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- Veröffentlicht am 10. März 2023
- Zuletzt bearbeitet am 29. Aug. 2023
- 7 min
Was ist Motorschutz?
Motorschutz dient dazu, Schäden am Elektromotor zu vermeiden. Erfahren Sie, welchen anderen Zwecken er dient und was RS dazu bietet.
Motorschutz dient zum Schutz von Stromkreisen für die Energieversorgung von Elektromotoren. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen thermischen und magnetischen Schutzschaltern, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Der thermische Überlastungsschutz soll den Motor vor Überlastungen schützen, die zu einer allgemeinen Erwärmung des Motors führen. Dafür wird normalerweise ein Bimetall eingesetzt, das sich bei Erwärmung verbiegt und dabei eine Schaltfunktion auslöst. Dieser Schutzschalter reagiert mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Der magnetische Überlastungsschutz schützt vor Kurzschluss, Leitungsfehlern und anderen elektrischen Hochstromfehlern. Er reagiert sofort und trennt die Stromversorgung innerhalb von Millisekunden. Darüber hinaus schützt ein elektromagnetischer Motor-Schutzschalter vor Phasenunsymmetrie und Phasenausfall. Schutzschalter mit internem Erdschluss- und Fehlerstromschutz bieten darüber hinaus noch einen Schutz vor Erdschlüssen.
Eine entscheidende Funktion des Motorschutzes ist es, das sichere Starten und Anhalten des Motors, die Umkehrung der Drehrichtung des Motors sowie den Schutz des Motors vor Unter- oder Überspannung sicherzustellen. Dies geschieht über die Überwachung der Stromaufnahme beim Anlassen des Elektromotors, da eine zu hohe Stromaufnahme den Motor beschädigen oder gar zerstören kann.
Ein Motorschutz ist eine Schalteinrichtung für den Start und Stopp eines Elektromotors, um diesen vor thermischer Überlastung zu schützen. Ein Elektromotor ist ein elektromagnetischer Wandler, dessen mechanischer Aufbau sich erwärmt. Diese Wärme verteilt sich dann auf mehrere Komponenten des Motors. Der Motorschutz dient dazu, Schäden an einem Elektromotor zu vermeiden und das Auftreten von Problemen wie interne Fehler und anormale Zustände zu reduzieren.
Motoren werden sowohl in Privathaushalten als auch in Industrie und Gewerbe eingesetzt. Gerade weil die großen Industriemotoren besonders kostspielig sind, ist der Schutz eines Motors zur Vermeidung von Folgekosten bedeutend. Um einen Motorvollschutz zu gewährleisten, werden bei Elektromotoren verschiedene Schutzeinrichtungen verwendet. Motorschutz wird hauptsächlich zum Betreiben und zum Schützen von Synchron- und Asynchronmotoren eingesetzt. Motorschutz kann auch bei Leistungsschaltern (Geräte zur Abschaltung des elektrischen Stroms als Sicherheitsmaßnahme) sowie für vielerlei Antriebsanwendungen eingesetzt werden, z.B. bei Pumpen, Lüftern, Kompressoren, Fräsern und Brechern.
Für den Schutz von Motoren können verschiedene Motorschutzgeräte verwendet werden, darunter manuelle, magnetische, Mehrgeschwindigkeits- und Vollspannungsstarter. Der Motorschutz besteht aus zwei Teilen: Einem Schütz- und einemÜberlastungsschutz. Die Art des gewählten Motorschutzes hängt von der Größe des Motors und der erforderlichen Betriebsspannung ab.
Motorschutz auf einen Blick
Die wichtigste Überwachung eines Motorschutzes ist die Stromaufnahme beim Anlassen des Elektromotors. Nach dem ohmschen Gesetz ist Strom das Ergebnis von Spannung geteilt durch Widerstand. Wenn also die Versorgungsspannung des Motors hoch und der Widerstand niedrig ist, kann der Einschaltstrom Hunderte von Ampere betragen, was den Motor beschädigen kann.
Die Hauptfunktionen des Motorschutzes sind demnach das sichere Starten und Anhalten des Motors, die Umkehrung der Drehrichtung des Motors sowie der Schutz des Motors vor Unter- oder Überspannung. In diesem Sinne unterscheidet sich der Motorschutz von einer Motorsteuerung.
