Die Grundlagen der Motorschütze und ihre Anwendung

Anwendungen wie Heizung, Lüftung und Klimaanlagen (HLK), Kompressoren, Pumpen, Materialhandhabung und Verpackung erfordern den sicheren Einsatz und die Steuerung von großen Motoren, die mit hohen Spannungen und Strömen arbeiten. Die Steuerung dieser großen Elektromotoren stellt Entwickler vor das Problem, dass sie für eine angemessene Isolierung zwischen dem Motor und dem Steuerkreis sorgen müssen. Darüber hinaus können die hohen Spannungen und Ströme erhebliche elektromagnetische Transienten erzeugen, die elektronische Steuerungen beschädigen können.

Elektromagnetische Relais bieten Fernsteuerung mit Isolierung, haben aber ihre eigenen Grenzen. Das Öffnen und Schließen der Stromanschlüsse eines Hochleistungsmotors erzeugt elektrische Lichtbögen, die die Kontaktflächen des Relais abnutzen und die Lebensdauer der Kontakte verringern.

Die Lösung für dieses Problem ist ein elektromagnetisches Schütz, eine spezielle Klasse von Relais für die Motorsteuerung. Neben einer robusteren Konstruktion und größeren, robusteren Kontakten als bei Relais kommen bei ihnen Techniken zur Lichtbogenunterdrückung zum Einsatz, die spezielle Materialien und ein schnelleres Schließen und Öffnen der Kontakte umfassen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen der elektromagnetischen Motorschütze und ihren Vorteilen gegenüber anderen Ansätzen der Motorsteuerung. Anschließend wird anhand von realen Konfigurationsbeispielen aus der Familie Easy TeSys von Schneider Electric erörtert, wie solche Schütze ausgewählt und angewendet werden.

Wie Schütze funktionieren

Elektromagnetische Schütze bestehen aus einem Elektromagneten, der auf einem „E“-Kern aufgebaut ist. Konkret wird eine elektrisch isolierte Spule konzentrisch um den mittleren Schenkel des Kerns gewickelt. Die Spule wird von der Steuerspannungsquelle erregt, die Wechsel- oder Gleichspannung sein kann. Wenn die Spule erregt wird, zieht die elektromagnetische Kraft einen Anker an, der sich am offenen Ende des Kerns befindet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein vereinfachtes Funktionsschema eines Schützes, das sowohl den stromlosen als auch den stromführenden Zustand zeigt. (Bildquelle: Art Pini)

Die elektrischen Kontakte sind mechanisch mit der Armatur gekoppelt. Die Anordnung der Kontakte variiert je nach Schützmodell: Sie können normal offen (NO, Schließer) oder eine Kombination aus normal offen und normal geschlossen (NC, Öffner) sein. Es können mehrere isolierte Kontakte vorhanden sein. Ein 3-Phasen-Schütz hat zum Beispiel drei Sätze von Leistungskontakten, einen für jede Phase. Wenn der Anker anzieht, öffnen sich die Öffnerkontakte, und die Schließerkontakte schließen sich. Darüber hinaus verfügen viele Schütze über eine Reihe von Hilfskontakten für geringere Leistungen, mit denen der Zustand des Schützes (erregt oder nicht erregt) überwacht werden kann.

Die Kontaktmaterialien werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihrer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen die Auswirkungen von Lichtbogen und Oxidation ausgewählt. Die Kontaktgeometrie ist so ausgelegt, dass sie die vorgesehenen Leistungen bewältigen und Lichtbögen unterdrücken kann.

Alle Elemente des Schützes sind in einem Gehäuse untergebracht, das die Kontakte elektrisch isoliert und gleichzeitig eine einfache Methode für den Anschluss der Strom-, Last- und Spulenverdrahtung bietet. Das Gehäuse bietet auch eine Montageunterstützung, die in Form einer Schalttafel- oder Hutschienenmontage erfolgen kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Beispiele für typische Schützgehäuse; Schalttafelmontage (links) und Hutschienenmontage (rechts). (Bildquelle: Schneider Electric)

