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Elektrotechnik
Möglichkeiten und Grenzen des Motorschutzes mit Thermistoren
ep6/2001, 5 Seiten
1 Wirkungsweise des Thermistor-Motorschutzes Kaltleitertemperaturfühler oder Thermistoren sind temperaturabhängige Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), das heißt, sie vergrößern nach Bild bei einer bestimmten Nenn-Ansprech-Temperatur NAT (z. B. 130 °C bei Motoren mit Isolierstoffklasse B) plötzlich sehr stark ihren Widerstand. Gemäß Bild liegen die Temperaturfühler in Reihe mit der Relaisspule eines Auslösegeräts. Bei Erreichen der Ansprechtemperatur oder bei einer ungewollten Leitungsunterbrechung schaltet das Relais um und trennt den gefährdeten Motor vom Netz. Folgende Regeln sind beim Prüfen der Wirkungsweise von Thermistoren zu beachten: · Durchgang Maximal AC 2,5 V pro Fühler. Höhere Spannungen (z. B. Summer, Wechselstrom-Lampe) führen zur Zerstörung. · Isolation Prüfwechselspannung nach IEC 60 034-1 und VDE 0530-1 zwischen Fühlerkreis und der mit Masse verbundenen und an Erde gelegten Motorwicklung. Bei der Isolationsprüfung der Motorwicklung muss der Fühlerkreis geerdet sein, um Schäden durch kapazitive Aufladung zu vermeiden. · Widerstand bei Raumtemperatur Nach Norm sind Werte R 250 pro Fühler zulässig; erfahrungsgemäß liegt der Messwert für die Reihenschaltung von drei Fühlern bei 100 ... 600 . Maximale Messspannung AC 2,5 V pro Fühler. · Nenn-Ansprech-Temperatur NAT Abstufung und Farbkennzeichnung nach DIN 44 081 (Tafel ) · Tatsächliche Ansprechtemperatur Wenn die Widerstandsgrenzen nach Bild eingehalten werden und trotzdem Zweifel an der tatsächlichen Ansprechtemperaur bestehen, so empfiehlt sich eine Überprüfung nach folgendem Verfahren: Der Stator mit Wicklung wird im Trockenofen oder durch Anschluss an eine geeignete Heizspannung langsam aufgeheizt. In der Nähe der NAT sollte der Temperaturanstieg nicht mehr als 2 K/min betragen. Die tatsächliche Ansprechtemperatur sollte von der NAT nicht mehr als ±5 K abweichen. 2 Einbau der Temperaturfühler Die Funktion des TMS hängt entscheidend vom richtigen Einbau der Fühler ab. Sie sollten möglichst im Wicklungsabschnitt mit der höchsten Temperatur („hottest spot“) und mit gutem Wärmekontakt zur Wicklung angebracht werden. 2.1 Oberflächenbelüftete Maschinen (z. B. IC 411, IC 416) Der von den Rührflügeln am Rotor erzeugte primäre Kühlkreislauf (innere Luftbewegung um die Wickelköpfe) ist im Allgemeinen nicht sehr effektiv. Die Wärme fließt hauptsächlich über die Nuten zum Blechpaket und wird von dort zur meist verrippten Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 465 Möglichkeiten und Grenzen des Motorschutzes mit Thermistoren H. Greiner, Aichwald Die Einführung des „Thermischen Maschinenschutzes TMS“ mit Thermistoren in den 60er Jahren wurde von Herstellern und Anwendern sehr begrüßt - die anfängliche Bezeichnung „Motorvollschutz“ signalisierte die hohen Erwartungen. Ausfälle, die ein „Vollschutz“ eigentlich hätte vermeiden müssen, zeigten dann die Grenzen dieses Überlastungsschutzes. Im Beitrag wird gezeigt, wo die Möglichkeiten und Grenzen des TMS liegen und wie in Kombination mit dem altbewährten „Motorschutzschalter“ doch ein „Vollschutz“ erreichbar ist. 4000 1330 550 250 -20 +15 NAT Obering. Helmut