Ob ein Motor eines Starters bedarf oder nicht, hängt von der Art des Motors ab. Im Allgemeinen benötigen Motoren mit geringer Leistung keinen Starter. Kleine Gleichstrommotoren mit niedrigen Spannungen (24 V oder weniger) oder Motoren mit geringer Leistung (unter 5 PS) benötigen ebenfalls keinen Starter. Entscheidend dafür, ob ein Starter notwendig ist oder nicht, sind zudem die Art der vorgesehenen Anwendung sowie die elektrischen Spezifikationen, wie Anzahl der Phasen, der Stromstärke, der Spannung und der Nennleistung.
Der Motorschutzschalter
Motorschutzschalter sind eine besondere Art von elektromechanischen Schutzschaltern, die zum Schutz einer breiten Palette von Einphasen- und Dreiphasen-Wechselstrommotoren vor Überlast und Kurzschluss dienen. Sie werden in der Industrie, bei kleinen Maschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, Kompressoren usw. eingesetzt und dienen hauptsächlich zum Ein- und Ausschalten von Motoren über den Hauptstromkreis und zum Schutz vor Kurzschluss, Überlast und Phasenausfall ohne Schmelzsicherung. Dieser Schutz ohne Schmelzsicherung spart Kosten und Platz und gewährleistet eine schnelle Reaktion im Kurzschlussfall, da der Motor innerhalb von Millisekunden abgeschaltet wird.
Zuverlässige Motorschutzschalter sind resistent gegen Kontaktschweißen. Sie erlauben nur eine geringe Kontakterwärmung und schalten bei Überstrom automatisch ab.
Wie funktioniert ein Motorschutzschalter?
Während der Motorschutz vielfältige Funktionen zum Schutz von Stromkreisen bietet, werden Motorschutzschalter für den Schutz von Stromkreisen verwendet, die Elektromotoren antreiben.
Motorschutzschalter haben anpassbare magnetische Einstellungen, die dem Benutzer erlauben, die magnetische Schutzstufe des Schalters knapp über dem Einschaltpegel des Motors einzustellen. Der Motorschutzschalter führt dabei drei wichtige Funktionen aus:
- Steuerung des Motors (Ein/Aus)
- Isolierung
- Schutz des Motors vor Kurzschluss (elektromagnetischer Auslöser) und Überlast
Das grundlegende Funktionsprinzip des Motorschutzschalters ähnelt dem eines thermisch-magnetischen Schutzschalters, jedoch mit zusätzlichen Eigenschaften und Varianten, die speziell für den Schutz von Elektromotoren ausgelegt sind.
Bild 1: Motorschutzschalter als Kurzschlusssicherung durch Bimetallauslösung für 3 Phasen. Diese Variante schützt den Motor vor thermischer Überlastung mit einem Bimetall und einer elektromagnetischen Kurzschlussauslösung. (https://www.xplore-dna.net*) *
Bild 2: Motorschutzschalter mit Kurzschlussauslösung, Bimetallauslösung und einer Unterspannungsschutzeinrichtung: Der Unterspannungsschutz sorgt dafür, dass die Versorgungsspannung allpolig abgeschaltet wird, wenn die Betriebsspannung unterschritten wird. (https://www.xplore-dna.net)
Der thermische Schutz wird zum Schutz des Elektromotors vor Überlastung eingesetzt. Der magnetische Schutz wird bei einem Kurzschluss, einem Leitungsfehler oder einem anderen elektrischen Hochstromfehler eingesetzt. Im Gegensatz zum thermischen Schutz ist der magnetische Schutz unverzögert; er schaltet die gefährlichen Fehlerströme sofort ab.
Ein Motorschutzschalter kann zudem einen Schutz gegen Phasenasymmetrie und Phasenausfall bieten. Motoren in Drehstromkreisen benötigen drei stromführende Leiter mit ausgeglichenen Spannungen, um effektiv arbeiten zu können. Eine Asymmetrie von mehr als 2% wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer des Motors aus. Wenn eine der Phasenspannungen plötzlich ausfällt, ist die Wirkung noch schädlicher, da der Motor mit nur zwei Phasen weiterläuft. Der Motorschutzschalter ist in der Lage, diese Bedingungen zu erkennen, indem er die Unterschiede zwischen den Phasenspannungen misst und den Motor sofort abschaltet, wenn sie auftreten.
