Motorschutz: Auslegung und Einstellung

Ein Drehstrommotor zieht im Normalbetrieb seinen Bemessungsstrom, und der erzeugt in den Wicklungen genau so viel Wärme, wie der Motor über sein Gehäuse abführen kann. Das Gleichgewicht stimmt. Sobald der Motor aber mehr Strom zieht, als er soll, kippt diese Bilanz: Es entsteht mehr Wärme, als abgeführt wird, und die Wicklungstemperatur steigt.

Zwei grundsätzlich verschiedene Fehler bedrohen den Motor.

Der erste ist die Überlast. Der Motor läuft, aber er muss mehr leisten, als er darf — etwa weil das Förderband überladen ist, ein Lager schwergängig wird oder eine Phase ausfällt und die verbleibenden Wicklungen den Strom übernehmen. Der Strom steigt dann auf das Ein- bis Mehrfache des Bemessungsstroms. Das ist kein dramatischer Knall, sondern ein schleichender Prozess: Die Wicklung wird über Sekunden bis Minuten zu heiß. Ein Sonderfall ist der blockierte Läufer — der Motor steht still, zieht aber den vollen Anlaufstrom dauerhaft, ohne dass der Lüfter am Wellenende kühlt. Hier wird es besonders schnell kritisch.

Der zweite Fehler ist der Kurzschluss. Hier fließt schlagartig ein sehr hoher Strom, weil sich zwei Leiter direkt berühren oder die Isolation durchschlägt. Das passiert in Millisekunden und richtet durch die enorme Stromstärke mechanischen und thermischen Schaden an — Leiter verdampfen, Kontakte verschweißen.

Diese beiden Fehler verlangen unterschiedliche Schutzorgane. Der Überlastschutz darf sich Zeit lassen, weil der Motor eine thermische Trägheit hat — eine kurze, hohe Stromspitze beim Anlauf verträgt er problemlos, eine dauerhafte mäßige Überlast nicht. Der Kurzschlussschutz dagegen muss sofort trennen. Aus diesem Grund übernimmt in der Praxis nicht ein einziges Gerät beide Aufgaben mit derselben Charakteristik, sondern die Schutzfunktion ist abgestuft.

Jede Auslegung beginnt am Typenschild. Dort stehen die Werte, auf die der Schutz eingestellt wird. Das Lesen des Typenschilds im Detail ist ein eigenes Thema — hier interessieren nur die Größen, die für den Schutz zählen.

Die wichtigste ist der Bemessungsstrom I_N — der Strom, den der Motor bei Bemessungsleistung und Bemessungsspannung im Dauerbetrieb aufnimmt. Auf diesen Wert wird der Überlastschutz eingestellt. Steht I_N direkt auf dem Schild, ist man fertig. Oft sind aber zwei Strom- und Spannungswerte angegeben, je einer für Stern und Dreieck — dann muss man wissen, in welcher Schaltung der Motor am Netz liegt, und den passenden Wert nehmen.

Fehlt der Strom, lässt er sich aus Leistung, Spannung, Leistungsfaktor und Wirkungsgrad berechnen. Beim Drehstrommotor gilt:

Wichtig ist die Unterscheidung: P auf dem Typenschild ist die abgegebene mechanische Wellenleistung, nicht die aufgenommene elektrische Leistung. Deshalb steht der Wirkungsgrad eta im Nenner — die aufgenommene Leistung ist um den Wirkungsgrad höher als die abgegebene, und entsprechend höher ist der Strom.

Ob der Motor in Stern oder Dreieck läuft, entscheidet außerdem darüber, welcher Strom durch das eigentliche Schutzelement fließt. Darauf kommt es im nächsten Kapitel an.

Das klassische Gerät für den Überlastschutz ist das thermische Überlastrelais — oft direkt unter dem Schütz montiert. Sein Herzstück ist ein Bimetall: ein Streifen aus zwei verschweißten Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Fließt Strom durch eine Heizwicklung am Bimetall, biegt sich der Streifen, und ab einer bestimmten Verbiegung schaltet er einen Hilfskontakt, der den Steuerstromkreis und damit das Schütz abschaltet. Je höher der Strom, desto schneller die Erwärmung, desto früher die Auslösung. Das Relais bildet also die thermische Trägheit des Motors nach — es löst nicht bei jeder kurzen Spitze aus, sondern erst, wenn die Wärme über die Zeit zu groß wird.

Die Grundregel für die Einstellung lautet: Einstellwert = Bemessungsstrom des Motors. Man dreht das Einstellrad auf den I_N-Wert vom Typenschild. Damit löst das Relais bei dauerhafter Überschreitung dieses Stroms aus, lässt aber den Bemessungsbetrieb ungestört laufen.

