Schutz von Elektromotoren - KRIWAN Industrie

Fachartikel Januar 2015
Autor: Dr. Christian Ellwein
Schutz von Elektromotoren
Elektromotoren werden als läuferkritisch bezeichnet, wenn der Läufer im blockierten
Zustand, schneller eine kritische Grenztemperatur als die Statorwicklung erreicht.
Erreicht die Statorwicklung schneller die kritische Temperatur, dann wird die Maschine
als statorkritisch bezeichnet.
Generell kann man sagen, dass Asynchronmaschinen großer Bauleistung läuferkritisch
sind, hingegen sind Kleinmaschinen eher statorkritisch.
Um Elektromotoren gegen Übertemperatur zu schützen, werden nach dem Stand der
Technik zwei verschiedene Methoden angewandt. Bei der direkten Methode wird die
Statortemperatur mittels Temperatursensoren, die in die Statorwicklung eingebaut sind,
gemessen. Diese Methode ist bei Asynchronmaschinen mit einer Bauleistung bis ca.
15 kW sinnvoll, da Kleinmaschinen statorkritisch sind [1].
Bei der sogenannten indirekten Temperaturüberwachung werden die Motorströme
messtechnisch erfasst. Wenn man davon ausgeht, dass die Erwärmung der Maschine
im Wesentlichen durch Stromwärmeverluste im Stator bzw. im Rotor verursacht wird,
dann kann man von der Stromaufnahme auf die Erwärmung der Wicklungen
rückschließen. Häufig werden zur Stromerfassung Bimetallelemente eingesetzt, die
vom Statorstrom durch oder umflossen werden.
Die Bimetalle lösen aus, wenn ein kritischer Überstrom für eine bestimmte Zeitdauer
anliegt. Hierdurch kann näherungsweise ein i2t-Schutz realisiert werden.
Bei läuferkritischen Motoren ist nach dem derzeitigen Stand der Technik, eine
Temperaturerfassung in der Statorerwicklung nicht ausreichend, da die
Läufertemperatur schneller als die Statortemperatur ansteigt.
Bei einer typischen Abschalttemperatur in der Ständerwicklung von 140°C und einem
blockierten Läufer eines auf Raumtemperatur abgekühlten Motors, dauert es über 30
Sekunden bis die Temperatursensoren in der Ständerwicklung die Abschalt-temperatur
erreichen, um den Motor abzuschalten. In dieser Zeit kann die Temperatur im Läufer
bereits 300°C und mehr erreicht haben. Bei dieser Temperatur befindet sich ein
Aluminiumdruckgussläufer bereits in einem sehr kritischen thermischen Zustand. Das
gilt insbesondere dann, wenn diese Temperatur auch noch auf die Statorwicklung
rückwirkt. Deshalb basiert das Motorschutzsystem eines läuferkritischen Motors
typischerweise nicht nur auf einem in der Ständerwicklung eingebauten
Temperatursensor. In diesen Fällen werden heute zusätzliche oder auch ausschließlich
strommessende Schutzgeräte eingesetzt [2, 3].
Die Strommessung als Motorschutz hat aber den großen Nachteil, dass die
Umgebungstemperatur, die Belüftung und Ausgangstemperatur des Motors zum
Zeitpunkt t0 (Motorstart) nicht oder nur schwierig einbezogen werden können. Ein
blockiertes oder gebrochenes Lüfterrad oder eine zu hohe Umgebungstemperatur
werden nicht überwacht. Auch bei Betriebsarten, die von S1 abweichen, gestaltet sich
die Modellierung der echten Motortemperatur als schwierig. Je nach dem, wie lange der
Motor vor dem aktuellen Einschalten in welchem Arbeitspunkt gelaufen ist, hat ein vom
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Stromsensor gemessener Strom unterschiedliche weitere Erwärmung der Maschine zur
Folge.
Zusammen mit der Hochschule in Aalen und dem Motorhersteller Dietz-motoren GmbH
& Co.KG in Dettingen unter Teck hat KRIWAN ein neues Schutzkonzept für
läuferkritische Motoren entwickelt. Die KRIWAN Industrie-Elektronik GmbH ist seit fast
fünf Jahrzehnten im Bereich „Schutz von Maschinen und Anlagen“ tätig. Das neue
Schutzkonzept basiert auf einem neuartigen Temperatursensor, der in die
Statorwicklung des Motors eingebettet wird und behält die Vorteile des TMSMotorschutzes:





Weitgehende Unabhängigkeit von der Leitungslänge des Sensors
Anreihbarkeit von Temperatursensoren
Betriebsarten > S1 werden automatisch korrekt geschützt
Ausgefallene Belüftung wird erkannt
Zu hohe Umgebungstemperatur wird erkannt
Gleichzeitig wurde das System aber so erweitert, dass auch der bisher thermisch nicht
überwachbare Fehler „blockierter Läufer“ mit dem System geschützt werden kann.
