Der Schutz teurer Maschinen mit preiswerten dreiphasigen Überwachungsrelais

Die meisten kommerziellen und industriellen Maschinen, die in Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK), in der Wasseraufbereitung, im Materialtransport, in Werkzeugmaschinen, in der Schifffahrt und in der Luftfahrt eingesetzt werden, werden von Drehstrommotoren angetrieben. Diese zuverlässigen Geräte können durch eine Reihe von Fehlerzuständen beschädigt werden, die, wenn sie nicht schnell behoben werden, zu einem Ausfall oder zumindest zu einer verkürzten Lebensdauer führen können, was erhebliche Ausfallzeiten und Reparaturkosten zur Folge hat.

Phasenüberwachungsrelais können eingesetzt werden, um diese Fehler zu erkennen, die Bediener zu benachrichtigen und die Maschine zu stoppen, bevor ein dauerhafter Schaden entsteht. Diese Relais sind in der Lage zu erkennen, ob alle drei Phasen vorhanden sind, die richtige Reihenfolge aufweisen und ihre Spannung innerhalb des korrekten Bereichs liegt. Wenn ein Fehler auftritt, kann das Relais eine Reihe von Kontakten öffnen, die einen Alarmzustand auslösen oder die Maschine abschalten.

Es gibt eine große Auswahl von Phasenmessrelais, die eine breite Palette von Spannungen, dreiphasigen Konfigurationen und Fehlerbedingungen abdecken. In diesem Artikel wird kurz auf mögliche Fehlerarten von Motoren und die Funktionsweise von Phasenmessrelais eingegangen. Anschließend wird die Auswahl und Anwendung von dreiphasigen Überwachungsrelais anhand von Beispielen aus der Praxis von Carlo Gavazzi beschrieben.

Fehlerarten von Drehstrommotoren

Zu den häufigen Fehlern in einer Reihe von Branchen gehören solche, die mit der dreiphasigen Stromquelle und ihren Auswirkungen auf Motoren zusammenhängen. Der Ausfall einer der drei Phasen oder eine Abweichung der Phasenspannungen kann dazu führen, dass die Ströme in den verbleibenden Phasen des Motors höher als normal sind, was wiederum einen Verlust mechanischer Leistung und übermäßiges mechanisches Schwingungen verursacht. Ebenso zwingen Unter- und Überspannung den Motor dazu, den Strom zu erhöhen, um die gleiche Last anzutreiben, was die Lebensdauer des Motors verkürzen kann.

Eine andere Möglichkeit ist eine falsche Phasenfolge, die zu einer Richtungsumkehr des Motors führen kann mit potenziell katastrophalen Folgen auf der Lastseite des Motors.

Funktionen des Phasenüberwachungsrelais

Phasenüberwachungsrelais bieten eine Reihe von Funktionen in Bezug auf den Zustand der dreiphasigen Stromquelle. Sie werden von den von ihnen überwachten Drehstromleitungen gespeist. Sie alle überwachen die Phasenfolge und mögliche Phasenspannungsausfälle. Die Relais werden aktiviert, wenn alle Phasen vorhanden sind und die Leistungssequenz korrekt ist. Bei Ausfall einer Phase oder einer falschen Phasenfolge wird das Relais spannungsfrei geschaltet. Einige Phasenüberwachungsrelais überwachen zudem die Spannungspegel aller drei Phasen. Die Spannungsermittlung erfolgt mithilfe einer TRMS-Messung (True Root Mean Square) und deaktiviert das Relais, wenn die Amplitude unter einen voreingestellten Schwellenwert fällt. Einige Geräte bieten die gleiche Amplitudenerkennung, bieten aber vom Benutzer einstellbare Grenzwerte. Eine Reihe von Relaismodellen überwacht Phasenasymmetrie und -toleranz. Alle Relais verfügen über eine Verzögerung vor der Auslösung bei Spannungspegel- oder Asymmetrieproblemen, um Fehlauslösungen zu verhindern. Bei einigen Modellen ist die Verzögerung programmierbar.

Optionen für Phasenüberwachungsrelais

Das DPA01CM44 der Carlo Gavazzi Inc. ist ein Beispiel für ein Phasenmessrelais für Dreileiterkonfigurationen (Abbildung 1). Die Serie wird von einer dreiphasigen Quelle gespeist, wobei Modelle mit Betriebsspannungen von 230, 400, 600 und 690 Volt AC (VAC) erhältlich sind. Diese Relais sind für die Montage an einer Hutschiene vorgesehen, wobei auch steckbare Versionen erhältlich sind. Der Ausgangkontaktkonfiguration der Relais ist entweder die eines einfachen oder die eines zweifachen einpoligen Umschalters (SPDT).

