Thermorelais: Funktionsprinzip, Arten, Anschlussplan + Einstellung und Kennzeichnung

Die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit im Betrieb jeder Anlage mit Elektromotor hängen von verschiedenen Faktoren ab. Jedoch beeinflussen Stromüberlastungen die Lebensdauer des Motors erheblich. Um diese zu verhindern, wird ein thermisches Relais angeschlossen, das das Hauptarbeitselement der Elektromaschine schützt.

Wir erklären, wie Sie ein Gerät auswählen, das das Entstehen von Notsituationen durch Überschreitung der maximal zulässigen Stromwerte vorhersagt. In dem von uns vorgestellten Artikel werden das Funktionsprinzip, die Varianten und ihre Eigenschaften beschrieben. Es werden Tipps zum Anschluss und zur fachgerechten Einstellung gegeben.

Wozu werden Schutzgeräte benötigt?

Selbst wenn der Elektroantrieb fachgerecht konstruiert und ohne Verletzung der grundlegenden Betriebsregeln genutzt wird, besteht immer die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Störungen.

Zu den Notbetriebsarten gehören einphasige und mehrphasige Kurzschlüsse, thermische Überlastungen der elektrischen Ausrüstung, Blockieren des Rotors und Zerstörung des Lagerblocks sowie Phasenausfall.

Bei erhöhten Lasten verbraucht der Elektromotor eine enorme Menge an elektrischer Energie. Und bei regelmäßiger Überschreitung der Nennspannungswerte erwärmt sich die Ausrüstung stark.

Infolgedessen verschleißt die Isolierung schnell, was zu einer erheblichen Verringerung der Betriebsdauer elektromechanischer Anlagen führt. Um solche Situationen auszuschließen, werden in den Stromkreisen thermische Schutzrelais angeschlossen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den normalen Betrieb der Verbraucher zu gewährleisten.

Sie schalten den Motor mit einer bestimmten Zeitverzögerung ab, in einigen Fällen auch sofort, um die Zerstörung der Isolierung oder die Beschädigung einzelner Teile der elektrischen Anlage zu verhindern.

Das Stromrelais schützt den Elektromotor ständig vor Phasenausfall und technologischen Überlastungen sowie vor dem Blockieren des Rotors. Dies sind die Hauptursachen für das Auftreten von Notbetriebszuständen.

Um eine Verringerung des Isolationswiderstands zu verhindern, werden Fehlerstromschutzeinrichtungen eingesetzt. Wenn es darum geht, eine Störung der Kühlung zu verhindern, werden spezielle Geräte mit integriertem thermischen Schutz angeschlossen.

Aufbau und Funktionsprinzip des Thermorelais

Konstruktiv besteht ein standardmäßiges elektrothermisches Relais aus einem kleinen Gerät, das aus einer empfindlichen Bimetallplatte, einer Heizspirale, einem Hebel-Feder-System und elektrischen Kontakten besteht.

Die Bimetallplatte wird aus zwei unterschiedlichen Metallen hergestellt, in der Regel aus Invar und Chrom-Nickel-Stahl, die durch Schweißen fest miteinander verbunden werden. Ein Metall hat einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das andere, daher erwärmen sie sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Bei einer Stromüberlastung biegt sich der nicht fixierte Teil der Platte zum Material mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten hin. Dies übt eine Kraft auf das Kontaktsystem im Schutzgerät aus und aktiviert die Abschaltung der elektrischen Anlage bei Überhitzung.

Bei den meisten Modellen mechanischer Thermorelais gibt es zwei Kontaktgruppen. Ein Paar ist normalerweise geöffnet, das andere ständig geschlossen. Wenn das Schutzgerät auslöst, ändert sich der Zustand der Kontakte. Die ersten schließen sich, die zweiten werden geöffnet.

In elektronischen Thermorelais kommen spezielle Sensoren und empfindliche Sonden zum Einsatz, die auf Stromanstieg reagieren. Im Mikroprozessor solcher Schutzgeräte sind Parameter programmiert, die die Situationen bestimmen, in denen die Stromversorgung abgeschaltet werden muss.

Der Strom wird von einem integrierten Transformator erfasst, anschließend verarbeitet die Elektronik die gewonnenen Daten. Wenn der aktuelle Stromwert größer als der Sollwert ist, wird der Impuls sofort direkt an den Schalter weitergeleitet.

