Intelligente Motorsteuerungen zur Maximierung der Ausfallsicherheit und Betriebszeit

Es werden intelligente Motorsteuerungen benötigt, die die Ausfallsicherheit und Betriebszeit von Maschinen in der nächsten Generation der Industrie 4.0, der Metall- und Grundstoffverarbeitung, der Mineralgewinnung und des Bergbaus sowie kritischer Infrastrukturen wie Trinkwasser- und Abwasseranlagen maximieren können.

Die Motorsteuerungen in diesen Anwendungen müssen in der Lage sein, Motoren mit einer Leistung von 75 PS bis 700 PS zu steuern und zu schützen. Ein umfassender Schutz, einschließlich Überlastschutz, Erdschlussschutz und Schutz vor Phasenverschiebungen, ist erforderlich, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Sie sollten auch eine Selbstdiagnose für Kontaktverschleiß und die Erkennung von Über- und Unterspannung der Spule mit sichtbaren Indikatoren umfassen, um eine vorausschauende Wartung zu unterstützen, und über ein modulares Design für eine schnellere Wartung verfügen, um die Betriebszeit zu maximieren. Die Einhaltung der Normen des National Electrical Code (NEC), der UL und der International Electrotechnical Commission (IEC) für Kurzschlussstromstärken (SCCR) ist erforderlich, um sicherzustellen, dass elektrische Geräte hohen Strömen ohne Schaden standhalten können und sicher sind.

Diese Motorsteuerungen müssen auch der Norm IEC 60947-4-1 entsprechen, die die Sicherheit von elektromechanischen Schützen und Startern, einschließlich Motorschutzschaltern (MPSD), unverzögerten Motorschutzschaltern (IMPSD) und Betätigungselementen von Schützrelais regelt.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die SCCR-Anforderungen. Anschließend wird eine kürzlich entwickelte Familie intelligenter Motorsteuerungen von Schneider Electric vorgestellt, zu der modulare Schütze und Überlastrelais gehören, und die Funktionsweise der Schutzfunktionen sowie die Implementierung der Selbstdiagnose erläutert.

Er zeigt auf, wie diese Überlastrelais die Anforderungen der IEC 60947-4-1 erfüllen und wie der modulare Aufbau die vorbeugende Wartung beschleunigt. Abschließend wird gezeigt, wie zwei Schütze zu einer Wendeschaltung zusammengesetzt werden können, die eine bidirektionale Steuerung von Wechselstrommotoren ermöglicht.

Der SCCR-Wert ist ein wesentliches Merkmal bei der Spezifikation eines Schaltschranks, das zur Gesamtzuverlässigkeit beiträgt. Er wird bei der Dimensionierung von Leistungskomponenten wie Schützen und Leitern verwendet. Die IEC 60947-4-1 beschreibt drei Phasen zur Berechnung des SCCR (Abbildung 1):

1. Ermitteln Sie den SCCR jedes Schutz- und/oder Steuerelements sowie jedes Blocks und Elements im Verteilernetz.
2. Bestimmen Sie den SCCR-Wert für jeden Zweigstromkreis. Basierend auf den Werten der Komponenten in der Schaltung.
3. Ermitteln Sie den SCCR-Wert der gesamten Schalttafel. Basierend auf den Werten der Schaltkreise.

Abbildung 1: SCCR-Berechnungen beginnen mit den Nennwerten der einzelnen Komponenten (gelbe Kästchen), gehen weiter zur Bestimmung des SCCR von Abzweigstromkreisen (rot gestricheltes Kästchen) und berücksichtigen dann die SCCR-Anforderungen des gesamten Schaltschranks (graues Rechteck). (Bildquelle: Schneider Electric)

Schütze TeSys Giga

Die Schütze TeSys Giga sind mit Nennwerten von 115 bis 900 Ampere (A) sowohl in 3-poliger (3P) als auch in 4-poliger (4P) Ausführung erhältlich. Sie haben einen SCCR von bis zu 100 Kiloampere (kA) und 480 Volt (V), wobei die Angaben zu den verschiedenen Schutzvorrichtungen und Nennwerten in einer Tabelle an der Seite des Schützes aufgeführt sind. Zusätzlich zeigen die 4P-Schütze die AC-3- und HP-Motorleistung an. Diese Schütze sind für zwei Lastkategorien erhältlich:

