oft durch einen Kurzschlussauslöser auch das Versorgungsnetz vor Kurzschlüssen, dies ist aber nicht notwendig, um als Motorschutzschalter zu gelten. Motorschutzschalter, die dem Kurzschluss- und Überlastschutz dienen, müssen nach DIN VDE 0100 am Anfang der Motorzuleitung eingebaut werden.
Die Kurzschluss-Schutzfunktion kann auch von einem gekoppelten Leitungsschutzschalter am Anfang der Zuleitung übernommen werden.

Motorschutzrelais

Überlastrelais

Überlast- bzw. Motorschutzrelais funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie der Motorschutzschalter, sie selbst schalten jedoch den Motor nicht direkt ab. Wenn ein Motorschutzrelais auslöst, werden ein oder mehrere kleinere Kontakte betätigt (Hilfskontakte). Meist wird über einen dieser Kontakte ein Schütz angesteuert, der den Verbraucher dann abschaltet. Viele Motorschutz- und Überlastrelais sind so konstruiert, dass sie direkt an einem Schütz befestigt werden können und ohne zusätzliche Leitungen mit diesem verbunden werden. Im Gegensatz zum Motorschutzschalter hat ein Motorschutzrelais keinen Kurzschlussauslöser, sondern nur den thermischen Auslöser (Bimetall), der im Kurzschlussfall evtl. zu langsam reagieren würde. Daher müssen in die Zuleitung für einen oder mehrere Motoren, die mit Motorschutzrelais geschützt sind, Sicherungen eingebaut werden.

Überlastrelais gibt es auch in höheren Spannungsebenen des Stromversorgungsnetzes. Sie sind dort über entsprechend isolierte Stromwandler angeschlossen und lösen einen Leistungsschalter aus!

Auslösemechanismus

Thermisch auslösender Überlastschutz

Der thermisch auslösende Schutz wird durch Bimetalle bewirkt, die durch Heizwicklungen (Strang-Widerstände), über die der Motorstrom fließt, erhitzt werden. Dabei ist für jede stromführende Leitung zum Motor ein eigenes Bimetall mit zugehöriger Heizwicklung vorgesehen. Überschreitet die Stromaufnahme auch nur einer Wicklung des Motors den vorgegebenen Wert über mehrere Sekunden, löst das durch die Wärme verformte Bimetall das Schaltschloss des Motorschutzes aus und unterbricht den Stromkreis zum Motor. Ebenso wird bei Ausfall eines Außenleiters (ungleichmäßige Erwärmung der Bimetallstreifen) nach kurzer Zeit ausgeschaltet (ODER-Verknüpfung). Bei thermischer Auslösung lässt sich der Schalter erst nach Abkühlung der Bimetalle wieder einschalten. Die Auslöseströme thermisch auslösender Motorschutzschalter sind in gewissen Grenzen (bis zu einem Faktor 1,6) verstellbar und müssen auf den Nennstrom des Motors eingestellt werden. Hierbei ist insbesondere bei Drehstrommotoren die Schaltungsart (Stern oder Dreieck) der Wicklungen zu beachten. Die Rückstellung nach Auslösen kann erst erfolgen, nachdem das Bimetall ausreichend abgekühlt ist.

Elektronischer Überlastschutz

Elektronische Auslöser messen mit Stromwandlern den Strom jedes Außenleiters und ahmen das Verhalten eines thermischen Motorschutzschalters nach. Vorteile der elektronischen Geräte sind ein größerer Bereich des einstellbaren Motornennstroms und eine größere Funktionsvielfalt. Beispielsweise kann bei vielen elektronischen Motorschutzschaltern die Auslösecharakteristik eingestellt werden (z. B. verzögerte Auslösung bei Motoren mit Schweranlauf) und der Schalter kann nach einem Störfall ferngesteuert zurückgesetzt werden.

Phasenausfallüberwachung

Zur Überwachung der Gleichheit aller drei Spannungen der Drehstrom-Außenleiter gibt es Relais zur Phasenüberwachung. Sie schützen Drehstromverbraucher (Motoren, Gleichrichter, Transformatoren) vor den mit Phasenunsymmetrien verbundenen erhöhten Belastungen. Solche Überwachungsrelais besitzen oft eine einstellbare Toleranzschwelle.

Einphasige Motoren und Verbraucher

Wird ein dreipoliger Überlastschutz für Einphasenmotoren benutzt, so müssen die drei Strompfade in Reihe geschaltet werden. Bei der Verwendung nur eines Strompfades würden viele Schalter verfrüht abschalten, weil sie oft auch die gleichmäßige Belastung oder Spannung der drei Außenleiter überwachen. Ob diese Schaltung mit elektronischen Motorschutzschaltern zulässig ist, muss im Einzelfall aus den Produktdatenblättern des jeweiligen Herstellers entnommen werden.

Kleine einphasige Motoren (zum Beispiel Kühlschrank-Kompressoren) werden oft mit einem einfachen selbstrückstellenden Bimetallschalter geschützt.

Für Geräte und Bedienpulte gibt es auch Kippschalter mit thermischer Überstromauslösung.

Motorüberwachung mit Thermistoren (Motorvollschutz)

Heute haben viele Motoren Thermistoren eingebaut, mit denen die Temperatur der Wicklungen überwacht wird. Eine Überschreitung der zugelassenen Temperatur führt dann zur Meldung bzw. zur Abschaltung des Motors. Die Thermistoren sind Kaltleiter, die bei der Nennabschalttemperatur einen Widerstandsanstieg auf beispielsweise 1 kΩ aufweisen. Sie sind in DIN 44081 genormt. Da hier die Temperatur der Motorwicklungen direkt überwacht wird, eignet sich diese Schutzeinrichtung für alle Arten von Elektromotoren, unabhängig von Strom- und Anschlussart. Ein Wiedereinschalten ist erst nach ausreichender Abkühlung des Motors möglich, abhängig von der externen Beschaltung wahlweise manuell oder automatisch.

Literatur

• Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9
• Theodor Schmelcher: Handbuch der Niederspannung, Projektierungshinweise für Schaltgeräte Schaltanlagen und Verteiler. 1. Auflage, Siemens Aktiengesellschaft (Abt. Verlag), Berlin und München, 1982, ISBN 3-8009-1358-5
• A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag - Europa Lehrmittel, 1965