Greiner war Mitglied verschiedener DKE- und IEC-Komitees. Autor Signal Thermistor L1(R) (Mp) Schaltbild für Thermischen Motorschutz (TMS) mit Kaltleiter-Temperaturfühlern Zulässiger Toleranzbereich für die Kennlinie eines Thermistors nach DIN 44081, Tabelle 1 NAT Nenn-Ansprech-Temperatur Tafel Nenn-Ansprech-Temperatur (NAT) - Abstufung und Farbkennzeichnung nach DIN 44 081 NAT Farbcode NAT Farbcode (°C) (°C) 60 weiß/grau 140 weiß/blau 70 weiß/braun 145 weiß/schwarz 80 weiß/weiß 150 schwarz/schwarz 90 grün/grün 155 blau/schwarz 100 rot/rot 160 blau/rot 110 braun/braun 170 weiß/grün 120 grau/grau 180 weiß/rot 130 blau/blau Gehäuse-Oberfläche geleitet. Der „hottest spot“ ist bei dieser Maschinenart im Wickelkopf auf der dem Außenlüfter abgewandten Seite - in der Regel also auf der A-Seite (Bild ). 2.2 Durchzugbelüftete Maschinen (z. B. IC 01, IC 06) Die Wickelköpfe werden intensiv vom Kühluftstrom umspült. Die Wärme fließt hauptsächlich aus der Nut zum Wickelkopf. Der „hottest spot“ ist bei dieser Maschinenart etwa in Nutmitte (Bild ). Wenn die Nutfüllung eine Anordnung der Fühler in der Nut nicht erlaubt, ist der Wickelkopf auf der Luftaustrittseite zu wählen und der Fühler so anzubringen, dass er nicht direkt vom Luftstrom getroffen wird. 2.3 Einbettung in den Wickelkopf Die Temperaturfühler sind bei der Herstellung der Wicklung im Wickelkopf parallel zu den Wickeldrähten einzubetten. Nach den Angaben eines Fühlerherstellers [4] sollten die Anschlusslitzen auf einer Länge von 30 ... 40 mm mit eingebettet werden. Übermäßige mechanische Beanspruchung der Fühler beim Formen des Wickelkopfes ist zu vermeiden (Bild ). 2.4 Nachträgliche Anbringung am Wickelkopf Wegen der unzureichenden Wärmeübertragung sollte diese Anbauart möglichst auf Sonderfälle beschränkt werden. In einem grundsätzlichen Versuch wurden die Übertemperaturen bei verschiedenen Anbauarten im Vergleich zur üblichen Einbettung der Thermistoren ermittelt: Anbauart Erhöhung der Ansprechtemperatur mit Wärmeleitpaste 30 K ohne wärmeleitende Hilfsmittel direkt anbandagiert 50 K mit ungeeigneter, plastischer Masse anbandagiert 80 K Wenn es in Sonderfällen unumgänglich ist, die Thermistoren nachträglich am Wickelkopf anzubandagieren, so wird empfohlen: · Verwendung von Wärmeleitpaste zur Verbesserung der Wärmeübertragung. · Herabsetzung der NAT um 10 ... 20 K gegenüber den bei Einbettung üblichen Werten (vgl. Abschnitt 4). 3 Temperaturverlauf in Wicklung und Fühler Die elektrische Isolierung zwischen Fühler und Wicklung verzögert den Wärmeübergang vom Kupferdraht zum Thermistor. Je nach Betriebs- und Überlastungsart ergibt sich eine mehr oder weniger große Temperaturdifferenz. 3.1 Langsamer Temperaturanstieg (z. B. Betriebsart S1) Bei Dauerbetrieb S1 wird die Beharrungstemperaturjenach Größeund Belüftungdes Motors erst nach 2 ... 8 h erreicht. Die Temperaturdifferenz zwischen Wicklung und Thermistor ist vernachlässigbar (Bild ). Bei starker Überlastung (z. B. 1,5 ... 2-fache Bemessungsstrom) wird der „Temperaturüberlauf“ der Wicklung zwar etwas höher, bleibt aber im Rahmen der thermischen Überlastbarkeit einer guten Isolation, sofern die Überlastung nicht zu häufig auftritt. Überlast bei laufendem Motor wird vom TMS erfasst. 