Dipl.-Ing. Frank Döllerer
Bei der Betrachtung der Kennlinien einiger physikalischer Größen in Abhängigkeit von der Motorlast ist festzustellen, dass der Motorstrom I sich im Bereich kleinerer und mittlerer Lasten kaum verändert. Bei kleinen Antriebsmaschinen ist dieser Effekt aufgrund der magnetischen Sättigung besonders ausgeprägt. Erst in der Phase maximaler Belastung erhöht sich der Stromwert signifikant. Die klassischen Motorschutzrelais und Motorschutzschalter werten mit ihrer stromabhängigen Bimetallauslösung genau diesen Bereich aus und sind so in der Lage, die Antriebsmaschinen vor Überlastung zu schützen.
Die Kurve des Leistungsfaktors cos w zeigt einen nahezu gegensätzlichen Verlauf, denn sie weist im unteren Lastbereich des Motors die größten Veränderungen auf. Steigt die Motorleistung, variiert der Leistungsfaktor nur noch marginal. Aufgrund dieses Kurvenverlaufs bietet sich cos w an, um Belastungsänderungen im Bereich des Motorleerlaufs zu detektieren und Antriebselemente gegen Unterlast zu schützen. Leider werden sowohl Leistungsfaktor als auch Motorstrom erheblich durch Spannungsschwankungen beeinflusst und liefern dann ungenaue Werte.
Nur die Wirkleistung P hat einen fast linearen Kurvenverlauf – und das unabhängig von der Motorbelastung. In ihrer Berechnungsformel ist der Spannungseinfluss schon enthalten und tritt daher nicht als externe Störgröße auf. In der Realität sind die Elektromotoren in den meisten Anwendungsfällen überdimensioniert. Gründe hierfür liegen in einer längeren Lebensdauer der verwendeten Motorlager, dem Wunsch nach einer Leistungsreserve oder einer geringeren Lagerhaltung, weil nur wenige Motortypen bevorratet werden. Als Nachteil der Überdimensionierung muss eine geringere Belastung des Motors in Kauf genommen werden, dessen volles Belastungsspektrum nicht ausgeschöpft wird. Signifikante Änderungen des Motorstroms liegen nicht mehr im typischen Lastbereich und sind so für den Überlastschutz der angetriebenen Mechanik wirkungslos.
Die Bimetallauswertungen klassischer Lösungen eignen sich außerdem meist nicht für den Anlagenschutz. Da sie den normalen Startvorgang eines Elektromotors mit dem fünf- bis siebenfachen Nennstrom zulassen sollen, reagieren sie eher träge auf Überhöhungen des Stroms. Eine Class-10-Kurve mit einer vergleichsweise schnellen Auslösecharakteristik benötigt beim siebenfachen Nennstrom etwa 9 s, bevor sie für das Abschalten des Motors sorgt. Welchen Schaden die nachgeschaltete Mechanik in dieser Zeit nimmt, ist applikationsbedingt unterschiedlich und reicht vom erhöhten Verschleiß bis zur kompletten Zerstörung. Soll also auch die Mechanik geschützt werden, ist eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit unerlässlich.
Im Gegensatz zur Strombetrachtung erkennt die Wirkleistung mit ihrem linearen Verlauf alle Belastungszustände und charakterisiert das Drehmoment der Antriebsmaschine. Auf dieser Grundlage lässt sich ein effizienter Anlagenschutz realisieren, der neben dem Motor auch die meist teureren Aggregate oder die Anlagenmechaniken wirkungsvoll schützt.