Obwohl das Personal niemals an aktiven stromführenden Geräten arbeiten sollte, werden Fehler oft dadurch verursacht, dass jemand mit einem Werkzeug ein stromführendes, nicht abgedecktes Teil berührt, z.B. einen Schmelzsicherungsschalter, einen Anlasser oder eine Sammelschiene. Leistungsschalter sind in sich geschlossene, stromlose Geräte; sie schützen also vor stromführenden Teilen und erhöhen somit die Sicherheit des Personals. Solche Schutzschalter können auch aus der Ferne gesteuert werden.
Ein weiteres Sicherheitsrisiko sind Erdschlüsse. Obwohl diese unterhalb des Schmelzpunktes von Sicherungen liegen, können sie schwere elektrische Schäden verursachen. Hier sind Schutzschalter mit internem Erdschluss- und Fehlerstromschutz sehr nützlich. Der Schutzschalter wird bei einem Erdschluss entsprechend durch die vom Benutzer wählbaren Einstellungen aktiviert und isoliert somit den Fehler, bevor er sich im System ausbreitet.
Das Motorschutzrelais und seine Bestandteile
Ein Motorschutzrelais bzw. Überlastrelais bietet Motorsteuerung in einer Vielzahl von Umgebungen. Relais werden vorwiegend für die Nachahmung der Heizungsprototypen entwickelt und sind ausschlaggebend, um die Motoren überhaupt funktionsfähig zu halten.
Bild 3: Schaltkontakte des Motorschutzrelais (https://quizlet.com/de/karteikarten/motorschutzrelais-508531246)
Ein thermisches Überlastrelais ist eine Schutzvorrichtung, welche die Stromversorgung abschaltet, wenn der Motor über einen längeren Zeitraum zu viel Strom verbraucht. Obwohl es Ähnlichkeiten zwischen diesen Geräten gibt, unterscheiden sich diese in ihrer Anwendung. Ein Überlastschalter unterbricht den Stromkreis sofort, sobald eine Überlast auftritt, während ein thermisches Überlastrelais je nach Einstellung einige Zeit brauchen kann, bevor es die Stromversorgung unterbricht. Das Relais schaltet nämlich die Last nicht direkt ab, sondern veranlasst das Abfallen des Schützes mithilfe von drei Bimetallstreifen, die sich bei Erwärmung durch den Motorstrom so verbiegen, dass der Auslösemechanismus entriegelt wird. Der Auslösewert eines Bimetallrelais kann auf einer Stromskala eingestellt werden, um den Schutz an den jeweiligen Motor anzupassen. Insbesondere bieten thermische Überlastrelais einen idealen Schutz für Motoren im Dauerbetrieb, weniger jedoch bei häufigen Anläufen im Aussetzbetrieb. Dies liegt daran, dass die im Vergleich zum Motor deutlich geringere Heizzeitkonstante der Bimetallstreifen zu einer frühzeitigen Auslösung führt, ohne die thermische Kapazität des Motors auszunutzen.
Die Bimetallstreifen können entweder direkt oder indirekt über eine isolierte Heizspirale beheizt werden. Die Isolierung bewirkt eine gewisse Verzögerung des Wärmeflusses, sodass die Trägheit von indirekt beheizten Thermorelais bei höheren Strömen größer ist. Bei Motoren über 100 A wird der Strom über Stromwandler geleitet, sodass das thermische Überlastrelais durch den Sekundärstrom des Stromwandlers erwärmt wird. Dadurch wird die Verlustleistung reduziert und gleichzeitig die Kurzschlussfestigkeit erhöht.
Zur Einstellung des Auslösewertes eines thermischen Überlastrelais wird die Umgebungstemperatur des Motors mit der Umgebungstemperatur des Schutzgerätes verglichen und ggf. eine Temperaturkompensation vorgenommen, sodass der Auslösewert unabhängig von den Umgebungstemperaturen ist.