Antriebstechnik
Motorschutz im Kontext der ErP-Richtlinie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Feste oder veränderliche Drehzahl?
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten des Motorenbetriebes: Entweder es sind Geräte für Festdrehzahl- oder für drehzahlveränderbare Anwendungen installiert. Für erstere sind sogenannte Motorstarter die energieeffizienteste und auch wirtschaftlichste Lösung. Per Definition sind Motorschutzschalter Einrichtungen, um Elektromotoren ein- oder auszuschalten plus thermischer Schutz (IEC/EN 60947-4-1, Niederspannungsschaltgeräte; Teil 4-1: Schütze und Motorstarter – Elektromechanische Schütze und Motorstarter). In einfachster Form handelt es sich dabei um Schütz-/Motorschutzrelais-Kombinationen. Als Kurzschluss-Schutzeinrichtungen sind in den meisten Fällen Schmelzsicherungen installiert, zum Teil finden sich jedoch auch Motorschutzschalter ohne thermische Schutzeinrichtung. Die wohl am häufigsten anzufindende Motorstartervariante dürften Motorschutzschalter mit Überlast- und Kurzschlussschutz sowie – für betriebsmäßiges Schalten – Leistungsschütze und Leistungsschütz-Kombinationen sein.
Da die installierten Betriebsmittel bei Austausch eines Motors in der Regel bereits viele Jahre im Einsatz sind, muss auf jeden Fall überprüft werden, ob ein gegebenenfalls niedrigerer Bemessungsbetriebsstrom eines IE3-Motors am vorhandenen Motorschutzrelais noch einstellbar ist. Da es ansonsten kein Verschleißteil ist, muss es nicht vorsorglich ausgetauscht werden. Ansonsten haben Einschalt-Rush oder ein höherer Motoranlaufstrom keine Auswirkungen auf thermische oder elektronische Motorschutzrelais. Wenn durch den Motortausch elektrische Energie eingespart wird, lässt sich allerdings auch darüber nachdenken, das vorhandene thermische Motorschutzrelais gegen ein elektronisches zu tauschen. Elektronische Motorschutzrelais haben eine um etwa 90 % niedrigere Verlustleistung als thermische Motorschutzrelais auf Basis des Bimetall-Prinzips.
Energieeffizientere Elektromotoren mit höherem Einschalt-Rush haben beim Ein- und Umschalten erhebliche Auswirkungen auf Leistungsschütze. Das bedeutet, dass ohne geeignete Maßnahmen Schütze in ihrer elektrischen Lebensdauer eingeschränkt werden. In Extremfällen sind selbst Kontaktverschweißungen nicht auszuschließen. Im Ergebnis müssen Leistungsschütze überarbeitet werden, was bei bestehenden Gerätereihen durchaus eine Herausforderung darstellt.
Bei Neuentwicklungen fällt es vergleichsweise leicht, ambitioniertere technische Anforderungen zu erfüllen. Die Leistungsschütz-Baureihe CWB von WEG etwa ist bereits unter der Maßgabe entwickelt worden, den Anforderungen energieeffizienterer Elektromotoren gerecht zu werden. So sind während des Entwicklungsprozesses alle relevanten Konstruktionselemente, wie Kontaktmaterialien, bewegliche und feststehende Kontaktbrücken sowie alle beweglichen Kunststoffteile und Elemente des magnetischen Systems optimiert worden. Durch die Auswahl entsprechender Kontaktmaterialien und deren Zusammensetzung ist es beispielswiese gelungen, die höheren Anforderungen an Ein- und Ausschaltvermögen sowie Umschaltvermögen und Reversieren nicht zu beeinträchtigen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Kraftbilanz des Magnetsystems und den Kontaktdruck so zu gestalten, dass das Prellen der Kontakte, das wegen der höheren Anlaufströme stärker ausfällt, reduziert wird.
Die Optimierungen erfolgten letztlich derart, dass die gewünschten Verbesserungen ohne Beeinträchtigung relevanter technischer Daten etwa hinsichtlich der mechanischen oder elektrischen Lebensdauer der Schütze erreicht werden konnten.
Wegen der genannten Auswirkungen sollten installierte Schütze für den Direkt- und Wendestart also gegen als IE3-tauglich gekennzeichnete Geräte ausgetauscht werden. Da anzunehmen ist, dass das vorhandene Motorschutzrelais nicht an das neue Leistungsschütz angebaut werden kann, ist es ebenfalls auszuwechseln.
Eine weitere Frage in diese Kontext: Wie sollte mit einer Stern-Dreieck-Kombination verfahren werden? Bei Stern-Dreieck-Kombinationen sind die Verhältnisse vergleichsweise einfach, da der Anlaufstrom um den Faktor 1/√3 (~0,58) reduziert wird. In Fällen, wo die Installation viele Jahre besteht, sollte sie aus Gründen vorbeugender Instandhaltung jedoch vorsorglich ausgetauscht werden, weil die Schütze Verschleißteile sind und davon auszugehen ist, dass im Laufe der Jahre erhebliche Anteile der elektrischen Lebensdauer aufgebraucht sind.