3.2 Rascher Temperaturanstieg Drehstromasynchronmotoren nehmen bei festgebremstem Läufer (also im „Kurzschluss“) den Anzugsstrom auf, der je nach Größe, Polzahl und Auslegung des Motors etwa 400 ... 800 % des Bemessungsstroms beträgt. Die Erwärmung im Kupfer - quadratisch abhängig vom Strom - steigt sehr rasch an; ihr Verlauf kann während der ersten Sekunden gemäß Bild linear angenommen werden. Die Temperatur am Thermistor folgt nach einer „Ankoppelungszeit TK“, die vom Wärmeübertragungswiderstand - also z. B. von der Dicke der Isolation - abhängig ist. Es sind Werte von 3 ... 6 (8) Sekunden üblich. Die Wicklungstemperatur beim Ansprechen des TMS wird also immer höher sein als die NAT. Dieser „Temperaturüberlauf“ ist abhängig von der · Ankoppelungszeit TK · Anstiegsgeschwindigkeit v = /TK . 3.2.1 Einfluss der Ankoppelungszeit TK Bei einer Kurzschluss-Stromdichte von iA = 30 A/mm2 ist eine Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit v = 5 K/s zu erwarten. Beträgt bei ungünstiger Annahme die Ankoppelungszeit TK = 8 s, so ist der Temperaturüberlauf = TK·v = 8 s·5 K/s = 40 K. Wird die Isolation des Fühlers so „verbessert“, dass die Ankoppelungszeit auf den doppelten Wert ansteigt, also TK = 16 s, so wird der Temperaturüberlauf 80 K. Die Abschaltung erfolgt also erst bei einer Temperatur, die um 80 K über der Nenn-Ansprech-Temperatur (NAT) des Fühlers liegt (Bild ). Die Ankoppelungszeit sollte möglichst niedrig gehalten werden, indem für die Isolierung des Fühlers möglichst dünne Folien oder Schrumpfschläuche verwendet werden. 3.2.2 Einfluss der Stromdichte iA Die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur hängt direkt von der Kurzschluss-Stromdichte iA ab (siehe ). Bei einer üblichen Ankoppelungszeit von TK = 8 s (Bild ) ergibt sich bei · üblichen Stromdichten von etwa 30 A/mm2 ein Temperaturüberlauf von etwa 40 K · extremer Stromdichte,z.B.etwa60A/mm2 ein Temperaturüberlauf von etwa 120 K. Stromdichten über etwa 40 A/mm2 führen zu einem Temperaturüberlauf > 50 K. Höhere Werte stellen eine Gefährdung für die Wicklungsisolation dar. Thermistoren können in diesen Fällen keinen „Alleinschutz“ oder „Vollschutz“ übernehmen. Es empfiehlt sich die Kombination mit einem stromabhängigen Bimetallauslöser Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 466 H W 40 mm 140 100 0 h 1 2 3 4 5 TMS NAT LIM Wärmefluss (W), Kühlluftstrom (K) und „hottest spot“ (H) bei oberflächenbelüfteten Maschinen (z. B. IC 411, IC 416) Wärmefluss (W), Kühlluftstrom (K) und „hottest spot“ (H) bei durchzugbelüfteten Maschinen (z. B. IC 01, IC 06) Arbeitsschritte beim Einbau der Thermistoren in den Wickelkopf nach Herstellerangabe [4] a) Spreizen des Wickelkopfs; b) Einlegen des Thermistors; c) Bandagieren des Wickelkopfs a) b) c) Temperaturverlauf () in Kupfer (Cu) und Thermistor (TMS) im Vergleich zur Grenztemperatur (LIM) und Nenn-Ansprech-Temperatur (NAT) Dauerbetrieb S1 - Zündschutzart EEx e II T3 - Wärmeklasse B - Umgebungstemperatur (U) 40 °C (Motorschutzschalter). Dieser ist so einzustellen, dass er bei festgebremstem Läufer (also beim Strom IA) spätestens nach etwa 15 s auslöst. 