Beim Öffnen des externen Schützes blockiert das Relais mit elektronischem Mechanismus die Last. Das Thermorelais für den Elektromotor selbst wird auf dem Schütz montiert.

Die Bimetallplatte kann direkt erwärmt werden – durch Einwirkung des Spitzenlaststroms auf den Metallstreifen – oder indirekt mithilfe eines separaten Thermoelements. Nicht selten werden diese Prinzipien in einem einzigen thermischen Schutzgerät vereint. Bei kombinierter Erwärmung weist das Gerät bessere Betriebseigenschaften auf.

Nach dem Abkühlen kehrt die Platte in den Ausgangszustand zurück. Die Schaltkontakte schließen sich entweder automatisch oder müssen zwangsweise in den geschlossenen Zustand gebracht werden.

Grundlegende Eigenschaften des Stromrelais

Die Hauptkenngröße des thermischen Schutzschalters ist die ausgeprägte Abhängigkeit der Auslösezeit vom durchfließenden Strom – je größer der Wert, desto schneller löst er aus. Dies deutet auf eine gewisse Trägheit des Relaiselements hin.

Die gerichtete Bewegung von Ladungsträgerteilchen durch jedes elektrische Gerät, eine Umwälzpumpe und einen Elektrokessel, erzeugt Wärme. Bei Nennstrom strebt seine zulässige Dauer gegen Unendlich.

Bei Werten, die die Nennwerte überschreiten, steigt die Temperatur im Gerät, was zu vorzeitigem Verschleiß der Isolierung führt.

Ein Stromkreisunterbrechung blockiert sofort den weiteren Anstieg der Temperaturwerte. Dies ermöglicht es, eine Überhitzung des Motors zu verhindern und einen Notfallausfall der elektrischen Anlage zu vermeiden.

Die Nennlast des Motors selbst ist der Schlüsselfaktor für die Auswahl des Geräts. Ein Wert im Bereich von 1,2-1,3 bedeutet eine erfolgreiche Auslösung bei einer Stromüberlast von 30 % über einen Zeitraum von 1200 Sekunden.

Die Dauer der Überlast kann sich negativ auf den Zustand der elektrischen Ausrüstung auswirken – bei kurzer Einwirkung von 5-10 Minuten erwärmt sich nur die Motorwicklung, die eine geringe Masse hat. Bei längerer Einwirkung erwärmt sich der gesamte Motor, was zu schwerwiegenden Schäden führen kann. Oder es kann sogar ein Austausch des defekten Geräts durch ein Neues erforderlich sein.

Um das Objekt bestmöglich vor Überlast zu schützen, sollte spezifisch dafür ein thermisches Schutzrelais verwendet werden, dessen Auslösezeit den maximal zulässigen Überlastwerten des jeweiligen Elektromotors entspricht.

In der Praxis ist es nicht zweckmäßig, für jeden Motortyp ein Spannungsüberwachungsrelais zu montieren. Ein einzelnes Relaiselement wird zum Schutz von Motoren unterschiedlicher Bauart eingesetzt. Dabei ist es unmöglich, einen zuverlässigen Schutz im gesamten Arbeitsbereich, der durch minimale und maximale Last begrenzt wird, zu gewährleisten.

Ein Anstieg der Stromwerte führt nicht sofort zu einem gefährlichen Notzustand der Ausrüstung. Bevor Rotor und Stator die Grenztemperatur erreichen, vergeht einige Zeit.

Daher besteht keine dringende Notwendigkeit, dass das Schutzgerät auf jeden, auch geringfügigen Stromanstieg reagiert. Das Relais sollte den Elektromotor nur dann abschalten, wenn die Gefahr eines schnellen Verschleißes der Isolierschicht besteht.

Arten von thermischen Schutzrelais

Es gibt verschiedene Arten von Relais zum Schutz von Elektromotoren vor Phasenausfall und Stromüberlast. Sie alle unterscheiden sich in den konstruktiven Merkmalen, der Art der verwendeten MP und dem Einsatz in verschiedenen Motoren.

TRP. Ein einpoliges Schaltgerät mit kombinierter Heizung. Es dient zum Schutz von asynchronen Drehstrommotoren vor Überstrom. TRP wird in Gleichstromnetzen mit einer Basis-Nennspannung von nicht mehr als 440 V unter normalen Betriebsbedingungen eingesetzt. Es zeichnet sich durch Vibrations- und Stoßfestigkeit aus.

