Motorschutzschalter und Motorschutzrelais

Ein Drehstrommotor kennt zwei Arten von gefährlichen Strömen: dauerhaft zu hohe Ströme (Überlast) und plötzlich extrem hohe Ströme (Kurzschluss). Beides muss erkannt und abgeschaltet werden, aber jeder Fall braucht eine andere Reaktion.

Eine Überlast entsteht im Normalbetrieb — Lager schwergängig, blockiertes Gebläserad, zu hohes mechanisches Lastmoment, Phasenausfall. Der Strom steigt typischerweise auf das 1,1- bis 6-fache des Nennstroms. Die Wicklung wird heißer, der Isolierlack altert beschleunigt. Bei zwei- bis dreifachem Nennstrom hält die Wicklung das nur Sekunden bis Minuten aus — abhängig von Bauart und Vorerwärmung. Hier muss träge abgeschaltet werden, sonst löst die Sicherung auch bei jedem normalen Anlauf aus, bei dem kurzzeitig der 5- bis 8-fache Nennstrom fließt.

Ein Kurzschluss ist etwas anderes: Wicklungsschluss, Erdschluss, defekte Verkabelung. Der Strom kann das 50- bis 1000-fache des Nennstroms erreichen, mit Lichtbogen, Verbrennungen und mechanischer Zerstörung. Hier zählen Millisekunden — schnell abschalten, sonst brennt es.

Ein gewöhnlicher Leitungsschutzschalter (LS) ist auf die Leitung dimensioniert, nicht auf den Motor. Er hat zwar einen thermischen Auslöser, der ist aber nicht für die Erwärmungskennlinie eines Motors abgestimmt und nicht stufenlos einstellbar. Den Schutz der Leitung übernimmt der LS weiterhin — den Motor schützt er nicht zuverlässig. Genau diese Lücke schließen Motorschutzschalter und Motorschutzrelais.

Sowohl Motorschutzschalter als auch Motorschutzrelais nutzen denselben Mechanismus für den Überlastschutz: ein Bimetall. Das ist ein Streifen aus zwei fest verbundenen Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung — typisch Eisen-Nickel-Legierung auf einer Seite, eine Messing- oder Kupfer-Nickel-Legierung auf der anderen.

Wird der Streifen erwärmt, will sich das Metall mit der höheren Wärmeausdehnung stärker längen. Weil beide Schichten fest verbunden sind, geht das nur, indem sich der Streifen biegt — die längere Seite nach außen, die kürzere nach innen. Der Effekt ist überraschend kräftig: Schon kleine Temperaturunterschiede führen zu messbaren Auslenkungen, und am Ende des Streifens lässt sich ein Schaltkontakt betätigen.

Im Motorschutz fließt der Motorstrom durch einen Heizwickel um den Bimetallstreifen — oder direkt durch den Bimetall, je nach Bauart und Stromstärke. Je höher die Stromstärke, desto schneller die Erwärmung, desto schneller die Auslösung. Damit ist die zentrale Eigenschaft erreicht: Trägheit, die zur Motorerwärmung passt. Kurze Anlaufstromspitzen über wenige Sekunden bringen das Bimetall kaum aus der Ruhe. Hält der erhöhte Strom dagegen Minuten an, biegt sich das Bimetall weit genug, um den Auslösemechanismus zu betätigen.

Der Motorschutzschalter (Kurzform MSS) vereint beide Schutzfunktionen — Überlastschutz und Kurzschlussschutz — in einem einzigen dreipoligen Gerät. Er sits im Stromkreis direkt vor dem Motor und übernimmt zusätzlich das händische Schalten von Hand. Die Bezeichnung in Stromlaufplänen ist typisch Q1, Q2 und so weiter.