Abbildung 1: Das DPA01CM44 ist ein hutschienenmontiertes Phasenüberwachungsrelais für dreiphasige Leitungen mit 208 bis 480 VAC und einem einfachen SPDT-Relaiskontaktausgang. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Unter normalen Spannungsbedingungen ist das Relais aktiviert, d. h. der/die Schließerkontakt(e) des Relaisausgangs ist/sind geschlossen und der/die Öffnerkontakt(e) des Ausgangs ist/sind geöffnet. Die Relaisbetätigung erfolgt innerhalb von 100 Millisekunden (ms). Status-LEDs auf der Vorderseite zeigen das Einschalten und die Aktivierung des Relais an.

Das Phasenüberwachungsrelais DPA01 kann zur Überwachung einer beliebigen dreiphasigen Leitung installiert werden (Beispiel 1 in Abbildung 2), oder es kann mit einem dreiphasigen Motor kombiniert werden (Beispiel 2).

Abbildung 2: Anwendungsbeispiele für das dreiphasige Überwachungsrelais der Serie DPA01. Beispiel 1 (links) zeigt den Anschluss zur Überwachung einer dreiphasigen Leitung. Beispiel 2 (rechts) zeigt den Einsatz bei der Überwachung eines Drehstrommotors. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Wenn in einer der beiden Anwendungen ein Fehlerzustand auftritt, öffnet ein mit dem Relais in geeigneter Weise verbundenes Schütz den weiterführenden Drehstromkreis, während das Überwachungsrelais mit der Stromquelle verbunden bleibt. Bei Verwendung zur Überwachung einer dreiphasigen Leitung ohne Motor ist es kein Problem, eine tote Phase zu erkennen, da der Pegel des fehlenden Eingangs deutlich abfällt. Wenn ein Überwachungsrelais hingegen mit einem Motor verbunden wird, neigt der Motorbetrieb dazu, die fehlende Phase aufgrund der internen induktiven Kopplung zu regenerieren. Das Relais ist so eingestellt, dass es eine fehlende Phase erkennt, solange die Amplitude weniger als 85 % der dreiphasigen Nennspannung beträgt. Daher ist es wichtig zu überprüfen, dass die Motorregeneration weniger als 85 % der Netznennspannung beträgt.

Für Anwendungen, die eine kundenspezifische Über- oder Unterspannungsschwelle erfordern, kann das multifunktionale Phasenüberwachungsrelais DPB01CM48 von Carlo Gavazzi genutzt werden. Dieses Relais erkennt Über- und Unterspannungszustände sowie Phasenausfall und falsche Phasenfolge. Die Schwellenwerte für Über- und Unterspannung können vom Benutzer über einen Schalter an der Vorderseite eingestellt werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das multifunktionale Phasenüberwachungsrelais DPB01CM48 überwacht mit Hilfe von Bedienelementen auf der Vorderseite den Phasenausfall, die Phasenfolge und wählbare Schwellenwerte für Über- und Unterspannung. Die Betriebsverzögerung für die Über- und Unterspannungsauslösung ist vom Benutzer einstellbar, um die Auslösungen durch kurzzeitige Spannungsspitzen zu minimieren. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Dieses Relais wird ebenfalls an einer Hutschiene montiert und unterstützt sowohl Dreieck- als auch Stern-Drehstromschaltungen. Es bietet benutzerprogrammierbare Spannungsbereiche, für die 380, 400, 415, 480 VAC als Netz-zu-Netz-Spannungen und 220, 230, 240 und 277 VAC als Netz-zu-Neutral-Spannungen ausgewählt werden können. Schaltungstopologie und Spannungsbereiche werden über einen internen Dip-Schalter eingestellt. Ein separates Modell der Familie DPB01 deckt niedrigere Spannungsbereiche ab.

Auf der Vorderseite des Relais befinden sich drei Drehknöpfe. Mit dem oberen Regler wird die untere Spannungsschwelle von -2 bis -22 % der Nennspannung eingestellt, mit dem mittleren Regler die obere Spannungsschwelle von 2 bis 22 % der Nennspannung und mit dem unteren Regler wird die Betriebsverzögerung von 10 ms bis 30 Sekunden (s) eingestellt. Die Verzögerung soll verhindern, dass kurzzeitige Spannungsspitzen das Relais versehentlich auslösen.

