Phasenmessrelais Überwachungsrelais für den Maschinenschutz auswählen

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Phasenmessrelais sind wichtig für den Schutz von Maschinen und Anlagen. Wir diskutieren mögliche Fehlerarten von Motoren, die Funktionsweise von Phasenmessrelais sowie Anwendungen von Dreiphasen-Überwachungsrelais anhand von Praxisbeispielen.

Drehstrommotoren treiben Maschinen und Anlagen in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK), in der Wasseraufbereitung, im Materialtransport, in Werkzeugmaschinen, in der Schifffahrt und in der Luftfahrt an. Diese Anlagen können durch eine Reihe von Fehlerzuständen beschädigt werden, die zu einem Ausfall oder zumindest zu einer verkürzten Lebensdauer führen, was erhebliche Ausfallzeiten und Reparaturkosten zur Folge hat.

Phasenüberwachungsrelais werden eingesetzt, um diese Fehler zu erkennen, die Bediener zu benachrichtigen und die Maschine zu stoppen, bevor ein dauerhafter Schaden entsteht. Die Relais erkennen, ob alle drei Phasen vorhanden sind, die richtige Reihenfolge aufweisen und ihre Spannung innerhalb des korrekten Bereichs liegt. Tritt ein Fehler auf, öffnet das Relais eine Reihe von Kontakten, die einen Alarmzustand auslösen oder die Maschine abschalten.

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Es gibt eine große Auswahl von Phasenmessrelais, die eine breite Palette von Spannungen, dreiphasigen Konfigurationen und Fehlerbedingungen abdecken. Dieser Artikel beschäftigt sich mit möglichen Fehlerarten von Motoren und der Funktionsweise von Phasenmessrelais. Anschließend wird die Auswahl und Anwendung von dreiphasigen Überwachungsrelais anhand von Beispielen aus der Praxis von Carlo Gavazzi beschrieben.

Funktionen des Phasenüberwachungsrelais

Phasenüberwachungsrelais bieten eine Reihe von Funktionen, um den Zustand der dreiphasigen Stromquelle zu kontrollieren. 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 Spannung wird mithilfe einer TRMS-Messung (True Root Mean Square) ermittelt. Das Relais wird deaktiviert, wenn die Amplitude unter einen voreingestellten Schwellenwert fällt.

Einige Geräte bieten die gleiche Amplitudenüberwachung, gestatten aber vom Benutzer einstellbare Grenzwerte. Eine Reihe von Relaismodellen überwacht Phasenasymmetrie und -toleranz. Alle Relais verfügen über eine Auslöseverzögerung bei Spannungspegel- oder Asymmetrieproblemen, um Fehlschaltungen zu verhindern. Bei einigen Modellen ist die Verzögerung programmierbar.

Optionen für Phasenüberwachungsrelais

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

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 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 Bild 2), oder es kann mit einem dreiphasigen Motor kombiniert werden (Beispiel 2).

Wenn in einer der beiden Anwendungen ein Fehlerzustand auftritt, öffnet ein mit dem Relais verbundenes Schütz den weiterführenden Drehstromkreis, während das Überwachungsrelais mit der Stromquelle verbunden bleibt.

Überwacht ein Relais eine dreiphasige Leitung ohne Motor, lässt sich eine tote Phase ohne Probleme erkennen, da der Pegel des fehlenden Eingangs deutlich abfällt. Wird ein Überwachungsrelais hingegen mit einem Motor in Betrieb verbunden, neigt der Motor dazu, die fehlende Phase aufgrund der internen induktiven Kopplung zu kompensieren.

Das Relais ist so eingestellt, dass es eine fehlende Phase erkennt, solange die Amplitude weniger als 85 Prozent der dreiphasigen Nennspannung beträgt. Daher ist es wichtig zu überprüfen, ob die Rückspeisung des Motors weniger als 85 Prozent der Netznennspannung beträgt.

Kundenspezifische Über- oder Unterspannungsschwelle

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 (Bild 3).

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 V AC als Netz-zu-Netz-Spannungen und 220, 230, 240 und 277 V AC 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 Prozent der Nennspannung eingestellt, mit dem mittleren Regler die obere Spannungsschwelle von 2 bis 22 Prozent der Nennspannung. Mit dem unteren Regler wird die Betriebsverzögerung von 10 ms bis 30 s eingestellt.

Die Verzögerung soll verhindern, dass kurzzeitige Spannungsspitzen das Relais versehentlich auslösen. Darüber hinaus befinden sich auf der Vorderseite drei LEDs, die den Status anzeigen. Eine grüne LED zeigt an, dass das Gerät eingeschaltet ist. Eine gelbe LED verweist darauf, 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.

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Messrelais: Fehler durch Über- oder Unterspannung

Ist der Fehler auf eine Über- oder Unterspannung zurückzuführen, blinkt die rote LED mit einer Frequenz von 2 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 (Bild 4) bietet. Dieses Relais zur Hutschienenmontage überwacht Phasenfolge und Phasenausfall sowie Unter- und Überspannung, Phasensymmetrie und Toleranz. Es 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 Überwachungsfunktionen für Überspannung/Unterspannung oder Asymmetrie/Toleranz.

Relais: Drei Betriebsmodi für die Alarmtypen

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 (Bild 5). Im Allgemeinen sollte die Asymmetrie der Drehstromleitungen weniger als 2 Prozent betragen, um eine Überhitzung eines Drehstrommotors zu vermeiden. Die Asymmetrie- und Toleranzskalen des DPC01CM69 decken Bereiche von 2 bis 22 Prozent 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. (kr)

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei DigiKey in München.

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