Innen stecken zwei Auslöser pro Phase:

• Ein Bimetallauslöser für die Überlast. Drei Bimetalle, eines je Phase, alle drei mechanisch auf denselben Schaltmechanismus gekoppelt. Der Auslösestrom ist über einen Drehknopf am Gerät stufenlos im angegebenen Bereich einstellbar (z.B. 6–10 A, 9–14 A, 13–18 A).
• Ein Magnetauslöser für den Kurzschluss. Ein elektromagnetischer Schnellauslöser, der bei sehr hohen Strömen — typisch dem 13-fachen des eingestellten Stroms — innerhalb von Millisekunden öffnet. Hier zählt Geschwindigkeit, nicht Trägheit.

Beide Auslöser wirken auf denselben Schaltmechanismus. Egal ob Bimetall (langsam) oder Magnet (schnell) — wenn einer auslöst, trennt der MSS alle drei Phasen gleichzeitig. Nach einer Auslösung muss der MSS von Hand wieder eingeschaltet werden. Die Ursache sollte vorher gefunden sein, sonst löst er sofort wieder aus.

Das Motorschutzrelais — auch Bimetallrelais oder thermisches Überlastrelais genannt — übernimmt nur eine der beiden Funktionen: den Überlastschutz. Es enthält keine Trennstrecken für die Hauptleitung im klassischen Sinn (es schaltet den Motor nicht direkt aus) und keinen Kurzschlussauslöser. Beides muss extern ergänzt werden. In Stromlaufplänen heißt es typisch F2, F3 und so weiter.

Im Inneren stecken — wie beim MSS — drei Bimetalle, eines pro Phase. Sie sitzen direkt in den Hauptstrompfaden und werden vom Motorstrom durchflossen. Eine Besonderheit hat das MSR allerdings: ein Differential-Auslöser, der bei ungleichmäßiger Auslenkung der drei Bimetalle sofort auslöst. Das ist die Phasenausfallempfindlichkeit — fällt eine Phase aus (Sicherungsausfall, Bruch in der Zuleitung), läuft der Motor mit den verbleibenden Phasen weiter und zieht in den anderen zwei einen deutlich höheren Strom. Ein „normaler“ Bimetallauslöser würde reagieren, aber spät. Der Differential-Mechanismus schaltet schneller, weil er nicht auf den absoluten Strom reagiert, sondern auf den Unterschied zwischen den Phasen.

Statt die Hauptphasen selbst zu unterbrechen, betätigt das MSR im Auslösefall zwei kleine Hilfskontakte:

• Ein Öffner mit den Klemmenbezeichnungen 95–96. Dieser liegt im Steuerstromkreis in Reihe mit der Schützspule. Löst das MSR aus, öffnet 95–96, die Schützspule wird stromlos, das Schütz fällt ab und trennt damit erst den Motor vom Netz. Der eigentliche Hauptstrom wird also vom Schütz unterbrochen, nicht vom MSR.
• Ein Schließer mit den Klemmenbezeichnungen 97–98. Dieser wird typischerweise für eine Störmeldung verwendet — Meldeleuchte, Hupe, Eingang an einer SPS.

Nach einer Auslösung muss das MSR rückgesetzt werden. Die meisten Geräte bieten einen Wahlschalter „Hand“ und „Auto“. In „Hand“ muss am Gerät selbst ein Reset-Taster gedrückt werden, in „Auto“ stellt sich das Relais nach Abkühlung des Bimetalls selbst zurück. „Auto“ ist gefährlich bei wieder einschaltenden Maschinen — ein abgekühlter Motor läuft sofort wieder an, möglicherweise mit der gleichen Überlast und in einer Endlosschleife. In der Praxis bleibt der Wahlschalter fast immer auf „Hand“.

Zur Verschaltung mit dem Schütz nur kurz: Der Öffner 95–96 wird in den Steuerstromkreis zwischen Selbsthaltung und Schützspule eingeschleift. Details dazu findest du im Beitrag „Schütze und Relais“.

Wichtig: Ein Motorschutzrelais bietet keinen Kurzschlussschutz. In Reihe vor das MSR gehört zwingend eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter mit ausreichender Schaltvermögen für den Kurzschlussfall.

