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Überwachungsrelais sorgen für Sicherheit und Verfügbarkeit

Bild 1. Um für jede Überwachungsaufgabe die richtige Lösung zu bieten, steht eine komplette Produktfamilie zur Verfügung

Bild 2. Die einfache Einstellung mit dem Schraubendreher am Beispiel des Wirkleistungswächters

Bild 3. Farbige LED melden eine korrekte Versorgungsspannung sowie den Relais-Zustand und eine Schwellwertüberschreitung

Bild 4. Einstellmöglichkeiten und Funktionsauswahl bei einem Functionline-Gerät

Nur wenn die Netzparameter kontinuierlich überwacht werden, ist ein störungsfreier und wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich. Durch den Einsatz von Überwachungsrelais sind unnötige Stillstandszeiten vermeidbar. Zudem lassen sich Wartungsarbeiten effizient planen.

Die Prozessabläufe in elektrischen Maschinen und Anlagen sind durch eine steigende Komplexität gekennzeichnet. Ob in der Automatisierungs- und Anlagentechnik, im Maschinenbau, der chemischen Industrie oder Energietechnik: die Anforderungen an die Sicherheit und Verfügbarkeit der Applikationen erhöhen sich ständig. Deshalb stellt Phoenix Contact mit der Produktfamilie EMD eine Vielzahl unterschiedlicher Überwachungsrelais für jede Aufgabenstellung zur Verfügung. Alle Geräte bis 400 V sind in einem 22,5 mm schmalen industrietauglichen Gehäuse erhältlich. Aufgrund ihrer höheren Spannungsfestigkeit beträgt die Baubreite der Überwachungsrelais für Spannungen über 400 V 45 mm (Bild 1).

Einfache Einstellung und Visualisierung
Sämtliche Überwachungsrelais kennzeichnen sich durch eine einfache Handhabung. Die Einstellungen können mit einem Schraubendreher vorgenommen werden, da sich die Drehschalter und Potentiometer an der Vorderseite der Geräte befinden. Eine Programmierung oder Konfiguration über den PC ist nicht notwendig. Obwohl sich die Relais einfach einstellen lassen, bieten sie viele Varianten und Funktionskombinationen (Bild 2). Die verschiedenen Betriebszustände signalisieren farbige LED. Beim Über- oder Unterschreiten festgelegter Schwellwerte schalten die Relais (Bild 3). Die potentialfreien Kontakte können dabei optische oder akustische Signale aktivieren, den Fehler an die Steuerung übertragen oder den gefährdeten Maschinen- oder Anlagenteil direkt stillsetzen.
Sollen kurzzeitig Messwerte toleriert werden, die außerhalb des definierten Überwachungsbereichs liegen – beispielsweise ein Spannungseinbruch durch das Zuschalten großer Verbraucher –, lässt sich eine Ansprechverzögerung bis 10 s einstellen. Damit sie weltweit verwendet werden können, haben die Überwachungsrelais der EMD-Serie eine variable Spannungsversorgung. Bei Geräten mit Stecktrafo lässt sich die Versorgungsspannung durch Nutzung unterschiedlicher Power-Module im Bereich von 24 V bis 500 V anpassen. Relais mit integriertem Weitbereichs-Netzteil erlauben die Versorgung mit Spannungen von 24 V bis 240 V.

Einstellbare Funktion
Das Portfolio gliedert sich in eine Standardline (SL) und eine Functionline (FL). Während die Geräte der Standardline nur eine Funktion unterstützen, lassen sich die Funktionen bei den Functionline-Relais über einen Drehschalter auswählen. Zur Stromüberwachung kann der Anwender zum Beispiel die Funktionen Unterstrom, Überstrom und Window einstellen. Bei der Spannungsüberwachung ist die Kontrolle von Unterspannung, Überspannung und Window möglich (Bild 4). Das Phasenüberwachungsrelais dient dem Monitoring von Phasenfolge, Phasenausfall und Asymmetrie der Leiterspannungen. Das Gerätespektrum umfasst ferner Relais zur Überwachung der Motorwicklungs-Temperatur über PTC sowie der Last und Wirkleistung.

Überwachung von Strömen und Spannungen
Die Stromüberwachungsrelais der EMD-Serie sind für einphasige Gleich- und Wechselströme bis 10 A erhältlich. Unterschiedliche Eingangsbereiche, wie 100 mA, 1 A und 10 A, ermöglichen eine feinstufige Definition der Schaltschwellen. Auf Überstrom werden beispielsweise Motoren, Hebezeuge, Transporteinrichtungen oder Förderschnecken kontrolliert, um Überlastsituationen oder Blockaden zu vermeiden. Eine Unterstromüberwachung dient dem Monitoring der Funktion von elektrischen Verbrauchern, wie Lüftermotoren oder Heizungen in Batterieräumen. Darüber hinaus gibt die Funktion einen Hinweis auf Verschleiß, sodass eine vorbeugende Wartung gezielt eingeleitet werden kann.
Mithilfe von Spannungsüberwachungsrelais lassen sich Netz- oder Batteriespannungen kontrollieren. Obwohl etwa 85 % aller auftretenden Netzstörungen Unterspannungsfehler sind, werden sie als weniger kritisch angesehen. Betriebsmittel, wie Relais, Schütze und Asynchronmotoren, sind bei einer Unterspannung jedoch einer größeren thermischen Belastung ausgesetzt. Melden die Spannungsüberwachungsrelais nun eine Unterspannung, lassen sich die Anlagen und Steuerungen definiert herunterfahren, ohne dass es zu Beschädigungen kommt.
Im Rahmen einer Überspannungsüberwachung werden Anlagen und Geräte vor Zerstörung geschützt, weil Überspannungen schnell in einer schädlichen Temperaturerhöhung resultieren können. Die Spannungsüberwachungsrelais der EMD-Serie sind für einphasige Gleich- und Wechselspannungen bis 300 V sowie für dreiphasige Spannungen von 230 V bis 690 V verfügbar.