Auf der Vorderseite des Relais befinden sich drei LEDs, die den Status des Relais anzeigen. Eine grüne LED zeigt an, dass das Gerät eingeschaltet ist. Eine gelbe LED zeigt an, dass das Relais Spannung führt. Bei einem Alarm wird die gelbe LED ausgeschaltet und das Relais wird nach einer Sperrzeit spannungsfrei geschaltet. Außerdem blinkt die rote LED. Wenn der Fehler auf eine Über- oder Unterspannung zurückzuführen war, blinkt die rote LED mit einer Frequenz von 2 Hertz (Hz), und das Relais wird nach Ablauf der Sperrzeit spannungsfrei geschaltet. Bei einem Phasenausfall oder einer falschen Phasenfolge wird das Relais innerhalb von 200 ms spannungsfrei geschaltet, und die rote LED blinkt für die Dauer des Fehlers mit einer Frequenz von 5 Hz.

Das Phasenüberwachungsrelais DPC01DM69 verfügt über die umfangreichsten Funktionen, die Carlo Gavazzi (Abbildung 4) bietet. Dieses Relais zur Hutschienenmontage überwacht Phasenfolge und Phasenausfall sowie Unter- und Überspannung, Phasensymmetrie und Toleranz.

Abbildung 4: Das DPC01DM69 ist ein hutschienenmontiertes Phasenüberwachungsrelais mit LEDs am linken Rand, die den Relaisstatus (gelb), den Alarmstatus (rot) und den Stromversorgungsstatus (grün) anzeigen. Mit Reglern werden Toleranz-/Asymmetrie- oder Über-/Unterspannungsschwellen sowie Relaisverzögerungen eingestellt. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Das DPC01DM69 besitzt in Bezug auf die Auswahl des Betriebsspannungsbereichs und der Dreiphasenschaltung eine ähnliche Funktion wie das DPB01CM48. Außerdem verfügt es über zusätzliche Dip-Schalter zur Auswahl der Einschaltverzögerung (1 s oder 6 s), der Kontaktausgangskonfiguration (zweifacher oder einfacher zweipoliger Umschalter (DPDT)) und der Überwachungsfunktionen für Überspannung/Unterspannung oder Asymmetrie/Toleranz.

Das DPC01CM69 bietet drei verschiedene Betriebsmodi, die vom Alarmtyp abhängig sind. Phasenausfall oder falsche Phasenfolge führt zum Abschalten der Ausgangsrelais 1 und 2. Eine Überspannung oder Asymmetrie führt zur Spannungsfreischaltung des Ausgangsrelais 1 am Ende der voreingestellten Verzögerung 1, und eine Unterspannung oder Toleranzüberschreitung verursacht eine Spannungsfreischaltung des Ausgangsrelais 2 am Ende der voreingestellten Verzögerung 2. Diese Doppelausgangsanordnung ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Reaktion auf verschiedene Alarme.

Die Asymmetrie ist ein Indikator für die Qualität der Stromquelle und ist definiert als der absolute Wert der maximalen Abweichung der Netzspannungen, geteilt durch die Nennspannung des dreiphasigen Netzes. Die Toleranz ist ein weiterer Indikator für die Qualität der Stromquelle und ist definiert als der absolute Wert der maximalen Abweichung der Netzspannungen von der Nennspannung, geteilt durch die Nennspannung des dreiphasigen Systems (Abbildung 5).

Abbildung 5: Gleichungen für Asymmetrie und Toleranz einer dreiphasigen Quelle. (Bildquelle: Carlo Gavazzi Inc.)

Im Allgemeinen sollte die Asymmetrie der Drehstromleitungen weniger als 2 % betragen, um eine Überhitzung eines Drehstrommotors zu vermeiden. Die Asymmetrie- und Toleranzskalen des DPC01CM69 decken Bereiche von 2 bis 22 % ab.

Fazit

In vielen Branchen ist die Überwachung von Drehstrom entscheidend, um kostspielige Ausfallzeiten aufgrund beschädigter Motoren zu vermeiden. Um dies auf einfache und effektive Weise zu gewährleisten, bietet Carlo Gavazzi eine breite Palette von dreiphasigen Überwachungsrelais an, die unter Anwendung der modernsten Messtechniken entwickelt wurden und gleichzeitig eine einfache Einrichtung ermöglichen. Die Relais reichen von einfachen Geräten, die den Phasenausfall und die Phasenfolge überwachen, bis hin zu komplexeren Überwachungsgeräten, die zusätzlich Über- und Unterspannungen sowie Phasenasymmetrie und -toleranz erfassen. Diese Phasenüberwachungsrelais bieten die Sicherheit, dass Probleme mit dreiphasigen Stromquellen keine Schäden an teuren Maschinen verursachen.