Thermorelais für Elektromotoren: Funktionsprinzip, Aufbau, Auswahl

Während des Betriebs von Energieanlagen werden diese ständig durch Stromüberlastungen belastet, die die Lebensdauer verkürzen. Der Schutz in solchen Situationen wird durch ein thermisches Überlastrelais für Elektromotoren gewährleistet, das die Stromversorgung bei Auftreten ungewöhnlicher Umstände unterbricht.

Wir schlagen vor, sich mit der Konstruktion, dem Funktionsprinzip, den Arten und den Nuancen des Anschlusses von Schutzgeräten vertraut zu machen. Darüber hinaus erklären wir, welche Parameter und Kenngrößen bei der Auswahl eines thermischen Überlastrelais zu berücksichtigen sind.

Bauausführung von thermischen Überlastrelais

Thermische Überlastrelais aller Art haben einen ähnlichen Aufbau. Das wichtigste Element eines jeden ist eine empfindliche Bimetallplatte.

Der Wert des Ansprechstroms wird von der Temperatur der Umgebung beeinflusst, in der das Relais arbeitet. Ein Temperaturanstieg verkürzt die Ansprechzeit.

Um diesen Einfluss zu minimieren, wählen die Entwickler der Geräte eine möglichst hohe Temperatur des Bimetalls. Aus demselben Grund versehen einige Relais mit einer zusätzlichen Kompensationsplatte.

Das Gerät besteht aus Gehäuse, Nichrom-Heizung, Bimetallplatte, Riegel, Schraube, Hebel, beweglichem Kontakt und Rückstelltaste (+)

Wenn in der Relaiskonstruktion Nichrom-Heizungen enthalten sind, werden diese parallel, in Reihe oder parallel-seriell mit der Platte geschaltet.

Der Stromwert im Bimetall wird mit Hilfe von Shunts reguliert. Alle Teile sind im Gehäuse montiert. Das U-förmige Bimetallelement ist auf einer Achse fixiert.

Eine zylindrische Feder drückt gegen ein Ende der Platte. Mit dem anderen Ende stützt sie sich auf einer ausbalancierten Isolierklemme ab. Sie dreht sich um eine Achse und dient als Stütze für die Kontaktbrücke, die mit Silberkontakten ausgestattet ist.

Zur Koordination des Einstellstroms ist die Bimetallplatte mit ihrem linken Ende mit ihrem Mechanismus verbunden. Die Einstellung erfolgt durch Beeinflussung der anfänglichen Verformung der Platte.

Wenn die Höhe der Überlastströme gleich oder größer als der Einstellwert wird, dreht sich die Isolierklemme unter dem Einfluss der Platte. Während ihres Umkippens erfolgt die Trennung des Öffnerkontakts des Geräts.

Das Wärmeschutzrelais TRT im Schnitt. Die Hauptelemente sind: Gehäuse (1), Einstellmechanismus (2), Taste (3), Achse (4), Silberkontakte (5), Kontaktbrücke (6), Isolierblock (7), Feder (8), Bimetallplatte (9), Achse (10).

Das Relais kehrt automatisch in die Ausgangsposition zurück. Der Selbstrückstellvorgang dauert maximal 3 Minuten ab dem Zeitpunkt der Schutzauslösung. Eine manuelle Rückstellung ist ebenfalls möglich; hierfür ist eine spezielle Reset-Taste vorgesehen.

Bei ihrer Verwendung nimmt das Gerät innerhalb von 1 Minute die Ausgangsposition ein. Um die Taste zu betätigen, wird sie gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis sie über das Gehäuse ragt. Der Einstellstrom ist normalerweise auf dem Schild angegeben.

Funktionsprinzip der Vorrichtung

Bei der Ausübung der Schutzfunktion trennt der automatische Schutzschalter die Stromversorgungskreise. Das Thermorelais unterscheidet sich davon dadurch, dass es bei Überlast lediglich ein Steuersignal ausgibt. Bei diesem Schutz werden Ströme geringer Größe in einem Steuerstromkreis geschaltet.