Dadurch kann das Gesamtschutzsystem für einen läuferkritischen Motor vereinfacht
werden.
Kern des neuen Systems ist einer Weiterentwicklung der bei KRIWAN schon etablierten
und weit verbreiteten dR/dt Technologie. Hierbei wird nicht nur der absolute
Widerstandswert eines Messfühlers in der Motorwicklung analysiert und beim Erreichen
der Nennansprechtemperatur der Motor vom Netz getrennt, sondern es wird auch die
Anstiegsgeschwindigkeit des Widerstandes und damit der Temperatur berechnet und
als Abschaltkriterium eingesetzt. Dieses Verfahren ist bei Kältemittelverdichtern seit
vielen Jahren etabliert und wird auch von Prüfstellen akzeptiert.
Mit dem gemessenen Widerstandswert des Temperatursensors in der Motorwicklung
wird also zum einen eine Überwachung des gemessenen Werts gegenüber dem
entsprechenden Wert einer Grenztemperatur durchgeführt:
Zum anderen werden auch die Anstiegsgeschwindigkeit und –beschleunigung
überwacht:
²
²
Nun wurde das Verfahren technisch erweitert, indem Auflösung und Dynamik in Softund Hardware verbessert wurden und ein neuartigen PTC Temperatursensor eingesetzt
wurde. Dieser neue Sensor hat im hohen Temperaturbereich eine steile
Anstiegscharakteristik, wie sie von den PTCs her bekannt ist. Die PTCs haben den
enormen Vorteil, dass sie als sicheres Bauteil auch in kritischen Applikationen wie dem
Explosionsschutz bewährt sind und dass bei ihrem Einsatz die Abschalttemperatur nicht
geändert werden kann. Der PTC Sensor wird in die Motorwicklung eingebettet und die
Grenztemperatur, bei der der Widerstandswert steil ansteigt, ist im PTC selber
festgelegt. Die Grenztemperatur kann also nicht durch Verstellen von Schaltern oder
Potentiometern geändert werden.
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Der neue
e Temperatu
ursensor ist eine
e
Reihensschaltung aus einem PTC
C und einem KTY
Sensor. Dadurch erg
gibt sich folge
ende Kennlin
nie:
k

PTC
C +Drilling
KTY
PTC
C+
ºC
Bild 1: K
Kennlinie de
es neuen PT
TC+ Sensors
s
In grau isst die klassissche Kennlin
nie des PTC zzu sehen, grrün ist die Ke
ennlinie des K
KTY
Sensors dargestellt. Die Reihens
schaltung auss beiden Messelementen
n, der PTC+
Sensor, ist in violett im
i Diagramm
m eingezeich
hnet.
Die statissche Überwa
achung der Motortemper
M
ratur erfolgt, wie bekannt, im steilen A
Anstieg
der Wide
erstandsfunkktion am rech
hten Rand. Ü
Über den gan
nzen Messbe
ereich hinwegg ist
der Wide
erstandswertt jetzt aber monoton
m
steig
gend und diffferenzierbar.. Deswegen
können a
auch bei nied
drigen Temp
peraturen (z.B
B. Raumtem
mperatur von 25°C), die
Ableitung
gen gebildett werden und
d die Anstieg sgeschwindiigkeit berech
hnet werden.
Dieser S
Sensor wurde
e in eine zwe
eipolige, läufe
erkritische 11kW
1
Maschine von Dietzzmotoren eingebaut und
u mit dem neuen Motorrschutzrelais
s überwacht. Über ein
Funkmod
dul der Hoch
hschule Aalen, das direktt an der Moto
orwelle befes
stigt wurde,
könnten bei dem lauffenden Moto
or Temperatu
urdaten des drehenden Rotors
R
gemeessen
werden.
