Schutz von Elektromotoren: Bei welchem Fehler greifen Überlastrelais, Sicherung und MPCB?

Wenn wir den Schaltschrank eines durchgebrannten Pumpenmotors öffnen, bietet sich oft dasselbe Bild: Das Überlastrelais ist vorhanden, die Kontakte sind intakt, doch der Einstellknopf steht auf 32 A. Auf dem Typenschild des Elektromotors stehen dagegen 21 A. Das Relais hat nie ausgelöst, weil der Antrieb selbst bei 28 A noch unter dem Einstellwert lag. Die Wicklung wurde mehrere Wochen lang zu heiß, bis die Isolation schließlich versagte. Der Schaltschrank wirkte „geschützt“, doch der Schutz war nach der Größe des Schützes eingestellt worden, nicht nach dem Elektromotor.

Beim Motorschutz geht es nicht darum, dass ein Gerät vorhanden ist, sondern darum, zu wissen, welches Gerät auf welchen Fehler reagiert, und jedes auf den richtigen Wert einzustellen. Überlastrelais, Sicherung, Motorschutzschalter (MPCB), Phasenüberwachungsrelais und in die Wicklung eingebettete Sensoren ersetzen einander nicht; jedes erkennt eine andere Gefahr.

Vier verschiedene Situationen, die einen Elektromotor zerstören

Bevor Sie die Schutzkette aufbauen, sollten Sie unterscheiden, wogegen Sie schützen. Hinter Motorausfällen in der Praxis steckt meist eine dieser vier Situationen:

• Langsam entstehende Überlast: Das Pumpenlaufrad ist verschlissen, das Förderband überladen oder der Riemen zu straff. Der Strom überschreitet den Nennwert um 10–30 Prozent, und dieser Zustand hält stundenlang an. Der Elektromotor dreht weiter, während die Wicklung langsam altert.
• Kurzschluss und Erdschluss: Eine gelockerte Verbindung im Klemmenkasten, ein gequetschtes Kabel, eine durchgeschlagene Wicklung. Der Strom steigt innerhalb von Millisekunden auf ein Vielfaches des Nennwerts.
• Phasenausfall und Unsymmetrie: Eine Sicherung löst aus oder ein Kontakt brennt ab. Der Drehstrommotor läuft auf zwei Phasen weiter, zieht über die verbleibenden Phasen zu viel Strom und erwärmt sich.
• Ausfall der Kühlung: Die Lüfterhaube ist mit Staub zugesetzt, die Umgebungstemperatur gestiegen, oder der Antrieb läuft am Umrichter lange mit niedriger Drehzahl. Der Strom erscheint normal, doch die Wicklungstemperatur überschreitet den Grenzwert.

Der letzte Punkt ist wichtig: Kein Gerät, das mit Strommessung arbeitet, kann die vierte Situation direkt erkennen. Deshalb ist die Annahme irreführend, mit einem einzigen Gerät sei „vollständiger Schutz“ gewährleistet.

Überlastrelais: Wo liest man den Einstellwert ab?

Das thermische Überlastrelais bewertet den Strom in Abhängigkeit von der Zeit. Kurze Überschreitungen, etwa den Anlaufstrom, toleriert es; je länger die Überschreitung andauert, desto kürzer wird die Auslösezeit. Nützlich wird dieses Verhalten nur durch den richtigen Einstellstrom, und dieser Wert wird vom Typenschild abgelesen – aus der Stromzeile, die der tatsächlich angeschlossenen Spannung entspricht. Am 400-V-Netz gilt bei einem Elektromotor mit Typenschild 230/400 V der niedrigere Strom für 400 V, bei einem Elektromotor mit 400/690 V der Strom in der Zeile 400 V (Dreieck). Für die richtige Deutung des Typenschilds hilft die zeilenweise Erklärung im Beitrag zum Lesen des IE3-Typenschilds.

Die Auslöseklasse des Relais ist ebenso wichtig wie die Einstellung. In der allgemeinen Praxis reicht Class 10 für Pumpen und Ventilatoren, deren Anlauf in wenigen Sekunden abgeschlossen ist. Ein Ventilator mit großem Trägheitsmoment, ein unter Last anlaufendes Rührwerk oder ein Brecher brauchen für den Anlauf länger. Wird bei diesen Lasten nicht Class 20 oder 30 gewählt, löst das Relais aus, bevor der Antrieb seine Drehzahl erreicht hat, und der Bediener „löst“ das Problem oft, indem er den Einstellwert erhöht. Damit bleibt der Elektromotor ungeschützt.

Sicherung und MPCB: Wer ist für den Kurzschluss zuständig?