4 Wahl der Nenn-Ansprech-Temperatur NAT Für die Zuordnung der NAT zu einer Isolierstoffklasse lässt sich keine allgemein gültige Regel angeben, da Temperaturbild, Wärmeübergang und Einbauort bei den verschiedenen Maschinenarten zu unterschiedlich sind. In IEC 60 034-11 wurde deshalb nach gründlicher Diskussion lediglich festgelegt, welche Grenztemperatur die Wicklung nach dem Ansprechen des TMS erreichen darf. Die Werte der „Categorie 1“ schließen eine höhere Sicherheit ein als bei „Categorie 2“, die deshalb nur mit Vorsicht und bei Kenntnis aller Betriebsbedingungen anzuwenden sind (vgl. Tafel ). Die Richtwerte für NAT in der Tafel entsprechen einem Mittelwert aus verschiedenen Herstellerangaben und haben sich in der Praxis für oberflächengekühlte Motoren bewährt. 5 Überlastungsarten und ihre Schutzmöglichkeiten In Tafel sind häufig vorkommende Überlastungsarten und die Schutzmöglichkeiten verschiedener Einrichtungen zusammengestellt. In den Vergleich wurden Schmelzsicherungen einbezogen um deutlich zu machen, dass sie lediglich eine Schutzfunktion für die Leitung, nicht jedoch für den Motor haben. Literatur [1] DIN 44080 Kaltleiter; Technische Werte und Prüfbestimmungen. [2] DIN 44081 Kaltleiter; Thermischer Maschinenschutz. [3] IEC 60034-11 Builtin thermal protection Chapter 1: Rules for protecting of rotating electrical machines Chapter 2: Thermal detectors and control units used in thermal protection systems Chapter 3: General rules for thermal protectors used in thermal protection systems. [4] Motorschutz INT 69. Technische Information der Fa. Kriwan. [5] Hild, K.: Thermistor-Maschinenschutzgerät EMT. Technische Information der Fa. Klöckner-Moeller. [6] Greiner, H.: Überlastungsschutz bei Getriebe-Motoren. Sonderdruck SD 1589 der Fa. Eberhard Bauer. [7] Dreier, H.; Stadler, H.; Engel, U.; Wickboldt, H.: Explosionsgeschützte Maschinen der Schutzart „Erhöhte Sicherheit“ (Ex)e. Band 3 der PTB-Prüfregeln. Braunschweig: Deutscher Eichverlag Gmb H, 1969; Nachdruck 1978, zu beziehen durch das Referat „Schrifttum“ der PTB, Braunschweig. [8] Falk, K.: Der Drehstrommotor - Ein Lexikon für die Praxis. Berlin/Offenburg: vde-verlag Gmb H, 1997. Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 468 250 150 100 0 5 10 15 20 25 30 40 TMS NAT LIMIT EX T3 LIMIT ISO B 250 150 100 0 5 10 15 20 25 30 40 TK = 8 s TMS NAT LIMIT EX T3 LIMIT ISO B 5 10 15 20 25 30 40 TMS NAT LIMIT EX T3 LIMIT ISO B TK = 16 s 250 150 100 Temperaturverlauf im Wickeldraht (Cu) und im Thermistor (TMS) bei hoher Überlastung - z. B. bei festgebremstem Läufer (n rotor = 0) U Umgebungstemperatur; Temperatur; NAT Nenn-Ansprech-Temperatur des TMS; TK Ankoppelungszeit; Temperaturüberlauf; LIMIT ISO B Grenze bei Wärmeklasse B; LIMIT EX T3 Grenze bei Temperaturklasse T3 K/s 0 20 40 60 80 A/mm2 ADIA EMP Richtwerte für die Anstiegsgeschwindigkeit (v) der Wicklungstemperatur in Abhängigkeit von der Kurzschluss-Stromdichte (iA) ADIA theoretisch aus adiabatischer Erwärmung [8] EMP empirisch als Mittelwert aus vielen Messungen (Quelle: Danfoss Bauer Gmb H) Temperaturüberlauf () in der Wicklung (Cu) eines hoch ausgenützten Drehstrommotors bei üblicher (TK = 8 s) und verschlechterter Ankoppelungszeit (TK = 16 s) gegenüber der Nenn-Ansprech-Temperatur (NAT) des Thermistors (TMS); Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (v) in beiden Fällen etwa 5 K/s TK = 8 s 250 150 100 0 5 10 15 20 25 30 40 TMS NAT LIMIT EX T3 LIMIT ISO B 5 10 15 20 25 30 40 250 150 100 TK = 8 s