RTL. Sie bieten Motoren in folgenden Fällen Schutz:

• bei Ausfall einer der drei Phasen;
• Stromunsymmetrie und Überlast;
• verzögertem Start;
• Blockieren des Antriebs.

Sie können mit KRL-Klemmen getrennt von den Schützen installiert oder direkt auf PML montiert werden. Sie werden auf Standard-Schienen montiert, Schutzart IP20.

RTT. Sie schützen asynchrone Drehstrommaschinen mit Kurzschlussläufer vor verzögertem Anlauf, Dauerüberlast und Unsymmetrie (Phasenschieflast).

RTT können als Komponenten in verschiedenen Steuerschaltungen für Elektroantriebe sowie zur Integration in Schütze der Serie PMA verwendet werden.

TRN. Zweiphasige Schalter, die den Start der elektrischen Anlage und den Motorbetrieb überwachen. Sie sind nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur und verfügen nur über eine manuelle Rückstellung der Kontakte in die Ausgangsposition. Sie können in Gleichstromnetzen verwendet werden.

RTI. Elektrische Schaltgeräte mit konstantem, wenn auch geringem Stromverbrauch. Sie werden auf Schützen der Baureihe KMI montiert. Sie arbeiten zusammen mit Sicherungen/Leistungsschaltern.

Halbleiter-Stromrelais. Es handelt sich um kleine elektronische Geräte für drei Phasen, deren Konstruktion keine beweglichen Teile enthält.

Sie arbeiten nach dem Prinzip der Berechnung der mittleren Motortemperatur, indem sie ständig den Betriebs- und Anlaufstrom überwachen. Sie zeichnen sich durch Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen aus und werden daher in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt.

RTK. Startschalter zur Temperaturüberwachung im Gehäuse von elektrischen Betriebsmitteln. Sie werden in Automatisierungsschaltungen eingesetzt, in denen Thermorelais als Komponenten fungieren.

Um einen zuverlässigen Betrieb elektrischer Anlagen zu gewährleisten, muss das Relais über Eigenschaften wie Empfindlichkeit und Schnelligkeit sowie Selektivität verfügen.

Es ist wichtig zu beachten, dass keines der oben genannten Geräte für den Schutz von Stromkreisen vor Kurzschluss geeignet ist.

Thermische Schutzgeräte verhindern lediglich Störfälle, die bei nicht bestimmungsgemäßem Betrieb oder Überlast auftreten.

Die elektrische Ausrüstung kann durchbrennen, bevor das Relais anspricht. Für einen umfassenden Schutz müssen Sie sie durch Sicherungen oder kompakte modulare Leitungsschutzschalter ergänzen.

Anschluss, Einstellung und Kennzeichnung

Ein Schaltgerät für Überlast unterbricht im Gegensatz zu einem Leitungsschutzschalter den Stromkreis nicht direkt, sondern gibt lediglich ein Signal zur vorübergehenden Abschaltung des Objekts im Störungsfall. Sein Öffnerkontakt arbeitet wie ein „Stopp“-Taster des Schützes und wird in Reihe geschaltet.

Anschlussplan der Geräte

Bei der Konstruktion des Relais müssen nicht alle Funktionen der Leistungskontakte wiederholt werden, da es direkt an das Schütz angeschlossen wird. Diese Ausführung ermöglicht erhebliche Materialeinsparungen für die Leistungskontakte. Es ist viel einfacher, in der Steuerkette einen kleinen Strom zu schalten, als gleich drei Phasen mit großem Strom abzuschalten.

In vielen Anschlussschemata des Thermorelais an das Objekt wird ein Ruhekontakt verwendet. Dieser wird in Reihe mit der Stopp-Taste der Steuerkonsole geschaltet und als NC (normally closed) oder Öffner bezeichnet.

Der Schließerkontakt kann in diesem Schema zur Auslösung des Thermoschutzes verwendet werden. Die Anschlusspläne von Elektromotoren, in denen ein Thermoschutzrelais eingebaut ist, können je nach Vorhandensein zusätzlicher Geräte oder technischer Besonderheiten stark variieren.

In einer einfachen Standardschaltung wird das Thermorelais an den Ausgang eines Niederspannungsschützes für den Elektromotor angeschlossen. Die Hilfskontakte des Geräts werden zwingend in Reihe mit der Spule des Schützes geschaltet.