Die eigentliche Aufgabe der Sicherung ist es, nicht den Elektromotor, sondern Kabel und Schaltschrank vor Kurzschluss zu schützen. In Motorstromkreisen werden Sicherungen gewählt, die den Anlaufstrom tolerieren: Die aM-Sicherung ist ausschließlich für den Kurzschlussschutz ausgelegt und erfordert zwingend ein zusätzliches Überlastelement; die gG-Sicherung ist für allgemeine Zwecke gedacht und muss im Motorstromkreis gegebenenfalls eine Stufe größer gewählt werden. Wird die Sicherung größer als nötig gewählt, damit sie beim Anlauf nicht auslöst, verlängert sich die Abschaltzeit im Kurzschlussfall, und das Risiko einer Beschädigung von Kabel und Schütz steigt.

Der MPCB vereint thermische und magnetische Auslösung in einem Gehäuse. Er hat einen einstellbaren Strombereich, und der Bereich des gewählten Geräts sollte den Nennstrom des Elektromotors in der Mitte oder nahe der Mitte abdecken. Bei kleinen und mittleren Leistungen ist er hinsichtlich Platzbedarf im Schaltschrank und Verdrahtung eine praktische Lösung. Zusätzlich ist zu prüfen, ob sein Kurzschlussschaltvermögen dem an dieser Stelle der Anlage zu erwartenden Kurzschlussstrom gewachsen ist. Bereichsauswahl und die schrittweise Einstelllogik sind im Beitrag zur Auswahl und Einstellung des MPCB ausführlich beschrieben.

Ein Zahlenbeispiel: 11-kW-Pumpenmotor, 4-polig

Betrachten wir einen 4-poligen IE3-Elektromotor mit 11 kW am 400-V-Netz. Zur näherungsweisen Berechnung des Nennstroms dient die Formel I = P / (√3 × U × cosφ × η). Die Wirkungsgradgrenze für IE3 liegt bei dieser Leistung und 4 Polen bei 91,4 %. Nehmen wir für den Leistungsfaktor einen typischen Wert von 0,84 an:

I ≈ 11000 / (1,732 × 400 × 0,84 × 0,914) ≈ 20,7 A

Dies ist nur eine Kontrollrechnung; für die Einstellung wird immer der Wert vom Typenschild verwendet. Angenommen, auf dem Typenschild steht ein Wert um 21 A:

• Direktanlauf (DOL): MPCB oder Überlastrelais werden aus einem Modell gewählt, dessen Bereich 21 A bequem abdeckt, und auf 21 A eingestellt. Auf der Kurzschlussseite greift die aM-Sicherung, die den Anlaufstrom verträgt, oder der magnetische Auslöser des MPCB.
• Stern-Dreieck-Anlauf: Wird das Überlastrelais nach dem Hauptschütz im Wicklungsstrang angeschlossen, erfasst es den Wicklungsstrom. Dieser beträgt 1/√3 des Leiterstroms: 21 × 0,58 ≈ 12,2 A. Wird das Relais auf 21 A eingestellt, bleibt der Elektromotor selbst bei rund 70 Prozent Überlast ungeschützt. Sitzt das Relais in der Zuleitung, also vor den Schützen, erfolgt die Einstellung wieder nach dem Leiterstrom.

In einer Stern-Dreieck-Schaltung darf die Einstellung nicht vorgenommen werden, ohne die Position des Relais im Schaltplan zu prüfen. Dieses Verfahren eignet sich nur für Elektromotoren, die an 400 V in Dreieck laufen, also mit 400/690-V-Wicklung.

Phasenausfall: Der Strom wirkt korrekt, doch der Elektromotor wird überlastet

Viele Überlastrelais und MPCB erkennen den Stromunterschied zwischen zwei Phasen und lösen bei Phasenausfall schneller aus. Dieser Schutz greift jedoch nur, wenn der Antrieb belastet ist und der Strom deutlich steigt. Ein Elektromotor, der bei geringer Last eine Phase verliert, kann unter dem Einstellstrom bleiben, doch der unsymmetrische Strom erzeugt zusätzliche Erwärmung im Rotor. In Regionen mit häufigen Spannungsschwankungen, auf generatorgespeisten Baustellen oder in unbeaufsichtigten Pumpstationen ist ein separates Phasenüberwachungsrelais sinnvoll. Es überwacht Phasenfolge, Unter- und Überspannung sowie Unsymmetrie. Die Logik des Multifunktionsschutzes für große Antriebe wird im Beitrag zu den Schutzrelaisfunktionen 46, 37, 49 und 48 Nummer für Nummer erläutert.