Im Schaltplan befindet sich vor dem Thermorelais der Magnetschalter. Wenn die Stromkreise im Notfall geöffnet werden, entfällt die Notwendigkeit der Duplizierung der Arbeit des Schützes. Folglich wird kein Material für die Herstellung von Leistungskontaktgruppen verbraucht.

Am beliebtesten sind Geräte mit Bimetallplatten. Die Platte selbst besteht aus zwei gleichartigen Elementen.

Eines davon hat einen hohen Temperaturkoeffizienten, das andere einen etwas niedrigeren. Diese beiden Komponenten liegen eng aneinander an.

Da die Bestandteile der Bimetallplatte aus zwei unterschiedlichen Metallen mit ungleichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, führt Erwärmung dazu, dass sie sich verbiegt und mit den Kontakten zusammenwirkt.

Eine solche feste Verbindung wird durch Schweißen oder Warmwalzen hergestellt. Dadurch, dass die Platte unbeweglich befestigt ist, wird bei Erwärmung ihre Biegung in Richtung des Elements mit dem geringeren Temperaturkoeffizienten beobachtet. Dieses Prinzip liegt der Entwicklung von Thermorelais zugrunde.

Bei ihrer Herstellung werden Chrom-Nickel-Stahl und nichtmagnetischer Stahl mit einem hohen Temperaturkoeffizienten verwendet. Als Material mit einem niedrigen Wert dieses Parameters wird Invar verwendet – eine Legierung aus Nickel und Eisen.

Nach diesem Schema arbeitet das Wärmeschutzrelais. Das freie Ende der Bimetallplatte wirkt bei ihrer Durchbiegung auf die Kontakte des Thermorelais (+).

Die Bimetallplatte wird durch die Lastströme erwärmt. Diese fließen meist über einen speziellen Heizleiter. Es gibt auch eine kombinierte Erwärmung, bei der der Bimetallstreifen zusätzlich zur Wärme des Heizleiters auch durch den hindurchfließenden Strom erwärmt wird.

Wie schließt man ein thermisches Überlastrelais an?

Ein geschlossener Kontakt (normal connected), mit dem das Thermomodul an den Magnetschalter angeschlossen wird, wird mit NC oder normal geschlossen bezeichnet, was für normal geschlossen steht. Mit der Buchstabenkombination NO wird der normal geöffnete Kontakt bezeichnet.

In einer einfachen Schaltung wird er verwendet, um ein Signal zu geben, das die Auslösung des Motorschutzes aufgrund einer Überschreitung der Schwellentemperatur anzeigt.

Bei der Integration in komplexe Steuerungssysteme kann er im Notfall ein Signal zum Stillsetzen des Förderbands erzeugen.

Das Thermorelais wird nach den Schützen, aber vor dem Elektromotor platziert. Der Anschluss des Kontakts (normal connected) an die Taste „Stopp“ am Bedienpult erfolgt nach einem Reihenschaltplan (+).

Die Bezeichnung der Schützklemmen wird von GOST vorgeschrieben: normal geschlossen – 95-96, normal geöffnet – 97-98. An das erste Paar wird der Schütz angeschlossen, das zweite Paar wird für Meldekreise verwendet. Da der Motor und das Thermorelais vor Kurzschlüssen geschützt werden müssen, muss die Schaltung einen Schutzschalter enthalten.

Das Geräteschema enthält Tasten „Test“ und „Stopp“ oder „Reset“. Mit der ersten wird die Funktion überprüft, mit der zweiten wird der Schutz manuell ausgeschaltet.

Mit dem Schalter der Drehrückstellung wird der Elektromotor nach dem Auslösen des Schutzes wieder gestartet. Auf die Glasabdeckung des Geräts werden Kennzeichnungen aufgebracht und sie wird versiegelt.

