Überlastschutz für Elektromotoren

Wärmebilder sind eine einfache Methode, um Temperaturunterschiede in industriellen Drehstromkreisen im Vergleich zum Normalbetrieb zu erkennen. Durch den direkten Vergleich der Temperaturunterschiede aller drei Phasen können Techniker Leistungsstörungen einzelner Phasen aufgrund von Unsymmetrie oder Überlastung schnell aufspüren.

Elektrische Unsymmetrie entsteht im Allgemeinen durch unterschiedliche Phasenlasten, kann aber auch durch Geräteprobleme wie hochohmige Verbindungen verursacht werden. Eine relativ geringe Spannungsunsymmetrie am Motor führt zu einer deutlich größeren Stromunsymmetrie, die zusätzliche Wärme erzeugt und Drehmoment und Wirkungsgrad verringert. Eine starke Unsymmetrie kann eine Sicherung auslösen oder einen Schutzschalter aktivieren, was zu einphasigem Betrieb und den damit verbundenen Problemen wie Motorüberhitzung und -beschädigung führt.

In der Praxis ist es nahezu unmöglich, die Spannungen in drei Phasen perfekt auszugleichen. Um Anlagenbetreibern die Bestimmung zulässiger Unsymmetriewerte zu erleichtern, hat die National Electrical Association (NEA) Richtlinien herausgegeben.
Die Manufacturers Association (NEMA) hat Spezifikationen für verschiedene Geräte entworfen. Diese Referenzwerte dienen als nützlicher Vergleichspunkt bei Wartung und Fehlersuche.

Was ist zu überprüfen?
Erstellen Sie Wärmebilder aller Schaltschränke und anderer hochbelasteter Anschlusspunkte wie Antriebe, Trennschalter, Steuerungen usw. Wenn Sie erhöhte Temperaturen feststellen, verfolgen Sie den entsprechenden Stromkreis und untersuchen Sie die zugehörigen Zweige und Verbraucher.

Prüfen Sie Schalttafeln und andere Anschlüsse bei abgenommenen Abdeckungen. Idealerweise sollten Sie elektrische Geräte prüfen, wenn diese vollständig aufgewärmt sind und sich im stationären Betrieb mit mindestens 40 Prozent der typischen Last befinden. So lassen sich die Messwerte korrekt auswerten und mit den normalen Betriebsbedingungen vergleichen.

Worauf sollte man achten?
Eine gleichmäßige Lastverteilung sollte zu gleichmäßigen Temperaturen führen. Bei einer ungleichmäßigen Lastverteilung erscheinen die stärker belasteten Phasen aufgrund der durch den Widerstand erzeugten Wärme wärmer als die anderen. Allerdings können auch eine ungleichmäßige Lastverteilung, eine Überlastung, eine fehlerhafte Verbindung oder ein Oberwellenproblem ein ähnliches Muster hervorrufen. Zur Diagnose des Problems ist eine Messung der elektrischen Last erforderlich.

Eine ungewöhnlich niedrige Temperatur in einem Stromkreis oder einer Leitung kann auf einen Bauteilausfall hinweisen.

Es empfiehlt sich, eine regelmäßige Inspektionsroute einzurichten, die alle wichtigen elektrischen Verbindungen umfasst. Speichern Sie mithilfe der mit der Wärmebildkamera gelieferten Software jedes aufgenommene Bild auf einem Computer und verfolgen Sie Ihre Messwerte im Zeitverlauf. So erhalten Sie Referenzbilder zum Vergleich mit späteren Aufnahmen. Dieses Vorgehen hilft Ihnen festzustellen, ob eine heiße oder kalte Stelle ungewöhnlich ist. Nach erfolgten Korrekturmaßnahmen können Sie anhand neuer Bilder feststellen, ob die Reparaturen erfolgreich waren.

Was stellt eine „rote Alarmstufe“ dar?
Reparaturen sollten nach dem Sicherheitsaspekt priorisiert werden – d. h. nach dem Zustand der Anlagen, der ein Sicherheitsrisiko darstellt – gefolgt von der Kritikalität der Anlagen und dem Ausmaß des Temperaturanstiegs. NETA (International Electrical Technology Association)
Die Richtlinien der Testing Association legen nahe, dass bereits Temperaturen, die nur 1 °C über der Umgebungstemperatur und 1 °C höher als bei vergleichbaren Geräten mit ähnlicher Belastung liegen, auf einen möglichen Mangel hinweisen können, der einer Untersuchung bedarf.

Die NEMA-Normen (NEMA MG1-12.45) warnen davor, Motoren mit einer Spannungsunsymmetrie von mehr als einem Prozent zu betreiben. Tatsächlich empfiehlt NEMA, die Leistung von Motoren bei höheren Unsymmetrien zu reduzieren. Die zulässigen Unsymmetriewerte variieren je nach Gerät.

Ein Motorausfall ist eine häufige Folge von Spannungsungleichgewicht. Die Gesamtkosten umfassen die Kosten des Motors, den Arbeitsaufwand für den Motoraustausch, die Kosten für Ausschussware aufgrund ungleichmäßiger Produktion, den laufenden Betrieb der Produktionslinie und die Umsatzeinbußen während der Stillstandszeiten.

Folgemaßnahmen
Wenn eine Wärmebildaufnahme zeigt, dass ein Leiter innerhalb eines Stromkreises wärmer ist als andere Bauteile, könnte der Leiter unterdimensioniert oder überlastet sein. Überprüfen Sie die Leiterbemessung und die tatsächliche Last, um den Sachverhalt zu ermitteln. Verwenden Sie ein Multimeter mit Stromzange, ein Zangenamperemeter oder einen Netzqualitätsanalysator, um die Stromverteilung und die Belastung jeder Phase zu überprüfen.

Prüfen Sie auf der Spannungsseite die Schutzeinrichtungen und Schaltanlagen auf Spannungsabfälle. Die Netzspannung sollte im Allgemeinen innerhalb von 10 % des Nennwerts liegen. Die Spannung zwischen Neutralleiter und Erde kann ein Indikator für die Systemlast oder für Oberschwingungsströme sein. Eine Spannung zwischen Neutralleiter und Erde von mehr als 3 % der Nennspannung erfordert weitere Untersuchungen. Beachten Sie außerdem, dass sich Lasten ändern können und die Spannung einer Phase plötzlich deutlich niedriger ausfallen kann, wenn eine große einphasige Last zugeschaltet wird.

Spannungsabfälle an Sicherungen und Schaltern können sich auch als Unsymmetrie am Motor und als übermäßige Wärmeentwicklung an der Fehlerstelle bemerkbar machen. Bevor Sie die Ursache als gefunden annehmen, überprüfen Sie die Strommessungen mit einer Wärmebildkamera und einem Multimeter oder einer Stromzange. Weder die Hauptleitung noch die Abzweigleitungen dürfen bis zur maximal zulässigen Belastungsgrenze belastet werden.

Die Gleichungen zur Berechnung der Stromkreislast sollten auch Oberschwingungen berücksichtigen. Die gängigste Lösung bei Überlastung besteht darin, die Lasten auf die Stromkreise umzuverteilen oder den Zeitpunkt des Lastzuschaltens während des Prozesses zu steuern.

Mithilfe der zugehörigen Software lässt sich jedes mit einer Wärmebildkamera aufgedeckte Problem in einem Bericht dokumentieren, der ein Wärmebild und ein digitales Bild des Geräts enthält. Dies ist der beste Weg, Probleme zu kommunizieren und Reparaturvorschläge zu unterbreiten.