Der Blick in die Wicklung: PTC und PT100

Eine zugesetzte Lüfterhaube oder langer Betrieb mit niedriger Drehzahl am Umrichter erwärmen die Wicklung, ohne den Strom zu erhöhen. Ein in die Wicklung eingebetteter PTC-Thermistor erhöht bei einer bestimmten Temperatur seinen Widerstand sprunghaft und lässt über ein separates Thermistorrelais das Schütz abfallen. Der PT100 misst die Temperatur dagegen kontinuierlich; es lassen sich zwei Stufen definieren, Voralarm und Abschaltung. Bei den Drehstromreihen von HEM Motor sind PTC- und PT100-Wicklungstemperatursensoren optional erhältlich und müssen bei der Bestellung angegeben werden. Elektromotoren mit eingebautem, aber nicht an ein Thermistorrelais angeschlossenem Sensor sind in der Praxis erstaunlich häufig. Zur Sensorauswahl und zu Anschlussdetails ist der Beitrag zur Überwachung der Wicklungstemperatur hilfreich.

Häufige Schutzfehler im Schaltschrank

• Einstellung des Überlastrelais nach dem Strom des Schützes oder Kabels.
• Einstellung auf den Leiterstrom in der Stern-Dreieck-Schaltung, ohne die Position des Relais zu prüfen.
• Einsatz eines Class-10-Relais bei einer Last mit langem Anlauf und anschließendes Hochsetzen des Einstellwerts.
• Beibehaltung der Schutzeinstellung des alten Antriebs nach einem Austausch des Elektromotors. Bei gleicher kW-Zahl bedeutet eine andere Polzahl einen anderen Strom.
• Unangeschlossen im Klemmenkasten belassenes PTC-Kabel.
• Vergrößerung der Sicherung um zwei Stufen, weil sie beim Anlauf auslöst.

Die Schutzkette schon bei der Bestellung bedenken

Richtiger Schutz ist kein nachträglich ergänztes Zubehör, sondern ein System, das gemeinsam mit dem Elektromotor geplant wird. Sind Nennstrom, Anlaufverfahren, Anlaufzeit der Last und Umgebungsbedingungen bekannt, stehen Relais, Sicherung und Sensoren von Anfang an fest. Eine Checkliste, welche Ausstattung zusammen mit dem Elektromotor angefragt werden sollte, finden Sie im Beitrag Schutzeinrichtungen. Benötigen Sie einen Drehstrom-Elektromotor mit PTC- oder PT100-Sensor, können Sie sich mit Ihren Anwendungsdaten an unser technisches Team wenden.

Häufig gestellte Fragen

Ist es richtig, das Überlastrelais etwas über dem Typenschildstrom einzustellen?

In der allgemeinen Praxis wird der Einstellwert gleich dem Nennstrom auf dem Typenschild gewählt. Das Überlastrelais toleriert kurze Überschreitungen ohnehin. Überschreitet der Elektromotor den Typenschildstrom dauerhaft, liegt das Problem nicht in der Einstellung, sondern in der Last oder der Motorauswahl; ein höherer Einstellwert verdeckt dieses Problem nur.

Braucht man neben der Sicherung noch ein Überlastrelais?

Ja. Eine Sicherung wird nicht so ausgewählt, dass sie auf eine stundenlange Überlast von 20–30 Prozent reagiert; da sie beim Anlaufstrom nicht auslösen darf, liegt ihr Wert weit über dem Motorstrom. Eine langsam entstehende Überlast schaltet das Überlastrelais oder der thermische Teil des MPCB ab.

Auf wie viel Ampere wird das Überlastrelais in der Stern-Dreieck-Schaltung eingestellt?

Ist das Relais im Wicklungsstrang, also am Ausgang des Hauptschützes, angeschlossen, sollte die Einstellung etwa das 0,58-Fache des Leiterstroms vom Typenschild betragen. Sitzt das Relais vor den Schützen in der Zuleitung, wird es auf den Leiterstrom eingestellt. Vor der Entscheidung ist die Position des Relais im Schaltplan zu prüfen.

Braucht ein Elektromotor mit PTC-Sensor zusätzlich ein Überlastrelais?

Ja, beide überwachen unterschiedliche Größen. Der PTC misst die Wicklungstemperatur und erfasst den Ausfall der Kühlung; das Überlastrelais überwacht den Strom und kann bei schnell entstehenden Zuständen wie einem blockierten Rotor rascher reagieren. Gemeinsam eingesetzt decken beide Schutzarten die blinden Flecken der jeweils anderen ab.

Für die Einstellung von Überlastrelais und Schalter wird der Nennstrom des Elektromotors benötigt. Die Strom- und Anlaufstromwerte der Modelle von HEM Motor bei 380/400/415 V finden Sie in der Stromtabelle für Elektromotoren.