Blokkeerbeveiliging en startfrequentiebeveiliging van motoren — ANSI 51LR en 66

De gids over de trip-klasse van het motoroverbelastingsrelais behandelt hoelang een motoroverbelastingsrelais een verhoogde stroom mag toestaan, uitgedrukt in trip-klasse 10A/10/20/30. Dit artikel behandelt twee aanvullende, specifiekere beveiligingsfuncties die een normale trip-klasse-instelling niet dekt: het onderscheid tussen een normale aanloop en een vastgelopen rotor (ANSI 51LR), en de begrenzing van het aantal starts per uur (ANSI 66).

Waarom trip-klasse alleen niet volstaat

Een trip-klasse-instelling is gekalibreerd op de normale aanlooptijd van de motor plus aangedreven last — bijvoorbeeld een trip-klasse 20 staat een aanloopstroom van doorgaans 6× de ingestelde stroom toe gedurende maximaal 20 seconden. Dit werkt goed zolang de motor daadwerkelijk optrekt naar bedrijfstoerental binnen die tijd. Loopt de rotor echter vast tijdens het aanlopen zelf — bijvoorbeeld door een geblokkeerde aandrijving, een vastgelopen pomp, of een mechanisch defect — dan blijft de stroom op het volledige aanloopniveau staan zonder dat het toerental stijgt, en moet de beveiliging dit sneller onderkennen dan de normale trip-klasse-tijd zou toestaan, omdat de warmteontwikkeling in de wikkeling bij een volledig vastgelopen rotor geconcentreerder is dan bij een motor die daadwerkelijk versnelt.

ANSI 51LR — geblokkeerde-rotorbeveiliging

De 51LR-functie (Locked Rotor, tijdsafhankelijke overstroombeveiliging) onderscheidt een vastgelopen start van een normale start door het toerental of de werkelijke aanlooptijd te vergelijken met een verwachte curve:

• Bij motoren met een toerentalsensor of stroom-/spanningsgebaseerde slipberekening kan het beveiligingsrelais detecteren of de motor daadwerkelijk versnelt.
• Overschrijdt de aanlooptijd een vooraf ingestelde grenswaarde zonder dat het toerental de verwachte curve volgt, dan schakelt 51LR sneller uit dan de normale trip-klasse-tijd zou toestaan — specifiek afgestemd op het feit dat een volledig vastgelopen rotor de wikkeling sneller thermisch belast dan een motor die wél optrekt.
• Voor motoren zonder toerentalsensor wordt vaak een vereenvoudigde vorm toegepast: een aparte, kortere uitschakeltijd die specifiek geldt wanneer de stroom het volledige aanloopniveau blijft houden voorbij de normaal verwachte aanlooptijd van die specifieke installatie.

Let op: de exacte detectiemethode (toerentalsensor, slipberekening, of een eenvoudige vaste tijdgrens) verschilt sterk per relaisfabrikant en motortoepassing — dit artikel behandelt het principe, niet één specifieke implementatie.

ANSI 66 — startfrequentiebeveiliging (starts per uur)

Elke start van een driefasemotor veroorzaakt een korte, intensieve opwarming van de wikkeling door de hoge aanloopstroom (zie ook de gids over motorstartmethoden voor hoe deze aanloopstroom per startmethode verschilt). Tussen twee starts in heeft de wikkeling tijd nodig om af te koelen. Worden er te veel starts binnen te korte tijd uitgevoerd — bijvoorbeeld bij een regelinstallatie die een motor herhaaldelijk aan/uit schakelt, of bij een operator die na een mislukte start direct opnieuw probeert te starten — dan stapelt de warmte van opeenvolgende aanlopen zich op sneller dan de motor kan afkoelen, ook als geen enkele individuele start op zichzelf de trip-klasse-tijd overschrijdt.

De 66-functie begrenst dit door:

• Een maximaal aantal starts binnen een vaste tijdsperiode in te stellen (bijvoorbeeld maximaal 3 starts per uur).
• Een minimale wachttijd tussen twee opeenvolgende starts af te dwingen, zodat de wikkeling voldoende kan afkoelen.
• Vaak onderscheid te maken tussen een koude start (motor op omgevingstemperatuur) en een warme start (motor al opgewarmd door een recente start), met een navenant strengere limiet voor opeenvolgende warme starts.

Let op: de exacte parameters (aantal starts, wachttijd, koud/warm- onderscheid) zijn geen vaste normwaarden, maar worden afgeleid uit de thermische gegevens van de specifieke motor (vaak aangeleverd door de motorfabrikant) — deze gids geeft het principe van de begrenzing, geen universele instelwaarde.

Verband met de thermische beeldbeveiliging (ANSI 49)

De gids over thermische beeldbeveiliging (ANSI 49) behandelt een continu, rekenkundig model van de wikkeltemperatuur op basis van de gemeten stroom over tijd. 51LR en 66 zijn hier specifieke aanvullingen op, gericht op twee bijzondere situaties (een volledig vastgelopen aanloop, en een reeks te snel opeenvolgende starts) die een generiek thermisch model niet altijd met dezelfde snelheid of nauwkeurigheid onderkent — met name omdat een vastgelopen rotor een ander, geconcentreerder warmtepatroon in de wikkeling geeft dan het normale, gelijkmatigere aanloopprofiel waarop het thermische model vaak is gekalibreerd.

Praktische relevantie

Dit is relevant bij motoren die een aandrijving voeden met kans op mechanische blokkering (transportbanden, pompen met kans op verstopping, ventilatoren met kans op vastlopen door vuilophoping), en bij installaties met een regelsysteem dat een motor frequent schakelt (bijvoorbeeld cyclische processen of een terugkoppellus die dicht bij de in-/uitschakeldrempel oscilleert). Bij het beoordelen van een motorbeveiligingsschema is het van belang te controleren of naast de trip-klasse-instelling ook een vastgelopen-rotor- en een startfrequentiebegrenzing aanwezig zijn, specifiek voor toepassingen waar deze twee risico's realistisch zijn.

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat de trip-klasse-instelling alle scenario's afdekt — een volledig vastgelopen rotor tijdens de aanloop vraagt om een snellere, specifieke reactie dan de normale trip-klasse-tijd.
2. Geen startfrequentiebegrenzing toepassen bij een installatie die een motor herhaaldelijk schakelt, met als gevolg thermische opeenstapeling die geen enkele individuele start op zichzelf zou veroorzaken.
3. Geen onderscheid maken tussen een koude en een warme start bij het instellen van de startfrequentiebegrenzing — een motor die al warm is van een recente start heeft minder thermische marge over voor een volgende start dan een koude motor.
4. 51LR/66 verwarren met de gewone trip-klasse-instelling van het overbelastingsrelais — het zijn aanvullende, niet-vervangende beveiligingsfuncties gericht op specifieke faalscenario's.

Gerelateerd

• Motoroverbelastingsrelais — trip-klasse 10A/10/20/30
• Thermische beeldbeveiliging (ANSI 49)
• Motorstartmethoden vergelijken
• Motor aanloopstroom (locked-rotor current) meten