Motorsteuerungen

Typen, Anforderungen sowie Diagnose und Reparatur gehören zu den Aspekten von Motorcontrollern, die in dieser Übersicht behandelt werden.

Der National Electrical Code (NEC), der für Themen zuständig ist, in denen er in Kraft getreten ist, legt fest, dass jeder Elektromotor eine Steuerung haben muss. Eine Motorsteuerung kann eine Vielzahl von Funktionen ausführen. Ein Hauptzweck besteht darin, ein Mittel bereitzustellen, um den Motor davon zu trennen the source der Macht. Dies kann entweder automatisch oder manuell auf Anweisung des Bedieners geschehen. Dies kann bei zu hoher Motortemperatur, Stromfluss in den Versorgungsleitern, Klemmung oder Fehlfunktion der Last oder aus anderen Gründen, für die es angegeben ist, auftreten. In einer Aufzugsanlage beispielsweise läuft der Motor nicht, wenn ein Türsensor anzeigt, dass eine Kabinentür offen ist.

Neben dem Starten und Stoppen des Motors gehören zu den Steuerungsfunktionen die Wahl der Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung, die Steuerung von Drehzahl und Drehmoment sowie der Schutz vor Überlast und Fehlern. Das ist nur eine unvollständige Liste. Die Komplexität und der Funktionsumfang einer Motorsteuerung können mit der eines Personal Computers konkurrieren. Ein Beispiel ist die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ein anderes ist die Aufzugsbewegungssteuerung. Es gibt keine feste Trennlinie zwischen diesen beiden und einem Motorcontroller.

Unabhängig vom Grad der Ausgereiftheit müssen alle diese Geräte in den USA und anderen Gebieten, in denen sie zuständig ist, den NEC entsprechen. Da dies ein guter Ausgangspunkt für die Auslegung einer Motorinstallation ist, werden in diesem Artikel die grundlegenden Anforderungen betrachtet.

Motorsteuerkreise werden in Teil VI von „NEC-Artikel 430: Motoren, Motorkreise und Steuerungen“ behandelt. Teil VII behandelt Motorsteuerungen. Ein wichtiges Unterthema im Abschnitt über Motorsteuerkreise ist der Überstromschutz. Es ist wichtig, dass die Strombelastbarkeit richtig berechnet wird, wenn die Leiter spezifiziert werden, die einen Motorcontroller mit Strom versorgen. Natürlich ist die Stromaufnahme der Steuerung geringer als die Stromaufnahme des Motors, aber wenn die Leiter unterdimensioniert sind, besteht Brandgefahr. Und wenn die Steuerung aufgrund einer falsch ausgelegten Stromversorgung ausfällt, kommt es zu einem Ausfall des Motors. Die Ergebnisse können von Unannehmlichkeiten und Produktivitätsverlust bis hin zu schwerwiegenden Gefahren reichen, wie im Fall eines Feuerlöschpumpenmotors, der nicht wie erwartet funktioniert. Aus diesem Grund sieht eine Ausnahme im NEC vor, dass für Steuerstromkreise, für die deren Öffnung eine Gefahr darstellen würde, die Leiter nur einen Kurzschluss- und Erdschlussschutz benötigen und durch den Motorabzweig geschützt werden dürfen, Kurzschluss -Stromkreis- und Erdschluss-Schutzeinrichtungen. Dabei wird vom üblichen Szenario ausgegangen, dass die Stromversorgung des Motorcontrollers von der Lastseite der Motorabzweigschutzeinrichtung abgegriffen wird.