Beim Einbauort wird es interessant. Sitzt das Überlastrelais in der Zuleitung zum Motor, fließt der volle Leiterstrom hindurch, und man stellt es auf I_N ein. Sitzt das Relais dagegen im Dreieckstrang — also direkt in einer Motorwicklung, wie es bei größeren Stern-Dreieck-Schaltungen vorkommt — fließt nur der Strangstrom hindurch. Der ist in Dreieckschaltung um den Faktor √3 kleiner als der Leiterstrom. Dann muss der Einstellwert ebenfalls auf den Strangstrom heruntergerechnet werden:

Wer das übersieht und im Strang trotzdem auf den Leiterstrom einstellt, hat einen um rund 73 % zu hoch eingestellten Überlastschutz — der Motor brennt durch, bevor das Relais auslöst.

Auslöseklassen

Überlastrelais sind nicht alle gleich träge. Die Auslöseklasse (englisch „Trip Class“, abgekürzt CLASS) gibt an, wie lange das Relais beim 7,2-fachen Einstellstrom aus dem kalten Zustand bis zur Auslösung braucht — das ist eine genormte Vergleichsbedingung.

Die Logik dahinter: Ein Motor mit kurzer Anlaufzeit kommt mit einer flinken Klasse (CLASS 10) aus. Ein Antrieb mit großer Schwungmasse, der lange hochläuft — etwa ein großer Lüfter oder eine Zentrifuge — würde mit CLASS 10 schon beim Anlauf fehlauslösen, weil der hohe Anlaufstrom zu lange anliegt. Hier braucht man CLASS 20 oder 30. Die Klasse wird also so gewählt, dass sie den Anlauf gerade noch durchlässt, aber im Fehlerfall noch rechtzeitig schützt. Wie man das nachweist, steht in Kapitel 5.

Nach einer Auslösung kühlt das Bimetall ab, bevor man wieder einschalten kann. Bei der Rückstellung unterscheidet man Hand- und Automatikrückstellung. Handrückstellung ist in den meisten Anwendungen die sichere Wahl, weil eine Person den Fehler zur Kenntnis nimmt, bevor der Antrieb wieder läuft. Automatikrückstellung wird nur dort eingesetzt, wo ein selbsttätiges Wiederanlaufen ungefährlich und gewollt ist.

Besonderheiten bei Motoren im Ex-Bereich (t_E-Zeit)

In explosionsgefährdeten Bereichen — etwa in Lackieranlagen, in der Chemie oder dort, wo brennbare Stäube auftreten — gelten verschärfte Regeln. In Österreich ist das über die VEXAT (Verordnung explosionsfähige Atmosphären) und die ATEX-Vorgaben geregelt. Der Motorschutz ist hier nicht nur eine Frage der Lebensdauer des Motors, sondern direkt eine Frage der Zündgefahr: Eine überhitzte Motoroberfläche darf eine explosionsfähige Atmosphäre nicht entzünden.

Bei der häufigsten Zündschutzart für solche Motoren ist die t_E-Zeit (Erwärmungszeit) die zentrale Kenngröße. Sie steht auf dem Typenschild des Ex-Motors und gibt an, wie lange der Motor bei blockiertem Läufer vom Bemessungsbetrieb aus erwärmen darf, bis er die zulässige Grenztemperatur seiner Temperaturklasse erreicht. Diese Zeit ist die harte Obergrenze: Das Schutzorgan muss den blockierten Motor innerhalb der t_E-Zeit abschalten.

Daraus folgt für die Auslegung: Man wählt das Überlastrelais und seine Auslöseklasse so, dass die Auslösezeit beim Verhältnis von Anlauf- zu Bemessungsstrom kleiner ist als die t_E-Zeit. Auf dem Ex-Motor sind dafür meist das Stromverhältnis I_A/I_N und die zugehörige t_E-Zeit angegeben — anhand der Auslösekennlinie des Relais prüft man, ob es bei diesem Stromverhältnis rechtzeitig auslöst. Zusätzlich müssen die Schutzgeräte selbst für den Einsatz mit Ex-Motoren bescheinigt sein. Eine Auslegung „nach Gefühl“ ist hier nicht zulässig — der Nachweis über die t_E-Zeit is verpflichtend und wird bei der Prüfung kontrolliert.

Das thermische Überlastrelais ist bewusst träge — und genau das macht es für den Kurzschlussfall ungeeignet. Bei einem Kurzschluss fließt ein Vielfaches des Anlaufstroms, und das Bimetall würde viel zu langsam reagieren; der schade wäre längst entstanden. Deshalb braucht jeder Motorabgang zusätzlich einen Kurzschlussschutz, der den hohen Strom schlagartig abschaltet. Diese Aufgabe übernehmen Sicherungen oder die magnetische Schnellauslösung in einem Motorschutzschalter — die Geräteauswahl im Detail ist ein eigenes Thema.