Phasen- und Temperaturüberwachung
Mit den Phasenüberwachungsrelais werden Phasenfolge und -ausfall sowie Asymmetrie kontrolliert. Ändert sich die Phasenfolge durch das Vertauschen zweier Außenleiter, beeinflusst dies die Drehrichtung der Motoren. So würde ein Förderband seine Laufrichtung wechseln und ein Scroll-Verdichter in einer Kältemaschine zerstört werden. Die Überwachung der Phasenfolge erweist sich auch bei mobilen Verbrauchern als sinnvoll. Steht in einem dreiphasigen Versorgungsnetz ein Außenleiter nicht zur Verfügung, führt dies zu undefinierten Anlagenzuständen. Das Anlaufen von Motoren ist nicht sichergestellt, während laufende Motoren durch die ungleichmäßige Belastung geschädigt werden. Fällt eine Phase aus, kann in ihr zudem eine durch generatorische Rückspeisung erzeugte Spannung vorliegen, die über die Asymmetrieüberwachung im Relais erkannt wird. Asymmetrien entstehen auch aufgrund ungleichmäßiger Lastverteilung in einem Dreiphasensystem. Bei asymmetrischer Versorgung sinkt der Wirkungsgrad des Motors und ein Teil der Energie wird in Blindleistung umgewandelt, wobei der Motor einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt ist.
Temperaturabhängige Widerstände – PTC gemäß DIN 44081 – werden häufig vom Motorhersteller in die Motorwicklung integriert. Die Anschlüsse sind bereits auf das Klemmbrett herausgeführt. Bei steigender Belastung ändert sich die Wicklungstemperatur und somit der Widerstandswert des PTC, der vom Temperaturüberwachungsrelais ausgewertet wird. An ein solches Relais lassen sich bis zu sechs PTC anschließen. Überschreitet der Summenwiderstand den Wert von 3,6 kOhm, schaltet das Relais. Eine Meldung wird an die Steuerung weitergeleitet oder der Motor zum Schutz vor thermischer Belastung stillgesetzt. Der Anwender kann die Meldung zurücksetzen, wenn der Summenwiderstand unter 1,8 kOhm liegt.

Kontrolle der Last- und der Wirkleistung
Die auf cos phi basierende sowie einfach nachrüstbare Lastüberwachung kontrolliert Motoren ohne zusätzliche Sensoren auf Über- und Unterlast. Die Auswertung erfolgt über den Phasenverschiebungswinkel phi zwischen Strom und Spannung, der abhängig von der abgegebenen Leistung schwankt. Da sich der cos phi im Bereich unterhalb der Nennlast erheblich ändert, eignet sich das Verfahren insbesondere zur Unterlastüberwachung. Mögliche Anwendungen sind die Erkennung von Werkzeugverschleiß, das Monitoring von Keilriemen auf Schlupf und Riss sowie von Pumpen auf Fördermenge und Leerlauf. Ferner bietet sich die Lastüberwachung zur Prüfung von Luftmengen in Klima- und Lüftungsanlagen sowie der Fördermenge und Antriebskraft an Fördermitteln an.
Mit dem Wirkleistungswächter lässt sich die Wirkleistungsaufnahme von Maschinen und Anlagen in sinusförmigen ein- und dreiphasigen Netzen bis 480 V überwachen. Der Strom wird nur in einem Außenleiter erfasst, weshalb sich das Gerät zur Kontrolle symmetrischer Lasten im Bereich von 37,5 W bis 7,2 kW eignet. Ströme bis 12 A sind direkt messbar, während bei größeren Strömen ein Stromwandler erforderlich ist. Weil die Parameter Strom, Spannung und cos phi in die Ermittlung der Wirkleistung einfließen, kann man den Wirkleistungswächter im Unter- und im Überlastbereich einsetzen.

Fazit
EMD-Relais von Phoenix Contact überwachen die Größen Strom, Spannung, Phasenfolge und -ausfall, Asymmetrie, Wicklungstemperatur sowie Leistung. Neben ihrer schmalen Bauform überzeugen die Geräte durch robustes Design, einfache Bedienbarkeit sowie die individuelle Kombination von Funktionen. Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Nennspannungen mit weit einstellbaren Überwachungsbereichen, angepasster Versorgungsspannung und entsprechenden Zulassungen sind die Überwachungsmodule weltweit einsetzbar.

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Autor: Dipl.-Ing. Ulrich Hoppe arbeitet im Bereich Product Marketing Analog bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.