• AC-1 - Dies gilt für Wechselstromlasten mit einem Leistungsfaktor von mehr als 0,95. Dabei handelt es sich in erster Linie um nicht-induktive oder leicht induktive Lasten, wie z. B. ohmsche Lasten. Das Unterbrechen der Verbindung führt zu minimaler Lichtbogenbildung und Kontaktverschleiß.
• AC-3 - Dies gilt für Käfigläufermotoren mit Unterbrechungen während des normalen Betriebs des Motors. Beim Schließen tritt ein Einschaltstrom auf, der bis zum Siebenfachen des Volllaststroms des Motors beträgt. Beim Öffnen unterbricht das Schütz den Nennvolllaststrom des Motors.

Die TeSys-Giga-Schütze können mit einer Wechselstrom- (AC) oder Gleichstrom-Steuerspannung (DC) versorgt werden und verfügen über eingebaute Überspannungsschutzvorrichtungen. Es gibt zwei Versionen von Schützen, Standard und Erweitert. Standardschütze sind für den allgemeinen Gebrauch bestimmt. Beispiele sind:

• LC1G1154LSEN, 4P für AC-1-Lasten. Ausgelegt für 250 A mit einer AC/DC-Breitbandspule für 200 bis 500 V
• LC1G225KUEN, 3P für AC-3-Lasten. Ausgelegt für 225 A mit einer AC/DC-Spule für 100 bis 250 V

Die modernen TeSys-Giga-Schütze verfügen über zusätzliche Merkmale wie eine größere Auswahl an Spulenspannungen, eine geringere Leistungsaufnahme der Spulen, einen Eingang für eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ein Kabeldesign, das eine Wartung ohne Entfernen von Kabeln oder Sammelschienenverbindungen ermöglicht.

Erweiterte Modelle sind auch mit dem optionalen RWD-Modul (Remote Wear Diagnosis) kompatibel, das im nächsten Abschnitt beschrieben wird. Beispiele für erweiterte Schütze sind:

• LC1G115BEEA, 3P für AC-3-Lasten. Ausgelegt für 115 A mit einer AC/DC-Spule für 24 bis 48 V
• LC1G800EHEA, 3P für AC-3-Lasten. Ausgelegt für 800 A mit einer AC/DC-Spule für 48 bis 130 V

Alle TeSys-Giga-Schütze verfügen über eine Diagnose-LED auf der Vorderseite, um Fehlerzustände schnell zu erkennen (Abbildung 4).

Abbildung 2: Typisches TeSys-Giga-Schütz mit der Diagnose-LED in der oberen Mitte des Geräts. (Bildquelle: DigiKey)

Die TeSys-Giga-Schütze verfügen über mehrere integrierte Diagnosefunktionen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und zur Unterstützung der vorbeugenden Wartung, darunter:

Kontaktverschleißdiagnose und RWD

Die Kontakte verschleißen jedes Mal ein wenig, wenn sie den Strom im Stromkreis unterbrechen. Ein Kontaktfehler führt zum Verlust der Motorsteuerung. Der Kontaktverschleißalgorithmus in den TeSys-Giga-Steuerungen errechnet kontinuierlich die Restlebensdauer der Kontakte. Wenn die verbleibende Lebensdauer unter 15 % liegt, wird eine Warnung ausgegeben, so dass eine vorbeugende Wartung geplant werden kann:

• Ein lokaler Alarm ist an der Diagnose-LED an der Vorderseite des Schützes sichtbar.
• Ein optionales RWD-Modul kann mit modernen Schützen verwendet werden.

Diagnose der Steuerspannung

Die Steuerspannung wird auf Unter- und Überspannung überwacht. Die Diagnoseanzeige ist bei Geräten mit Artikelnummern, die auf LSEMC enden, über ein optionales RDM-Modul (Remote Device Management) aus der Ferne verfügbar. Als Unterspannung gilt eine Versorgungsspannung von weniger als 80 % der Mindestspezifikation, als Überspannung eine Spannung von mehr als 110 % des Maximums.