Entscheidend für die Auslegung ist, dass Überlast- und Kurzschlussschutz aufeinander abgestimmt sein müssen. Man spricht von Koordination. Die beiden Schutzbereiche teilen sich den Strombereich auf: Im unteren Bereich, von leichter bis mäßiger Überlast, arbeitet das Überlastrelais mit seiner stromabhängigen, trägen Kennlinie. Erst bei sehr hohen Strömen — weit oberhalb des Anlaufstroms — übernimmt der Kurzschlussschutz und trennt sofort. Wenn die beiden Kennlinien sauber ineinandergreifen, gibt es keinen Strombereich, der ungeschützt bleibt, und keinen, in dem das falsche Gerät zuerst auslöst.

Diese Abstimmung lässt sich gut in einem Kennlinien-Diagramm darstellen. Auf der waagrechten Achse steht der Strom (als Vielfaches von I_N), auf der senkrechten die Auslösezeit. Beide Achsen sind logarithmisch, weil die Werte über mehrere Größenordnungen reichen.

Die rote Kurve ist die Auslösekennlinie des Überlastrelais — je höher der Strom, desto kürzer die Zeit bis zur Auslösung. Die blaue Linie ist der Kurzschlussschutz, der ab einem hohen Vielfachen von I_N nahezu senkrecht abschaltet. Der grüne Punkt markiert den Anlaufstrom des Motors, der deutlich unter der Überlastkennlinie liegen muss, damit das Relais den Anlauf nicht abwürgt.

Bei der Koordination unterscheidet man zwei Stufen. Bei Koordinationstyp 1 darf das Schaltgerät nach einem Kurzschluss beschädigt sein — es muss nur sicher abschalten, ohne Gefahr für die Umgebung; danach wird es ausgetauscht. Bei Koordinationstyp 2 bleibt das Gerät auch nach einem Kurzschluss funktionsfähig und kann nach Prüfung weiterbetrieben werden. Welcher Typ gefordert ist, hängt von der Anlage und der Verfügbarkeitsanforderung ab. Voraussetzung für beide ist, dass die eingesetzte Gerätekombination für den am Einbauort möglichen Kurzschlussstrom ausgelegt ist — die Kurzschlussfestigkeit muss zum Netz passen.

Jetzt kommt alles zusammen. Beim Einschalten zieht ein Drehstrommotor nicht seinen Bemessungsstrom, sondern den Anlaufstrom — typischerweise das Fünf- bis Achtfache von I_N bei direkter Einschaltung. Dieser hohe Strom fließt nur kurz, nämlich während der Anlaufzeit, bis der Motor seine Drehzahl erreicht hat. Genau in diesem Zeitfenster darf der Überlastschutz nicht auslösen.

Der Anlaufstrom selbst lässt sich aus dem Bemessungsstrom und dem Anlaufstromverhältnis bestimmen, das oft als I_A/I_N auf dem Typenschild steht:

Mit dem Anlaufstrom und der Anlaufzeit wählt man die Auslöseklasse. Die Frage ist immer dieselbe: Lässt die gewählte Klasse den Anlauf gerade noch durch?

Nachweis des sicheren Hochlaufs

Die Klassenwahl ist erst dann begründet, wenn man sie nachweist. Der Nachweis besteht aus einer Gegenüberstellung zweier Zeiten am Anlaufstrompunkt:

• die Anlaufzeit t_A — wie lange der Motor braucht, um hochzulaufen
• die Auslösezeit t_aus des Relais beim Anlaufstrom — abgelesen aus der Auslösekennlinie der gewählten Klasse beim Vielfachen I_A/I_N

Die Bedingung für sicheren Hochlauf lautet:

Solange die Auslösezeit größer ist als die Anlaufzeit, hat der Motor seinen Hochlauf abgeschlossen, bevor das Relais auslösen würde — der Anlauf ist sicher. Liegt die Anlaufzeit dagegen über der Auslösezeit, würgt das Relais den Anlauf ab; dann muss man eine trägere Klasse wählen und erneut prüfen.

Anschaulich ist das dasselbe, was das Kennlinien-Diagramm aus Kapitel 4 zeigt: Der Anlaufpunkt des Motors (Anlaufstrom auf der waagrechten Achse, Anlaufzeit auf der senkrechten) muss unterhalb der Auslösekennlinie des Relais liegen. Gleichzeitig — und das ist die zweite Grenze — muss die Relaiskennlinie unterhalb der thermischen Grenzkennlinie des Motors bleiben, also der Linie, die angibt, wie lange der Motor einen bestimmten Überstrom thermisch aushält. Der gültige Bereich für die Relaiskennlinie ist also ein Korridor: oberhalb des Anlaufpunkts, unterhalb der thermischen Motorgrenze. Bei Ex-Motoren tritt an die Stelle dieser Grenzkennlinie die in Kapitel 3 beschriebene t_E-Zeit als harte Obergrenze.