Überstromschutz

Der Überstromschutz für Motoren ist aufgrund des hohen Anlaufstroms etwas komplexer als bei anderen Lastarten. Alle Lasten sind so, aber Motoren sind es noch mehr. Die Ruheträgheit muss überwunden und der Rotor auf Drehzahl gebracht werden, bevor sich der Stromfluss in Rotor und/oder Stator stabilisiert. Dies ist eine weitaus größere Aufgabe, als eine Glühbirne auf volle Helligkeit zu bringen. Folglich besteht ein schwerwiegendes Überstromschutzdilemma. Wenn ein konventioneller Überstromschutz vorgesehen ist, wie bei nicht motorischen Lasten, löst der Leistungsschalter einige Sekunden nach dem ersten Anlauf (bevor der Motor die Nenndrehzahl erreicht) aus.

Um diese schwierige Situation zu lösen, wurde ein zweistufiges Überstromschutzschema entwickelt, das nur für Motoren zugelassen ist. Die Überstromeinrichtung am stromaufwärts liegenden Ende des Abzweigstromkreises, entweder in der Klingeltableau oder am stromabwärts gelegenen Ende eines Abgangs in einem Verteilerkasten, darf auf einem viel höheren (weniger empfindlichen) Niveau als bei anderen Typen verwendet werden von Lasten. Dieser Unterbrecher bzw. diese Sicherung dient nur zum Schutz der Abzweigleiter im Falle eines Kurzschlusses oder Erdschlusses. Was passiert also bei einem untergeordneten Fehler (zB Überlastung am Motor)? In diesem Fall wird der Schutz durch eine untergeordnete (empfindlichere) Überstromvorrichtung bereitgestellt, die sich normalerweise in der Nähe des Motors befindet. Es ist träge, so dass der Motor starten kann, ohne dass der Stromkreis auslöst. Diese Überlastvorrichtung ist häufig in die Motorsteuerung integriert und befindet sich innerhalb dieses Gehäuses. Keine dieser beiden Überstromschutzvorrichtungen allein würde einen guten Schutz für einen Motor bieten, aber sie sind in Kombination völlig ausreichend. In einer industriellen Umgebung ist es eine gute Praxis, die Motorabzweigleiter in metallischen Schutzrohren zu verlegen, um zusätzlichen Schutz vor Feuer- und Stromschlaggefahr zu bieten.

Um den maximalen Nennwert der Überstromschutzeinrichtung in Verbindung mit einem Motorsteuerkreis zu bestimmen, enthält Tabelle 430.72(B) im NEC 2014 die Werte in Ampere. Die Leitergrößen des Steuerstromkreises 18-10 AWG korrelieren mit den maximalen Nennwerten von Überstromgeräten in Ampere. Es gibt eine zusätzliche Kategorie, in der der Leiterquerschnitt größer als 10 AWG ist. Drei Bedingungen werden in separaten Spalten angegeben:

1. Spalte A: Es wird ein separater Schutz bereitgestellt.
2. Spalte B: Die Leiter der Motorsteuerung befinden sich in einem Gehäuse, in dem der Schutz durch die Motor-Abzweigstromkreis-Schutzvorrichtung gewährleistet ist.
3. Spalte C: Die Leiter der Motorsteuerung erstrecken sich über das Gehäuse hinaus, wo der Schutz durch die Motorabzweigschutzvorrichtung gewährleistet ist.

Jede Bedingung ist weiter in Spalten unterteilt, die Kupfer- und Aluminiumleiter (oder kupferummantelte) abdecken. Beachten Sie, dass für 18, 16 und 14 AWG Aluminiumleiter kein Wert angegeben wird, da für Motorcontroller in diesen Größen nur Kupfer zulässig ist.