Wie schnell ein Bimetallschutz auslöst, hängt von der Stromhöhe ab — das ist klar. Aber wie viel ist „schnell“ und wie viel „träge“? Das normt die ÖNORM EN 60947-4-1 mit den Auslöseklassen. Die geläufigsten sind Klasse 10A, Klasse 10, Klasse 20 und Klasse 30.

Die Zahl gibt grob die maximale Auslösezeit in Sekunden an, wenn das Gerät kalt startet und vom 7,2-fachen des Einstellstroms durchflossen wird. Klasse 10 muss demnach in spätestens 10 Sekunden trennen, Klasse 20 in spätestens 20 Sekunden, Klasse 30 in spätestens 30 Sekunden. Klasse 10A ist die schnellste Variante (etwas schneller als Klasse 10) und für besonders empfindliche Motoren gedacht.

Die Wahl hängt vom Anlaufverhalten ab. Ein Motor mit kurzem, einfachem Hochlauf — Pumpe, Lüfter mit kleinem Massenträgheitsmoment — fährt in wenigen Sekunden auf Nenndrehzahl. Hier passt Klasse 10, oft die Standardwahl. Ein Motor mit großer Schwungmasse oder hohem Anlaufmoment — Förderband mit Last, große Zentrifuge, Kreissägeblatt mit Schwungrad — braucht länger zum Hochfahren, eventuell 15 oder 20 Sekunden. Mit Klasse 10 würde das Relais beim Anlauf bereits auslösen. Hier kommt Klasse 20 oder Klasse 30 zum Einsatz.

Es gilt der einfache Grundsatz: Je länger der zulässige Anlauf, desto höhere die Klasse — aber desto langsamer auch der Schutz im Überlastfall. Die Klasse ist also immer ein Kompromiss zwischen „Anlauf darf nicht stören“ und „Überlast darf nicht zu lange schaden“.

Den Einstellstrom liefert das Typenschild: dort steht der Bemessungsstrom (auch Nennstrom genannt) für die jeweilige Schaltungsart, also einer für Stern, einer für Dreieck — und meist auch jeweils für die Spannung 400 V und 230 V. Bei einer reinen Direkteinschaltung (DOL) im Dreieck wird der Dreieck-Wert genommen, bei Sternbetrieb der Stern-Wert.

Der entscheidende Punkt ist nicht der Motor, sondern wo der Schutz in der Schaltung sitzt:

• In der Netzzuleitung vor dem Klemmenbrett — also so, dass der Außenleiterstrom hindurchfließt. Hier muss der Einstellwert direkt dem Motornennstrom entsprechen.
• Im Strang einer Stern-Dreieck-Schaltung — also nach dem Sternpunkt-/Dreieck-Schütz, sodass nur der Strangstrom fließt. Hier ist der Einstellwert kleiner, weil im Strang nur 1/√3 ≈ 0,58 des Außenleiterstroms fließt.

Die zugehörige Formel lautet:

Wer den Schutz im Strang einbaut und ihn versehentlich auf den vollen Außenleiterstrom einstellt, schützt den Motor faktisch nicht mehr — der Schutz löst erst aus, wenn im Strang bereits das 1,73-fache des Nennstroms fließt, also bei einer realen Überlast von rund 70 Prozent über Nennlast. Im umgekehrten Fall — Schutz in der Netzzuleitung, aber Einstellung auf den Strangstrom — löst das Gerät dauernd beim normalen Betrieb aus.

Auf dem MSS oder MSR steht ein Einstellbereich — beispielsweise „6 bis 10 A“. Innerhalb dieses Bereichs lässt sich der Strom mit einem Drehknopf stufenlos einstellen. Liegt der berechnete Einstellwert außerhalb, ist das falsche Gerät verbaut — es muss eines mit passendem Bereich besorgt werden.