Interne Funktionsdiagnose

Kontinuierliches Blinken der Diagnose-LED zeigt eine interne Fehlfunktion des Steuerkreises an.

Motorschützende Schaltgeräte

Intelligente Motorsteuerungen wie TeSys-Giga-Schütze sind ein wichtiger Bestandteil von Industrie-4.0-Installationen. Der Einsatz von MPSDs ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, um maximale Produktivität und Verfügbarkeit zu gewährleisten.

In der IEC 60947-4-1 bezieht sich der Begriff MPSD auf eine Vorrichtung, die mit einer Verzögerung zum Schutz eines Motors vor Überlastbedingungen ausgelegt ist. Ein zweiter Gerätetyp, ein IMPSD, ist ein spezieller Typ eines MPSD, der bei Erkennung einer Überlast sofort auslöst. IMPSDs werden normalerweise nicht mit dem Schutz von Wechselstrommotoren in Verbindung gebracht.

Je nach Anwendung kann das Anlassen des Motors einige Sekunden oder mehrere Dutzend Sekunden dauern. Der MPSD muss so spezifiziert werden, dass er die Sicherheitsanforderungen der Anwendung erfüllt und gleichzeitig störende Auslösungen vermeidet.

Um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen, definiert die IEC 60947-4-1 mehrere Klassen von Überlastrelais. Die Auslöseklasse gibt an, wie lange es maximal dauert, bis das Relais bei Überlast öffnet.

Außerdem gibt es Unterschiede zwischen den nordamerikanischen und den IEC-Auslöseklassen. Klasse 10 ist zum Beispiel eine nordamerikanische Auslöseklasse, die bei Überlast innerhalb von 4 bis 10 Sekunden nach Erkennen von 600 % des eingestellten Überlaststroms auslöst. Klasse 10A ist eine IEC-Auslöseklasse, die bei Überlast innerhalb von 2 bis 10 Sekunden nach Erkennen von 720 % des eingestellten Überlaststroms auslöst (Tabelle 1).

Tabelle 1: Beispiele für thermische Überlastrelaisklassen auf der Grundlage des Nennstroms (Ir). (Quelle der Tabelle: Schneider Electric)

Die Auslöseklassen 10A und 10 sind für normal belastete Motoren geeignet. Klasse 20 wird für Hochleistungsmotoren empfohlen, um unerwünschte Auslösungen zu vermeiden. Klasse 30 wird bei Motoren mit sehr langer Anlassdauer verwendet.

Überlastrelais TeSys Giga

Die thermischen Überlastrelais TeSys Giga sind sehr flexibel und für den Einsatz mit Wechselstrommotoren konzipiert. Die Einstellungen für den Erdschlussschutz, den Schutz gegen Phasenverschiebung und die Auslöseklasse (5, 10, 20 und 30) sind über das Frontpanel konfigurierbar. Auf der Vorderseite befinden sich außerdem Alarm- und Status-LEDs. Sie verfügen über einen weiten einstellbaren thermischen Überlastschutzbereich, der vier sich überschneidende Modelle für Anwendungen von 28 A bis 630 A ermöglicht (Abbildung 3):

LR9G115, einstellbar von 28 bis 115 A

LR9G225, einstellbar von 57 bis 225 A

LR9G500, einstellbar von 125 bis 500 A

LR9G630, einstellbar von 160 bis 630 A

Abbildung 3: Das Frontpanel der TeSys-Giga-Überlastrelais enthält Status-LEDs und Schutzeinstellungen. (Bildquelle: DigiKey)

Thermische Überlastungen

Der thermische Überlastschutz wird bei einphasigen und dreiphasigen Asynchronmotoren eingesetzt. Die Stromstärke für den thermischen Überlastschutz kann je nach Modell des verwendeten Überlastrelais eingestellt werden. Darüber hinaus sind die Auslöseklasse und die damit verbundene Verzögerung einstellbar. Der thermische Überlastungsschutz kann auf automatische oder manuelle Rückstellung eingestellt werden.