Bei der Auslegung der Stromversorgungsleiter und des Überstromschutzes für einen Motorsteuerkreis sollten die oben genannte Tabelle und die begleitenden Hinweise sorgfältig befolgt werden, um sicherzustellen, dass die Installation konform ist. Bei Verwendung eines Motorsteuerkreistransformators ist der Transformator nach folgenden Richtlinien zu schützen:

• Wenn der Transformator einen leistungsbegrenzten Stromkreis der Klasse 1, einen Stromkreis der Klasse 2 oder einen Fernsteuerstromkreis der Klasse 3 versorgt, muss der Schutz Artikel 725 entsprechen, der eine allgemeine Behandlung dieser Arten von Fernsteuer- und Signalstromkreisen unabhängig davon ist ob sie mit Motoren verbunden sind.
• Ein Schutz ist zulässig (im Gegensatz zu erforderlich) gemäß Artikel 450.3, der sich auf Transformatoren mit verschiedenen Spannungen und Standorten bezieht.
• Steuertransformatoren mit einer Nennleistung von weniger als 50 VA, die integraler Bestandteil des Gehäuses der Motorsteuerung sind, können durch primäre Überstromschutzeinrichtungen, Impedanzbegrenzungsmittel oder andere inhärente Schutzmaßnahmen geschützt werden.
• Wenn der Bemessungsprimärstrom des Steuerstromkreistransformators weniger als 2 A beträgt und die Überstromeinrichtung auf höchstens 500 % des Bemessungsprimärstroms ausgelegt oder eingestellt ist, reicht der Überstromschutz im Primärstromkreis aus.                 

Wenn ein Leiter des Motorsteuerkreises geerdet ist, ist der Motorsteuerkreis so anzuordnen, dass ein Erdschluss in dem vom Motorsteuergerät entfernten Steuerkreis weder den Motor startet noch handbetätigte Abschalteinrichtungen oder automatische Abschalteinrichtungen überbrückt Sicherheitsabschaltvorrichtungen.

Erforderliche Controller-Typen

Wo die eigentlichen Motorcontroller behandelt werden, beginnt NEC 2014 mit einer ausnahmslosen allgemeinen Aussage, die geeignete Controller für alle Motoren fordert. Da fast alle Verbraucher (mit wenigen Ausnahmen, wie z. B. der Motor, der einen Verbrauchszähler antreibt) über einen Überstromschutz verfügen, reicht die Überstromschutzeinrichtung in Form eines inversen Leistungsschalters unter bestimmten Umständen aus. Eine andere Art von Motorsteuerung ist der einfache Stecker-und-Buchsen- oder Kabelverbinder, der mit kabelgebundenen Motoren verbunden ist.

Um festzustellen, ob die Installation konform ist, müssen die Leistung und die Position des Motors überprüft werden. Bei einem stationären Motor von 1/8 PS oder weniger, der normalerweise in Betrieb bleibt, wie z Der Controller. Dies ist sehr oft ein einfacher Schutzschalter oder eine Sicherung. Auch hier darf ein Kompaktschalter als Motorcontroller fungieren. Dieser Schaltertyp hat das Aussehen eines Leistungsschalters, wird in einem Verteilerkasten montiert und erhält seine Leistung von der Sammelschiene, besitzt jedoch im Gegensatz zu einem Leistungsschalter keine Überstromschutzfähigkeit.

Die nächste Stufe ist sozusagen der tragbare Motor mit 1/3 PS oder weniger. Ein Beispiel ist ein Schleifer oder Bohrer eines Zimmermanns. Für die Motorsteuerung ist ein Befestigungssteckverbinder oder ein Kabelverbinder ausreichend. Diese Anordnung funktioniert gut, da der Stecker normalerweise sichtbar und griffbereit ist und den Motor schnell abschalten kann. Es ist leicht visuell festzustellen, dass der Motor abgeschaltet ist the source Leistung und startet nicht versehentlich.

Ein Abschnitt zum Reglerentwurf besagt, dass der Regler in der Lage sein soll, den von ihm gesteuerten Motor zu starten und zu stoppen und den Blockierstrom des Motors zu unterbrechen. Mit anderen Worten, der Motorcontroller muss auf den Motor konfiguriert werden, den er steuern soll.

Es mag offensichtlich erscheinen, aber der NEC von 2014 gibt an, dass andere Controller als zeitabhängige Leistungsschalter und Kompaktschalter eine Nennleistung bei der Anwendungsspannung haben müssen, die nicht niedriger als die Nennleistung des Motors ist.