TMS NAT 120 v = 15 K/s v = 5 K/s = 40 K Temperaturüberlauf () in der Wicklung (Cu) eines Drehstrommotors bei üblicher (v = 5 K/s) und extremer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (v = 15 K/s) gegenüber der Nenn-Ansprech-Temperatur (NAT) des Thermistors (TMS); Ankoppelungszeit (TK) in beiden Fällen etwa 8 s Tafel Richtwerte für die Zuordnung der NAT zur Isolierstoffklasse und Grenztemperatur nach dem Ansprechen gemäß IEC 60 034-11. Tafel Richtwerte für die Wahl der NAT für oberflächenbelüftete (IC4X) und durchzugbelüftete (IC0X) Maschinen der Wärmeklassen B, F und H Isolierstoffklasse B F H Grenztemperatur nach dem Ansprechen bei Categorie 1 (°C) 145 170 195 Categorie 2 (°C) 165 190 215 Kühlart NAT (°C) bei Wärmeklasse B F H IC 4X (ober- Warnen 120 140 160 flächen- Abschalten 140 160 180 belüftet) IC 0X (durch- Warnen 110 130 150 zugbelüftet) Abschalten 130 150 170 Antriebstechnik Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 6 469 Schutzelement A B C D E Überlastungsart 1 Überstrom I 2·IN 2 Schaltbetrieb Z 30 c/h 3 Schaltbetrieb Z > 30 c/h 4 Schwerstanlauf ta > 6 s 5 Blockierung bei iA 40 A/mm2 6 Blockierung bei iA > 40 A/mm2 7 Zweileiterbetrieb 8 Spannungsabweichung U > ± 10 % 9 Frequenzabweichung f > ± 5 % 10 Umgebungstemperatur U > 50 °C 11 Behinderung der Kühlung 12 Umrichterbetrieb in unzulässigen Frequenzbereichen Erläuterung der Schutzmöglichkeit: Kein Schutz Bedingter Schutz Voller Schutz Kennziffer Abk. Erklärung 1 I Tatsächlicher Strom bei Überlastung IN Bemessungsstrom des Motors 2 Z Zahl der Einschaltungen pro Stunde; bis zu 30 c/h ist im Allgemeinen keine Frühauslösung zu erwarten 3 Z Zahl der Einschaltungen pro Stunde; bei mehr als 30 c/h ist eine Frühauslösung des Bimetallrelais nicht auszuschließen 4 ta Hochlaufzeit; falls länger als 6 s ist Frühauslösung des Bimetallrelais zu erwarten - evt. Sättigungswandler verwenden 5, 6 iA Stromdichte bei dem Anzugsstrom IA 7 - Wicklungen in -Schaltung sind besonders gefährdet, falls keine Relais mit Phasenausfallempfindlichkeit eingesetzt werden 8 U Spannungsabweichung als Netzschwankung; s. a. DIN VDE 0530-1, 12.3 9 f Frequenzabweichung als Netzschwankung; s. a. DIN VDE 0530-1, 12.3 10 U Umgebungstemperatur 11 - z. B. durch Verschmutzung der Kühlluftwege 12 - z. B. Dauerbetrieb bei niedrigen Frequenzen Kennbuch- Symbol Erklärung stabe A Träge Schmelzsicherung Nennwert (1,6 ... 2,5)·IN B Stromabhängig verzögerter thermischer Überstromauslöser (Bimetallrelais = Motorschutzschalter) Einstellwert IE = IN C Stromabhängig verzögerter thermischer Überstromauslöser (Bimetallrelais = Motorschutzschalter) mit Phasenausfallempfindlichkeit Einstellwert IE = IN D Thermischer Motorschutz TMS (Thermistor-Auslösegerät) Ankoppelungszeit TK < 6 s E Stromabhängig verzögerter thermischer Überstromauslöser (Bimetallrelais = Motorschutzschalter) mit Phasenausfallempfindlichkeit Trägheitsgrad TI Einstellwert IE: 1,5 IN < IE < 0,3 IA möglichst niedrig, max. 0,3 IA + kombiniert mit Thermischer Motorschutz TMS (Thermistor-Auslösegerät) Ankoppelungszeit TK < 6 s Tafel Überlastungsarten und ihre Schutzmöglichkeiten 2ph 2ph 2ph 2ph Erläuterungen zu den Schutzelementen Erläuterungen zu den Überlastungsarten
Autor
- H. Greiner
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