Alternativ zu Stern-Dreieck-Kombinationen lässt sich über Softstarter nachdenken, um Stromspitzen im Netz zu vermeiden. Hier sind elektronische Motorschutzrelais standardmäßig integriert. Den Kurzschlussschutz in schmelzsicherungslosen Installationen übernehmen Leistungsschalter oder Motorschutz-Leistungsschalter. Softstarter sind nach IEC/EN 60947-4-2 (Niederspannungsschaltgeräte; Teil 4-2: Schütze und Motorstarter – Halbleiter-Motor-Steuergerät und -Starter für Wechselspannung) gebaut und geprüft. Gemäß dieser Betriebsmittelbestimmung ist der maximale Strom auf den achtfachen Wert des Bemessungsbetriebsstroms festgelegt. Zu prüfen ist, ob das Verhältnis von Anlauf- zu Bemessungsbetriebsstrom kleiner 8 ist. Ist das nicht der Fall, sollte man sich – bevor ein überdimensioniertes Gerät gewählt wird – mit dem jeweiligen Hersteller in Verbindung setzen.
Motorschutzschalter schließlich werden auch wegen der Kurzschlussausschaltvermögensprüfung entsprechend der Betriebsmittelbestimmung für Leistungsschalter (IEC/EN 60947-2, Niederspannungsschaltgeräte; Teil 2: Leistungsschalter) als Motorschutz-Leistungsschalter bezeichnet. Sie verfügen über Überlast- und Kurzschlussschutzeinrichtungen. Höhere Einschalt- und höhere Anlaufströme energieeffizienterer Elektromotoren können hier zu ungewollten Auslösungen des Kurzschlussauslösers und damit zu ungewollten Stillstandzeiten führen. Überlastauslöser sind von höheren Einschalt- und/oder höheren Anlaufströmen nicht betroffen. Es ist jedoch zu prüfen, ob ein niedrigerer Bemessungsbetriebsstrom eines IE3-Motors, wie im Falle des Motorschutzrelais, noch einstellbar ist. Da Motorschutzschalter in dem Sinne keine Verschleißteile sind, brauchen sie prophylaktisch nicht unbedingt ersetzt werden. Immerhin ist das Austauschen eines einzelnen Motorschutzschalters aus einem Kammschienenverbund – ohne größeren Eingriff in eine bestehende Installation – in vielen Fällen nicht ganz einfach. Bevor größerer Aufwand betrieben wird, sollte in erster Näherung der Ansprechwert eines vorhandenen Motorschutzschalters betrachtet werden.
Bei vielen Geräten findet sich an der Front oder auf dem Label des Gerätes der absolute Wert des Ansprechstroms des Kurzschlussauslösers. Dividiert man den Ansprechstrom durch den höchsten Einstellwert des Überlastauslösers, der gleichzeitig auch der maximale Dauerstrom Iu des Gerätes ist, erhält man den Ansprechfaktor. Bei älteren Installationen kann davon ausgegangen werden, dass es sich dabei um den Faktor 12 handelt – also 12 × Iu. Zur Beurteilung, ob auszutauschen ist oder nicht, sollte man sich das Verhältnis Anlaufstrom zu Bemessungsbetriebsstrom des IE3-Motors anschauen, welches sich auf dem Leistungsschild des Elektromotors findet und sich bei bisherigen Motoren in der Regel zwischen 6 und 8 bewegt. Im Fall des IE3-Motors sollte das Verhältnis folglich kleiner 9,6 sein, da die Betriebsmittelbestimmungen für Motorschutzschalter (IEC/EN 60947-4-1 ) Auslöse-Toleranzen von +20 % zulassen.
Abschließend lässt sich festhalten: Die Gesetzgebung zielt auf die Steigerung des Motorwirkungsgrades und damit auf die Einsparung elektrischer Energie ab. Bei Festdrehzahl-Anwendungen sind Motorstarter nicht nur die einfachste und wirtschaftlichste, sondern auch die effizienteste Lösung, um dieses Ziel zu erreichen. Bei Drehzahl-veränderbaren Anwendungen ist der gesamte Prozess zu betrachten. Hier ist die Effizienz von einer Systemlösung und weniger von einzelnen Komponenten abhängig. Um beim Austausch eines bestehenden Motors gegen einen IE3-Motor auf der sicheren Seite zu sein, empfiehlt es sich, aufgrund deren veränderter Einschalt-, Anlauf- und Betriebsdaten nur Niederspannungsschaltgeräte zu wählen, die vom Hersteller als IE3-tauglich gekennzeichnet sind.
Autor:
Jürgen Ehlert ist Berater Niederspannungsschaltgeräte bei WEG Germany.
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