Je nach Anschlussart können zwei große Gruppen von Thermorelais unterschieden werden:

• erste Gruppe – Geräte, die hinter dem Magnetschalter montiert werden und solche, die mit Brücken angeschlossen werden;
• zweite Gruppe – Geräte, die direkt auf den Schütz des Schalters installiert werden.

Im letzten Fall fällt beim Start die Hauptlast auf das Schütz. Hier ist das Thermomodul mit Kupferkontakten ausgestattet, die direkt an die Eingänge des Schalters angeschlossen sind.

Schaltplan des Thermorelais. Darauf sind die Bezeichnungen der Steuerelemente und Anschlüsse aufgedruckt. Bei verschiedenen Modellen können diese Bezeichnungen abweichen (+).

An das Thermorelais (TR) werden die Leitungen vom Motor angeschlossen. Das Relais selbst stellt in einer solchen Schaltung einen Zwischenknoten dar, der den Strom analysiert, der vom Magnetschalter durchgeschleift zum Motor fließt.

Nuancen bei der Installation des Geräts

Auf die Ansprechgeschwindigkeit des Thermomoduls können nicht nur Stromüberlastungen, sondern auch die Außentemperatur Einfluss haben. Der Schutz kann auch ohne Überlast auslösen.

Es kommt auch vor, dass der Motor durch Zwangsbelüftung einer thermischen Überlastung ausgesetzt ist, der Schutz jedoch nicht auslöst.

Um solche Phänomene zu vermeiden, sollten die Empfehlungen von Fachleuten beachtet werden:

1. Bei der Auswahl des Relais sollte man sich an der maximal zulässigen Ansprechtemperatur orientieren.
2. Den Schutz im selben Raum wie das zu schützende Objekt installieren.
3. Für die Installation Orte wählen, an denen keine Wärmequellen oder Lüftungsvorrichtungen vorhanden sind.
4. Das Wärmemodul muss anhand der tatsächlichen Umgebungstemperatur eingestellt werden.
5. Die beste Option ist ein Relais mit integrierter Temperaturkompensation.

Eine zusätzliche Option des Thermorelais ist der Schutz bei Phasenausfall oder bei vollständigem Netzausfall. Für Drehstrommotoren ist dies besonders relevant.

Der Strom im Thermorelais fließt nacheinander durch sein Heizmodul und dann zum Motor. Mit der Spule des Schützes wird das Gerät über zusätzliche Kontakte verbunden (+).

Bei Störungen in einer Phase übernehmen die beiden anderen Phasen einen höheren Strom. Dies führt schnell zu Überhitzung und anschließender Abschaltung. Bei ineffektiver Arbeit des Relais können sowohl der Motor als auch die Verkabelung beschädigt werden.

Vorhandene Gerätetypen

Die Klasse der Thermorelais umfasst mehrere Typen: TRN, RTL, TRP, RTI, RTT. Die Anwendung jedes Typs wird durch konstruktive Besonderheiten bestimmt.

Zweiphasen-Stromrelais (TRN), wird hauptsächlich zum elektrischen Schutz von Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer verwendet. In der Regel arbeiten sie an Netzen mit einer Nennspannung von bis zu 500 V und einer Frequenz von 50 Hz.

Das Relais ist mit einem manuellen Kontaktbetätigungsmechanismus ausgestattet. Die Abmessungen des TRN ermöglichen den Einbau in Schaltgerätekombinationen sowohl in geschlossener als auch in offener Bauweise von Stationen, die die Antriebe koordinieren. Eine Kurzschlussschutzfunktion erfüllen sie nicht und benötigen selbst einen solchen Schutz.

Relais TRP haben einen vibrationsbeständigen Mechanismus und ein stoßfestes Gehäuse. Sie wurden zum Schutz von dreiphasigen Asynchronmotoren entwickelt, die unter hohen mechanischen Belastungen arbeiten.