Die Schütze Easy TeSys (DPE-Serie) von Schneider Electric sind in einem kompakten Gehäuse untergebracht, das nur 45 Millimeter (mm) breit ist und auf eine Schalttafel oder eine Hutschiene montiert werden kann. Das Gehäuse hat eine Schutzart von IP20, d. h. es bietet Schutz für die Finger. Alle Schütze der Serie verfügen über einen Schließer-Hilfskontakt. Diese Serie von 3-Phasen-Schützen ist UL/CSA-zugelassen mit Nennleistungen bis 32 Ampere, 20 PS bei 480 Volt AC (HP/480 VAC) und 25 PS/600 VAC, mit einer Vielzahl von Steuerspulen-Erregerspannungen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ausgewählte Beispiele der Schützreihe Easy TeSys DPE von Schneider Electric zeigen die Auswahl an Betriebsströmen und Steuerspannungen, die die Reihe bietet. (Tabellenquelle: Art Pini)

Diese Komponenten bieten eine Lebensdauer von etwa 1 Million elektrischer Schaltungen. Easy-TeSys-Schütze sind für Anwendungen geeignet, die in den in der Norm IEC 60947 festgelegten Gebrauchskategorien beschrieben sind. Die Nennstromstärken der einzelnen Schütze hängen von der Gebrauchskategorie ab. Die Kategorie AC-1 beispielsweise beschreibt Anwendungen, bei denen die Last nicht oder nur geringfügig induktiv ist, wie z. B. bei einem Ofen auf Widerstandsbasis. Diese Anwendungen haben hauptsächlich ohmsche Lasten, die weniger Probleme mit transienten Spannungen und Strömen haben.

Die Kategorie AC-3 deckt Anwendungen für Asynchronmotoren mit Käfigläufer ab, bei denen der Motor gestartet wird und die Stromversorgung zeitweise unterbrochen werden kann, um den Motor anzuhalten. Motoren sind induktive Komponenten, und das An- und Abstellen führt zu induktiven Transienten, die das Schütz stärker belasten.

Anwendungen der Kategorie AC-4 stellen höhere Anforderungen an das Schütz. Diese Kategorie umfasst Käfigläufermotoren und Schleifringläufermotoren, die für den Betrieb mit Rückstrombremsung sowie den Betrieb im Jogging- oder Inch-Modus geeignet sind. Unter Jogging- oder Inch-Betrieb versteht man „das schnelle, wiederholte Anfahren eines Motors aus dem Stillstand, um kleine Bewegungen des Motors auszuführen“. Der Jogging-Betrieb ist im Allgemeinen das Anfahren eines Motors mit kurzen Stromimpulsen bei voller Spannung. In ähnlicher Weise bedeutet der Inch-Betrieb das Anlassen eines Motors mit kurzen Impulsen reduzierter Spannung. Die mehrfache unterbrochene Leistungszuführung erzeugt die höchste Belastung für das Schütz.

Die Anpassung eines bestimmten Easy-TeSys-DPE-Schützes an einen Motor oder eine ähnliche Hochleistungsanwendung basiert in erster Linie auf dem zu handhabenden Strom. Der Easy-TeSys-Katalog von Schneider Electric enthält Auswahlhilfen auf Basis der Motorleistung, der Gebrauchskategorie und der geforderten Lebensdauer (Abbildung 3).

Abbildung 3: Easy-TeSys-DPE-Auswahlhilfe für Motoren der Gebrauchskategorie AC-3 auf der Grundlage der Motorleistung und der gewünschten Schützbetriebsdauer. (Bildquelle: Schneider Electric)

Abbildung 3 ist eine von drei Auswahlhilfen, die sich auf die Nutzungskategorie des zu steuernden Geräts beziehen. Er ist für die Gebrauchskategorie AC-3 vorgesehen, also für einen Motor, der möglicherweise unregelmäßig angehalten wird. Wenn der Motor steht, ist der Strom gleich dem Betriebsstrom. Nehmen wir als Beispiel die Suche nach einem Easy-TeSys-DPE-Schütz für einen 5,5 Kilowatt (kW) starken, dreiphasigen Motor, der mit 400 Volt und einem Betriebsstrom von 11 A betrieben wird, wobei die gewünschte Lebensdauer zwei Millionen Zyklen beträgt. Ausgehend von der 400-Volt-Spannungslinie muss der Entwickler 5,5 kW lokalisieren und von dort aus eine Linie nach oben projizieren, bis sie die Zwei-Millionen-Betriebs-Linie kreuzt. Das nächstgelegene DPE-Modell (in blau) ist der DPE 18.