Phasenverlust

Der Phasenausfallschutz wird eingesetzt, um Drehstrom-Asynchronmotoren vor Überhitzung zu schützen. Das Überlastrelais überwacht kontinuierlich den Strom in jeder Phase. Wenn die Stromstärke in einer der Phasen kleiner als 0,1 des Nennstroms (Ir) ist und der Stromwert in einer anderen Phase größer als 0,8 Ir ist, löst das Überlastrelais innerhalb von 4 ±1 Sekunden aus. Der Phasenausfallschutz kann nicht deaktiviert werden und muss manuell zurückgesetzt werden.

Phasenungleichgewichte

Phasenungleichgewichte führen zur Überhitzung eines Asynchronmotors. Häufige Ursachen sind:

• Lange Hauptversorgungsleitung
• Defekter Kontakt am Einspeiseschalter
• Unausgewogenes Netz

Wenn das Ungleichgewichtsverhältnis 40 % überschreitet, löst das Überlastrelais in 5 ±1 Sekunden aus. Der Schutz gegen Phasenungleichgewicht muss manuell zurückgesetzt werden.

Erdschlüsse

Der Erdschlussschutz wird zum Schutz von Drehstrom-Asynchronmotoren eingesetzt. Ein Erdschluss tritt auf, wenn die Isolierung des Lastkreises aufgrund von Vibrationen, Feuchtigkeit oder anderen Faktoren unwirksam wird. Das Überlastrelais überwacht den Erdstrom (Ig). Wenn der Ig den Ir um mehr als 10 % überschreitet, löst das Relais in 1 ±0,2 Sekunden aus. Der Erdschlussschutz muss manuell zurückgesetzt werden.

Modularität

Der modulare Aufbau der TeSys-Giga-Schütze kann besonders nützlich sein, wenn ein übermäßiger Kontaktverschleiß auftritt oder wenn eine Überlast oder andere abnormale Betriebsbedingungen die Steuerung beschädigen. Die Steuermodule können auch ausgetauscht werden, um sie an unterschiedliche Spulenspannungen anzupassen, und das Schaltmodul kann ausgetauscht werden, um verschlissene Pole zu ersetzen.

Mit einem optionalen Kit kann eine Kabelspeicherfunktion implementiert werden, um eine schnelle Wartung zu ermöglichen. Einmal installiert, kann das Steuer- oder Schaltmodul schnell ausgetauscht werden, ohne die Kabel zu entfernen.

Richtungswechsel

Wendeschütze werden zur Umkehrung der Drehrichtung von Wechselstrommotoren in Anwendungen wie Förderanlagen, Aufzügen und Verpackungslinien eingesetzt. Sie funktionieren, indem sie die Polarität der Anschlüsse umkehren, so dass sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung dreht.

Ein Wendeschütz kann mit zwei mechanisch verzahnten Standardschützen realisiert werden. Die Verzahnung verhindert, dass die Schütze gleichzeitig eingeschaltet werden (Abbildung 6).

Abbildung 4: Zwei verzahnte TeSys-Giga-Schütze, die ein Wendeschütz für Wechselstrommotoren bilden. (Bildquelle: Schneider Electric)

Mit den folgenden Bauteilen lässt sich beispielsweise ein Wendeschütz für 200 PS bei 460 V mit einer AC/DC-Spule für 100 bis 250 V bauen (Abbildung 6):

• LC1G265KUEN, TeSys-Giga-Motorsteuerung, zwei erforderlich
• DZ2FJ6, Anschlüsse für Schütz
• LA9G3612, Kontaktspreizer
• LA9G3761, Wendeschienen
• LA9G970, mechanische Verzahnung

Zusammenfassung

TeSys-Giga-Schütze und Überlastrelais sind äußerst vielseitige Geräte, die die Ausfallsicherheit und Betriebszeit in einer Vielzahl von Anwendungen maximieren können. Die Schütze haben Nennwerte von 115 bis 900 A in 3P- und 4P-Konfigurationen. Sie bieten SCCR-Werte bis zu 100 kA und 480 V, und ihr modularer Aufbau erleichtert die Wartung.

Die programmierbaren Überlastrelais bieten einen weiten Betriebsstrombereich, so dass eine kleine Anzahl von Geräten die Anforderungen vieler Anwendungen erfüllen kann. Darüber hinaus kann eine bidirektionale Bewegungssteuerung realisiert werden, indem zwei TeSys-Giga-Schütze mit einem mechanischen Verzahnungssystem verbunden werden.