Sie sind für einen maximalen Strom von 600 A und eine maximale Spannung von 500 V ausgelegt, in Gleichstromkreisen für 440 V. Die Automatik ist unempfindlich gegenüber der Außentemperatur und spricht an, wenn der Wert 200 °C übersteigt.

Geräte RTL sind dreiphasig, sie schützen den Motor nicht nur vor Überlast, sondern auch den Rotor vor Blockieren. Sie sichern ihn vor Schäden bei Phasenschieflast und bei längerem Anlauf.

Sie arbeiten eigenständig mit Klemmenkästen KRL und in der Modifikation mit dem Magnetschütz PML. Der Stromarbeitsbereich beträgt 0,10 bis 86 A.

Schütz in Kombination mit Thermorelais. Wenn das Gerät auslöst, wechseln der Schließer- und der Öffnerkontakt synchron ihre Stellung.

RTT – die Vorrichtung schützt Asynchronmotoren vor Stromspitzen, Phasenschieflast, Blockieren und anderen ungewöhnlichen Situationen. Es wird sowohl als eigenständiges Gerät als auch als Einbau in Schütze PMA, PME verwendet.

Dreiphasiges Produkt RTI hat die gleichen Funktionen wie das vorherige, wird jedoch in einer Modifikation mit den Schützen KTM und KMI verwendet.

Wie wählt man ein thermisches Überlastrelais aus?

Der Motor benötigt ein Relais zum Schutz, wenn aus technologischen Gründen eine potenzielle Gefahr der Überlastung besteht. Der zweite Fall ist die Notwendigkeit, die Anlaufzeit unter Bedingungen reduzierter Spannung zu begrenzen.

Diese Anforderungen sind in der entsprechenden Anleitung enthalten. Darin ist der Wunsch formuliert, das Schutzgerät mit einer Zeitverzögerung auszustatten. All dies wird mit Hilfe von Thermorelais realisiert.

Grundlegende Kenngrößen von Vorrichtungen

Die grundlegenden Daten des Motor-Schutzgeräts sind:

1. Die Ansprechgeschwindigkeit der Kontakte in Abhängigkeit von den Stromparametern – die Zeit-Strom-Kennlinie.
2. Der Betriebsstrom, bei dem das Thermorelais auslöst.
3. Die Grenzstrom-Einstellbereiche. Bei allen Geräten verschiedener Hersteller unterscheidet sich dieser Parameter nur geringfügig. Eine Überschreitung des Nennwerts um 20 % führt nach etwa 25 Minuten zur Auslösung des Geräts.
4. Der Nennstrom der Arbeits-Bimetallplatte. Gemeint ist der Wert, bei dessen Überschreitung das Relais nicht sofort abschaltet.
5. Der Strombereich, in dem das Relais auslöst.

Informationen über das Thermorelais können durch Entschlüsselung seiner Kennzeichnung gewonnen werden. Das Symbol für die Ausführungsart kann abweichen.

Ein Schütz in Kombination mit einem Thermorelais. Wenn das Gerät anspricht, wechseln der Schließer- und der Öffnerkontakt synchron ihre Position (+).

Die Aufstellungsorte für inländische Thermorelais sind durch GOST 15150 geregelt. Auf ihre Funktion haben Faktoren wie Höhe über dem Meeresspiegel, Vibration, Stöße und Beschleunigungen Einfluss.

Alle diese Nuancen geben die Hersteller in der Kennzeichnung ihrer Produkte an. Einige von ihnen fügen zusätzlich Informationen über die Möglichkeit des Betriebs bei Vorhandensein schädlicher Substanzen und explosionsgefährlicher Gase hinzu.

Geräteauswahl nach Vorschriften

Die Anforderungen an das Thermorelais sind in der Anleitung beschrieben. Darin ist auch festgelegt, dass der Schutz eine Zeitverzögerung aufweisen muss. Alle Anforderungen werden mit Hilfe spezieller Geräte realisiert.