Ein Beispiel für eine AC-4-Nutzungskategorie, bei der der Motor häufig angehalten und wieder gestartet wird, hat mit größeren Strömen zu tun. Nehmen wir einen dreiphasigen 5,5-kW-Motor, der mit 400 Volt und einem Betriebsstrom von 11 A in einer AC-4-Anwendung läuft, in der er stromlos ist, während der Motor blockiert ist. Die angestrebte Lebensdauer beträgt 300.000 Operationen.

Der Blockierstrom dieses Motors beträgt das Sechsfache des Betriebsstroms und erfordert ein Schütz, das für einen höheren Strompegel ausgelegt ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Easy-TeSys-DPE-Auswahlhilfe für die Kategorie AC-4. Beachten Sie, dass die Ströme im ungünstigsten Fall viel größer sein können, da dem Motor während der Blockierung die Stromversorgung entzogen werden kann. (Bildquelle: Schneider Electric)

Um das empfohlene Schütz zu finden, geht man von einem Einschaltstrom von 66 A aus, der sechsmal so hoch ist wie der Betriebsstrom von 11 A. Projektion von der aktuellen Achse nach oben bis zum Schnittpunkt mit der Linie, die 0,3 Millionen Vorgänge darstellt. Das nächstgelegene Produkt ist der DPE32.

Die Easy-TeSys-Schütze der Serie DPE decken die gängigsten Motorkonfigurationen und Anwendungen ab, wie z. B. Förderanlagen, Verpackungsmaschinen, Pumpen, Kompressoren, Heizungs- und Lüftungsanlagen, Klimaanlagen, Kühlanlagen und vieles mehr.

Die Easy-TeSys-Familie umfasst auch eine Reihe komplementärer thermischer Überlastrelais, die Wechselstromkreise und Motoren vor Überlast, Phasenausfall, verlängerten Anlaufzeiten und blockiertem Rotor schützen. Diese Relais überwachen den Motorstrom, und wenn der Strom die eingestellte Stromgrenze überschreitet, öffnen sich die Kontakte und halten den Motor an. Es gibt fünfzehn verschiedene Modelle, und jedes hat eine Reihe von einstellbaren Stromauslösestufen. Die Überlastschutzmodelle sind mit ausgewählten Easy-TeSys-Schützen von DPE09 bis DPE38 kompatibel. Sie werden direkt an die unteren Klemmen der 3-Phasen-Schütze angeschlossen, wobei die Schraubklemmen des Schützes verwendet werden. Die Kombination hat eine gemeinsame Breite von 45 mm und kann auf einer Hutschiene montiert oder mit der DPE-Schützhalterung an eine Schalttafel geschraubt werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Überlastschutzrelais wird direkt unter dem DPE-Schütz montiert und mit den Schraubklemmverbindungen des Schützes befestigt. (Bildquelle: Schneider Electric)

Das thermische Überlastrelais Easy-TeSys-DPER32 mit einer Nennleistung von 32 A/690 Volt verfügt über einen einstellbaren thermischen Auslösebereich von 23 bis 32 A, Auslöseklasse 10 (bei einer Überlast vom Sechsfachen des voreingestellten Wertes löst der Überlastschutz innerhalb von 10 Sekunden aus), zum Schutz von 3-Phasen-Motoren mit einer Nennleistung von 15 kW bei 400 Volt. Es handelt sich um ein Differenzmesskomponente mit Phasenausfall- und Lastunsymmetrieerkennung. Es verfügt über eine Temperaturwahlscheibe, einen Wahlschalter für die manuelle/automatische Rückstellung, einen Testwahlschalter für die Simulation einer Auslösung, Reset- und Stopp-Tasten, eine Flaggenanzeige und zwei Hilfskontakte (1 Schließer + 1 Öffner) für die Fehlersignalisierung. Die Benutzereinstellungen sind durch eine abschließbare transparente Abdeckung geschützt. Die gesamte Familie der thermischen Überlastungsschutzgeräte ist nach mehreren Normen zertifiziert, darunter IEC, UL und CUL.

Fazit

Entwickler von Motoranwendungen mit hohen Betriebsspannungen und -strömen benötigen eine zuverlässige Möglichkeit, die zugehörigen Steuerkreise zu isolieren und vor elektromagnetischer Strahlung zu schützen. Die dreipoligen Easy-TeSys-DPE-Schütze sind zusammen mit den thermischen Überlastrelais DPER Easy TeSys für das Schalten und den Schutz der gängigsten Motoranwendungen konzipiert. Die große Auswahl an Modellen, die mehrere Strom- und Spannungsstufen abdecken, macht es einfach, sie für die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu konfigurieren.