Dies gewährleistet einen zuverlässigen Überlastschutz der elektrischen Anlage. Bei unzulässiger Überschreitung der Grenzstromwerte öffnet das Relaisglied den Stromkreis und schaltet das Schütz und den Motor sofort von der Stromversorgung ab.

Der Anschluss und die Montage des Thermorelais erfolgen in der Regel zusammen mit einem Magnetschütz, das zum Schalten und Starten des Elektroantriebs dient. Es gibt jedoch Ausführungen, die auf eine DIN-Schiene oder eine spezielle Montageplatte montiert werden.

Feinheiten der Einstellung von Relaiselementen

Eine der Hauptanforderungen an Schutzgeräte für Elektromotoren ist das zuverlässige Ansprechen der Geräte bei Auftreten von Störungszuständen des Motors. Es ist sehr wichtig, das Relais richtig auszuwählen und die Einstellungen zu justieren, da Fehlauslösungen absolut inakzeptabel sind.

Ein elektrothermisches Relais, das in allen technischen Parametern optimal zum jeweiligen Motortyp passt, kann einen zuverlässigen Überlastschutz für jede Phase gewährleisten, einen verzögerten Start der Anlage verhindern und Störungen durch Blockieren des Rotors vermeiden.

Zu den Vorteilen der Verwendung von Stromschutzelementen zählen auch die relativ hohe Geschwindigkeit und der breite Auslösebereich sowie die einfache Montage. Um eine rechtzeitige Abschaltung des Elektromotors bei Überlast zu gewährleisten, muss das Thermoschutzrelais auf einer speziellen Plattform/einem Prüfstand eingestellt werden.

In diesem Fall wird eine Ungenauigkeit aufgrund der natürlichen ungleichmäßigen Streuung der Nennströme in den Heizelementen (HE) vermieden. Zur Überprüfung des Schutzgeräts auf dem Prüfstand wird die Methode der fiktiven Lasten angewendet.

Durch das Thermoelement wird ein elektrischer Strom mit reduzierter Spannung geleitet, um eine reale thermische Belastung zu simulieren. Anschließend wird mit einem Timer die genaue Auslösezeit fehlerfrei ermittelt.

Bei der Einstellung der Grundparameter sollten folgende Werte angestrebt werden:

• bei 1,5-fachem Strom sollte das Gerät den Motor nach 150 s abschalten;
• bei 5…6-fachem Strom sollte es den Motor nach 10 s abschalten.

Wenn die Auslösezeit nicht der Norm entspricht, muss das Relaiselement mit der Einstellschraube justiert werden.

Für eine korrekte Funktion muss das Gerät unbedingt auf den maximal zulässigen elektrischen Motorstrom und die Lufttemperatur eingestellt werden

Dies wird getan, wenn die Nennstromwerte des Heizelements und des Motors abweichen, sowie wenn die Umgebungstemperatur mehr als 10 Grad Celsius unter der Nenntemperatur (+40 °C) liegt.

Der Auslösestrom des elektrothermischen Schalters nimmt mit steigender Temperatur des betrachteten Objekts ab, da die Erwärmung des Bimetallstreifens von diesem Parameter abhängt. Bei erheblichen Abweichungen muss das Thermorelais (TR) zusätzlich justiert oder ein geeigneteres Thermoelement ausgewählt werden.

Starke Schwankungen der Temperaturwerte beeinflussen die Funktionsfähigkeit des Stromrelais erheblich. Daher ist es sehr wichtig, ein Heizelement zu wählen, das in der Lage ist, die Hauptfunktionen unter Berücksichtigung der tatsächlichen Werte effektiv zu erfüllen.

Es wird empfohlen, das Thermorelais im selben Raum wie die zu schützende elektrische Anlage zu platzieren. Sie dürfen nicht in der Nähe von Wärmeerzeugern, Heizöfen und anderen Wärmequellen montiert werden

Diese Einschränkungen gelten nicht für Relais mit Temperaturkompensation. Der Stromeinstellwert des Schutzgeräts kann im Bereich von 0,75-1,25-fachen des Nennstroms des Thermoelements eingestellt werden. Die Einstellung erfolgt schrittweise.

Zunächst wird die Korrektur E₁ ohne Temperaturkompensation berechnet:

E₁=(I_Nenn-I_HE)/c×I_HE,

Wo

• I_Nenn – der Nennlaststrom des Motors,
• I_HE – der Nennstrom des Arbeitsheizelements im Relais,
• c – der Skalenteilungswert, also der Exzenter (c=0,055 für geschützte Schütze, c=0,05 für offene).