Zeit-Strom-Kennlinien des Thermorelais und des zu schützenden Motors. Bei Kurzschlussströmen werden die Heizelemente des Relais thermisch instabil (+).

Bei der Analyse der Zeit-Strom-Kennlinien des Thermorelais muss berücksichtigt werden, dass die Auslösung aus überhitztem oder kaltem Zustand erfolgen kann.

Ein einwandfreier Schutz setzt voraus, dass die Kurve, die die optimale Abhängigkeit der Stromdauer von der Stromstärke für einen störungsfreien Betrieb darstellt, für Relais und Motor unterschiedlich ist. Die erste muss unter der zweiten liegen.

Die Tabelle zeigt die technischen Daten des Thermorelais vom Typ RTL. Anhand dieser Tabelle kann ein Schutzgerät mit den erforderlichen Parametern für die Motorleistung ausgewählt werden (+).

Die korrekte Auswahl des Schutzgeräts erfolgt auf Basis des Parameters des Nennbetriebsstroms. Sein Wert hängt mit dem Nennstrom der Motorlast zusammen.

Sowohl internationale als auch nationale Standards sehen vor, dass der Nennstrom des Motors dem Einstellwert des Ansprechstroms des Thermorelais entspricht.

Das bedeutet, dass das Gerät bei einer Überlast von 20 bis 30 % oder bei I_sr x 1,2 oder 1,3 spätestens nach 20 Minuten einschaltet.

Daher muss die Auswahl so erfolgen, dass der Nichtansprechstrom des Thermorelais den Nennstrom des geschützten Objekts im Durchschnitt um 12 % übersteigt. Der Wert In ist im Gerätehandbuch und auf dem am Gehäuse angebrachten Typenschild angegeben.

Auf dieser Grundlage werden sowohl das Thermorelais als auch der dazugehörige Schütz ausgewählt. Die Skala des Relais ist in Ampere kalibriert und entspricht in der Regel dem Einstellstromwert.

Als Beispiel kann die Auswahl eines Thermorelais für einen Asynchronmotor mit einer Leistung von 1,5 kW an einem 380-V-Netz angeführt werden.

Der Nennbetriebsstrom beträgt 2,8 A, daher beträgt der Schwellenstrom für das Thermorelais: 1,2 * 2,8 = 3,36 A. Laut Tabelle sollte die Wahl auf das RTL-1008 fallen, dessen Einstellbereich zwischen 2,4 und 4 A liegt.

Bei einer Schutzauslösung wird zunächst die eigentliche Ursache des Stillstands beseitigt, danach wird das Thermorelais mit der Rückstelltaste in den Ausgangszustand zurückgesetzt.

Wenn die Motor-Nenndaten unbekannt sind, wird der Strom mit speziellen Geräten ermittelt – Stromzangen oder Multimetern mit entsprechender Funktion. Die Messungen werden an jeder Phase durchgeführt.

Bei der Auswahl ist auf die auf dem Gerät angegebene Spannung zu achten. Wenn ein Tandem aus Thermorelais und Schütz verwendet werden soll, muss die Anzahl der Kontakte berücksichtigt werden.

Beim Anschluss des Geräts an ein Drehstromnetz ist ein Modul mit Schutzfunktion für Leiterbruch oder Phasenunsymmetrie erforderlich.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Schaltplan für effektiven Motorschutz:

Bestandteile des Thermorelais:

Das Zusammenspiel verschiedener Geräte ist bei den verschiedenen Anschlussvarianten des Thermorelais gleich. Um sich in den Schaltplänen besser zurechtzufinden, muss man die Gerätekennzeichnung “lesen” können. Idealerweise sollten alle Anschlussarbeiten von einem qualifizierten Fachmann mit Hochspannungsberechtigung durchgeführt werden.

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