Als Regler für alle Motoren ist ein in Ampere bemessener Nebenstrom-Leistungsschalter zulässig. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ein einzelner Leistungsschalter, der als Abzweig-Überstromschutzgerät dient, als Motorsteuerung gelten kann. Gemeint ist, dass dieser Leistungsschaltertyp bei richtiger Konfiguration und Anordnung als Motorsteuerung dienen darf. Sie muss gegebenenfalls auch den Anforderungen des Überlastschutzes entsprechen. In ähnlicher Weise darf ein Kompaktschalter, der in Ampere richtig bemessen ist, als Steuerung für jeden Motor dienen.

Für stationäre Motoren mit einer Nennleistung von 2 PS oder weniger und 300 V oder weniger kann die Motorsteuerung sein:

• Ein allgemein verwendbarer Schalter mit einer Ampere-Nennleistung von nicht weniger als dem Doppelten des Volllast-Nennstroms des Motors
• Bei Wechselstromkreisen ein allgemein verwendbarer Schnappschalter, der nur für Wechselstrom geeignet ist (kein allgemein verwendbarer Wechselstrom/Gleichstrom-Schnappschalter), bei dem der Nennstrom bei Volllast des Motors nicht mehr als 80 % des Ampere-Nennwertes des Schalters beträgt

Bei Torquemotoren muss die Steuerung einen Nennstrom für Dauerbetrieb und Volllast aufweisen, der nicht kleiner als der Nennstrom des Motors auf dem Typenschild ist.

Anforderungen an Controller

Es mag denjenigen, die es gewohnt sind, Schalter und Überstromgeräte in zweipoligen Konfigurationen zu verdrahten, bizarr erscheinen, aber die Steuerung muss nicht alle (ungerdeten) Leiter zum Motor öffnen. Dies liegt daran, dass die Hauptfunktion des Motorcontrollers darin besteht, einen Motor zu starten und zu stoppen, aber nicht notwendigerweise als Trennmittel zu dienen.

Es wird weiter ausgeführt, dass jeder Motor mit einer individuellen Steuerung zu versehen ist. Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Regel. Bei Motoren mit einer Nennspannung von 1,000 V oder weniger kann eine einzelne Steuerung eine Gruppeninstallation bedienen, bei der:

• Zahlreiche Motoren treiben mehrere Teile einer einzelnen Maschine oder eines Gerätes, wie beispielsweise einer Holzbearbeitungsmaschine, an.
• Eine Gruppe von Motoren wird durch ein einziges Überstromgerät geschützt.
• Eine Gruppe von Motoren befindet sich in einem einzigen Raum in Sichtweite des Controllers.

Diagnose und Reparatur

Motorsteuergeräte können von einem einzelnen Schalter oder einer Kabel-und-Stecker-Verbindung bis hin zu einer komplexen SPS, einer Aufzugssteuerung oder computergestützten sequentiellen Luft- und Raumfahrtmaschinen reichen. Um eine Diagnose oder Reparatur durchzuführen, ist es sehr schwierig, die Schaltung in der Hoffnung zu untersuchen, in allen außer den einfachsten Geräten eine oder mehrere optisch defekte Komponenten zu finden. Was benötigt wird, ist eine Dokumentation, die in der Regel vom Hersteller geliefert wird. Dies kann aus einer Gesamtbeschreibung des Geräts, einer Liste von Spezifikationen und einer Anleitung zur Fehlerbehebung sowie aus verschiedenen Arten von Schaltplänen bestehen.

Blockschaltbilder zeigen die funktionalen Bestandteile der Ausrüstung. Sie sind ausgezeichnete Gateways, um ein Gesamtverständnis des Geräts zu erlangen und zu bestimmen, wo mit einem Reparaturvorgang begonnen werden soll. Es ist oft möglich, den Fehler auf einen einzelnen Bereich zu isolieren, indem man sich die Art der Störung überlegt und das Blockschaltbild betrachtet.