Der nächste Schritt ist die Bestimmung der Korrektur E₂ für die Umgebungslufttemperatur:

E₂=(t_a-30)/10,

Wobei t_a (ambient temperature) die Umgebungstemperatur in Grad Celsius ist.

Letzter Schritt – Ermittlung der Gesamtkorrektur:

E=E₁+E₂.

Die Gesamtkorrektur E kann ein „+“- oder „-“-Vorzeichen haben. Falls das Ergebnis ein Bruchwert ist, muss dieser je nach Art der Stromlast auf die nächstkleinere/-größere ganze Zahl nach Betrag gerundet werden.

Um das Relais einzustellen, wird der Exzenter auf den ermittelten Gesamtkorrekturwert gedreht. Eine hohe Ansprechtemperatur verringert die Abhängigkeit des Schutzgeräts von äußeren Einflüssen.

Das thermische Schutzrelais erlaubt eine manuelle stufenlose Einstellung des Ansprechstroms innerhalb von ±25 % des Nennstroms der elektromechanischen Anlage.

Die Einstellung dieser Werte erfolgt über einen speziellen Hebel, dessen Bewegung die ursprüngliche Biegung des Bimetallstreifens verändert. Die Einstellung des Ansprechstroms in einem größeren Bereich erfolgt durch Austausch der Thermelemente.

Moderne Schaltgeräte für Überlastschutz verfügen über einen Testknopf, mit dem die Funktionsfähigkeit des Geräts ohne speziellen Prüfstand überprüft werden kann. Außerdem gibt es eine Taste zum Zurücksetzen aller Einstellungen. Diese können automatisch oder manuell zurückgesetzt werden. Darüber hinaus ist das Produkt mit einem Indikator für den aktuellen Status des Elektrogeräts ausgestattet.

Kennzeichnung von elektrothermischen Relais

Schutzgeräte werden abhängig von der Leistung des Elektromotors ausgewählt. Der Großteil der wichtigen Merkmale ist in der Typenbezeichnung verborgen.

So sieht die Kennzeichnung von Thermorelais des Werks KEAZ aus. Wichtig ist, bei der Auswahl auf den Nennstrom des betreffenden Modells zu achten, damit dieser ausreichend ist.

Besondere Aufmerksamkeit sollte auf folgende Punkte gerichtet werden:

1. Der Bereich der Einstellströme (in Klammern angegeben) unterscheidet sich bei verschiedenen Herstellern nur geringfügig.
2. Die Buchstabenbezeichnungen für die spezifische Ausführung können variieren.
3. Die Klimaversion wird oft als Bereich angegeben. Zum Beispiel ist UChL3O4 wie folgt zu lesen: UChL3-O4.

Heute kann man die unterschiedlichsten Varianten des Geräts kaufen: Relais für Wechsel- und Gleichstrom, monostabile und bistabile, Geräte mit Verzögerung beim Ein-/Ausschalten, Thermoschutzrelais mit Beschleunigungselementen, TR ohne Haltespule, mit einer oder mehreren Spulen.

Diese Parameter sind nicht immer auf der Gerätekennzeichnung ersichtlich, müssen aber im technischen Datenblatt der Elektroprodukte angegeben sein.

Mit dem Aufbau, den Varianten und der Kennzeichnung des elektromagnetischen Relais macht Sie der folgende Artikel vertraut, den wir zum Lesen empfehlen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Aufbau und Funktionsweise eines Stromrelais für den effektiven Motorschutz am Beispiel des Geräts RTT 32P:

Der richtige Überlast- und Phasenausfallschutz ist die Grundlage für einen dauerhaft störungsfreien Betrieb des Elektromotors. Ein Video darüber, wie das Relaiselement bei einem abnormalen Betrieb des Mechanismus reagiert:

Wie schließt man das thermische Schutzgerät an die MP an? Prinzipschaltbilder des thermischen Relais:

Das Überlastschutzrelais ist ein obligatorisches Funktionselement jedes Antriebssteuerungssystems. Es reagiert auf den Strom, der zum Motor fließt, und wird aktiviert, wenn die Temperatur der elektromechanischen Anlage Grenzwerte erreicht. Dadurch kann die Lebensdauer umweltfreundlicher Elektromotoren maximiert werden.

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