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omotoren_DE.d
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Bild 2: Motor mit Funkmodul
In verschiedenen Messungen wurde der Läufer des Motors sowohl im kalten als auch
im betriebswaren Zustand blockiert und die Abschaltzeit ermittelt:
Messung Nr. 1 Blockiermessung kalt Rotor
Ring
Blech
Betriebsstab
120
Temperatur[°C]
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
t[s]
Bild 3: Temperaturverläufe des kalten Rotors im Blockierfall
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Messung Nr.1 Blockiermessung kalt Stator
PT100Stator
Kriwan
120,0
6
100,0
5
4
80,0
Spannung[V]
Temperatur[°C]
Raumtemperatur
3
60,0
2
40,0
1
20,0
0
0,0
-1
0
20
40
60
80
100
t[s]
Bild 4: Temperaturverlauf des Stators und Motorschutzrelais KRIWAN
Wie in Bild 4 ersichtlich, schaltet das Motorschutzrelais ca. 3 Sekunden nach dem Start
des blockierten Motors ab (der Motor wurde nicht bei t = 0s gestartet, sondern bei ca. t
= 10s)
Weiterhin wurde der Motor mit 150% der angegebenen Nennlast betrieben, um
festzustellen, ob das Motorschutzrelais in diesem Fall zu früh auslöst. Das Ziel war, ein
Schutzkonzept zu entwickeln, das schnell genug auf den blockierten Läufer reagiert,
das aber bei einer unkritischen Überlastung erst bei der statischen Grenztemperatur in
der Wicklung (in diesem Fall 140°C) auslöst:
Messung Nr.4 Motor bei 150 % Nennlast 54Nm Rotor
Ring
Blech
Betriebsstab
Anlaufstab
Temperatur[°C]
100
90
80
70
60
0
100
200
300
400
500
600
700
t[s]
Bild 5: Temperaturverläufe des Rotors bei 150% Nennlast
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Messung Nr.4 Motor bei 150% Nennlast 54Nm Stator
Stator
Kriwan
100,0
5
80,0
4
60,0
3
40,0
2
20,0
1
0,0
0
0
100
200
300
400
500
600
Spannung[V]
Temperatur[°C]
Raumtemperatur
700
t[s]
Bild 6: Temperaturverläufe des Stators bei 150% Nennlast und Motorschutzrelais
KRIWAN
Ergebnisse
Bei den zeitkritischen Belastungen des blockierten Läufers hat das Schutzgerät den
Motor nach 2 – 3 Sekunden vom Netz getrennt und eine gefährliche Überhitzung von
Läufer oder Stator sicher vermieden. Gleichzeitig war es träge genug, um bei einer
unkritischen Last von 150% der Nennlast nicht sofort abzuschalten. Die Parametrierung
des Gerätes erwies sich als sehr einfach, weil über die echte Temperaturmessung, wie
oben beschrieben, keine komplizierten Annahmen über Umgebungstemperatur,
Belüftung, Betriebsart, Laufzeiten etc. zu treffen waren.
[1] Pawlowski, Claudia: „Motorschutz im Überblick“, Seite 30, 1. Auflage, 2001, Moeller
GmbH
[2] Rockwell Automation AG, „Grundlagen für die Praxis Motorschutz, 1997, Seite 5.1
[3] Peter, Klaus; Seifert, Dieter: „Intelligenter thermischer Motorschutz,
Antriebstechnik 12/2009, Seiten 34 bis 39
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Über KRIWAN Industrie-Elektronik GmbH
Der Sensorikhersteller KRIWAN ist seit über 45 Jahren auf den Schutz industrieller
Maschinen und Anlagen vor Überlastung und Betriebsausfall spezialisiert. Heute ist
KRIWAN Weltmarktführer bei Elektronik und Sensorik für Kältemittelverdichter, bei
Temperatursensoren für Elektromotor-Wickelungsschutz und in der industriellen
Wettermesstechnik. Mit über 200 Mitarbeitern in Forchtenberg, sowie
Tochtergesellschaften in China, Frankreich, Italien, Österreich und in den USA ist
KRIWAN weltweit aktiv. Alle Produkte der Sensorik, Überwachungs-, Steuerungs- und
Diagnoseelektronik werden vollständig am Standort Forchtenberg produziert. Das
unabhängige Familienunternehmen KRIWAN entwickelt seit der Gründung 1968 als
Pionier und Innovationsführer kontinuierlich neue Ideen und setzt diese in
wirtschaftlichen und maßgeschneiderten Produkten und Systemen für seine Kunden
um. Seit 1997 betreibt KRIWAN in Forchtenberg ein Testzentrum, in dem Unternehmen
aus aller Welt ihre Produkte und Neuentwicklungen auf den Prüfstand stellen können.
Weitere Informationen:
KRIWAN Industrie-Elektronik GmbH
Sabine Stosch
Director Corporate Marketing
Allmand 11
74670 Forchtenberg
Telefon: +49 79 47 / 8 22-0
Telefax: +49 79 47 / 8 22 97 49
E-Mail: [email protected]
www.kriwan.de
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