Normalerweise enthält die Dokumentation des Herstellers eine bildliche Darstellung. Dies sind Fotografien oder Zeichnungen, die das Gerät so darstellen und beschriften, wie es visuell erscheint. Bildhafte Diagramme zeigen in der Regel nicht die elektrischen Anschlüsse des Bauteils, sind aber in Verbindung mit den Schaltplänen hilfreich, um potenziell defekte zu prüfende Teile zu lokalisieren. Wenn es nach einer Reparatur ein Problem gibt, das Gerät wieder zusammenzusetzen, kann die Abbildung darüber hinaus eine Orientierungshilfe sein.

Eine andere Art von Diagramm ist der Schaltplan. Es zeigt einen Teil oder die gesamte Ausrüstung. Es bildet die Komponenten nicht so ab, wie sie auf der eigentlichen Leiterplatte oder dem Chassis erscheinen, sondern im Kontext der elektrischen Zusammenhänge. Der Schaltplan ist nach verschiedenen Konventionen gezeichnet, die mehr oder weniger universell sind. Links kommt das Netzteil rein, rechts die Ausgänge. Die Signaleingänge befinden sich oben oder links im Diagramm, und der Erdungsbus oder die Klemme befindet sich unten. All dies ist unabhängig von der tatsächlichen physischen Position der Komponenten, wie in Bilddiagrammen dargestellt. Für den Techniker ist der Schaltplan der wichtigste Teil der Dokumentation. In Motorsteuerkreisen wird der Einfachheit halber oft auf die Stromversorgung und deren Anschlüsse an Motor und Steuerrelais verzichtet.

Ein anderer Diagrammtyp, der für Motorsteuerungsgeräte sehr relevant ist, ist der Kontaktplan, der so genannt wird, weil er einem typischen Kontaktplan ähnelt. Links und rechts (manchmal oben und unten) befinden sich zwei Schienen. Bei einem 240-V-Stromkreis ist die linke Schiene „L1“ und die rechte Schiene „L2“. Bei einem 120-V-Stromkreis ist die linke Schiene „Line“ und die rechte Schiene „Masse“. Die Schienen verbinden eine oder mehrere Sprossen. Jede Sprosse repräsentiert ein Element der Steuerschaltung. Bei einer elektromechanischen Motorsteuerung auf Relaisbasis arbeiten alle Sprossen gleichzeitig. In einer SPS werden sie kontinuierlich sequentiell mit einer sehr schnellen (Millisekunden-)Rate abgetastet. In jedem Fall sind die zugrunde liegenden Prinzipien die gleichen.

Konventionell werden Eingabe- und Ausgabegeräte auf den Sprossen angezeigt. Eingabegeräte befinden sich auf der linken Seite und Ausgabegeräte befinden sich auf der rechten Seite, unabhängig von ihrer tatsächlichen Position im Gerät. Komponenten innerhalb jeder Sprosse sind in Reihe geschaltet. Die Sprossen sind parallel geschaltet. Es ist möglich, dass der Ausgang eines Strompfads der Eingang eines anderen ist. Befindet sich ein Eingabegerät in einem bestimmten Strompfad, muss es mindestens ein Ausgabegerät geben. Andernfalls würde es zu einem toten Kurzschluss kommen, wenn das Eingabegerät leitend wurde. Überladene Geräte werden, falls vorhanden, rechts neben den Ausgabegeräten angezeigt. Im Allgemeinen steht kein Ausgabegerät allein in einem Strompfad, es sei denn, es wäre eine Betriebsanzeige, die immer an ist, wenn das Gerät mit Strom versorgt wird. Außerdem befinden sich in der Regel keine Geräte in den Schienen, mit Ausnahme eines Hauptschalters oder einer Trenn- und Absicherung zum Überstromschutz. Viele Arten von Eingabegeräten sind im Wesentlichen Ein-/Aus-Schalter. Timer, Endschalter, Temperatursensoren (außer Thermoelemente) und Thermostate fallen in diese Kategorie.

Das allgemeinste Kontaktplandiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Eingabegerät ist ein einfacher einpoliger Einwegschalter. Das Ausgabegerät ist zum Zweck der Veranschaulichung ein Niederampere-Leistungslicht mit geeigneter Spannung. In diesem Beispiel wird der Steuerkreis mit 120 V gespeist, die aus einem einphasigen Netz stammen.

Abbildung 2 zeigt ein sehr gängiges Setup. Eine Start/Stopp-Station, die von der Steuerung entfernt sein kann, ermöglicht es dem Bediener, einen Motor zu starten oder zu stoppen. Die Stopptaste ist normalerweise geschlossen und die Starttaste ist normalerweise geöffnet, was bedeutet, dass dies der Status jedes Geräts ist, wenn nicht darauf reagiert wird. Beim Drücken der Stopptaste wird der Strom zum Motorrelais unterbrochen und der Motor stoppt. Gleichzeitig öffnen die Haltekontakte und bleiben geöffnet, bis der Startknopf erneut gedrückt wird. Aus diesem Grund bleibt der Motor auch beim Loslassen der Stopptaste stehen. Der Einfachheit halber ist es üblich, den zum Motor führenden Steuerkreis ohne Motorrelais oder Strom (der dreiphasig sein kann) an das Relais angeschlossen zu zeigen und den Motor zu speisen.

Abbildung 3 zeigt einen weiteren gebräuchlichen Aufbau mit einem 24-V-Steuerkreis, der an einem Motor endet. Auch hier sind das Relais und die Hauptstromversorgung, die mit dem Relais (und damit mit dem Motor) verbunden sind, nicht gezeigt.

Fazit

In diesem Artikel wurden einige relativ einfache Motorsteuerungen untersucht. Die Grundprinzipien sind dieselben, aber die Größe und Komplexität dieser Geräte nimmt erheblich zu, wenn mehr Funktionen erforderlich sind. Aufzugsbewegungssteuerungen, SPS und Frequenzumrichter (ELEVATOR WORLD, Februar 2014), oft in Kombination, erfordern enormes Wissen und Fachwissen für die Entwicklung, Installation und Wartung, wenn etwas schief geht. Die Schaltpläne sind manchmal buchlang und man braucht eine besondere Art von Verstand, um die Details zu verstehen.

In anderen Fällen gibt es eine einfache Lösung. Wenn das Gerät nicht funktioniert, überprüfen Sie zuerst die Stromanschlüsse, dann die Steuerkabel und die Sensoren. Sehen Sie sich bei einer Fahrstuhlbewegungssteuerung die alphanumerische Anzeige an. Wenn ein scheinbar kryptischer Fehlercode (wie „E-8“) vorhanden ist, lesen Sie in der Dokumentation des Herstellers nach, was passiert. Schauen Sie sich die Sensoren an – ein sehr häufiges Problem liegt in einem Türsensor. Da schwere bewegliche Teile zusammen mit empfindlicher Elektronik vorhanden sind, kann diese lebenswichtige Sicherheitsvorrichtung ausfallen. Eingangsleistung, Zustand des Relais und Leistung am Motor prüfen. Netzqualität am Motor mit Oszilloskop prüfen. Ein Multimeter in der Funktion „AC Volt“ zeigt unerwünschte Welligkeiten im DC-Bus eines VFDs an.

Arbeiten Sie nicht „über Ihren Kopf hinweg“ – jenseits Ihres Wissens. Es ist bekannt, dass Drähte, die versehentlich mit den falschen Anschlüssen in einer Aufzugssteuerung verbunden wurden, die Türverriegelung aufheben und zum Tod führen.