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Ein Stromüberwachungsrelais misst AC- oder DC-Strom, vergleicht diesen mit einem oder mehreren Schwellenwerten, wendet Zeit- und Rücksetzlogik an und ändert einen Steuerausgang, wenn der überwachte Zustand anormal ist. Der Ausgang kann ein Schütz ansteuern, eine SPS informieren oder einen Alarm auslösen. In den meisten Anwendungen unterbricht das Überwachungsrelais den Laststrom nicht selbst und schaltet einen Fehler nicht eigenständig ab.
Dies macht die Stromüberwachung nützlich, wenn die elektrische Last ein praktischer Indikator für den Maschinenzustand ist. Ein steigender Strom kann auf eine Blockade oder eine übermäßige mechanische Last hinweisen. Ein fallender Strom kann auf Trockenlauf, einen gerissenen Riemen, Lastverlust oder ein defektes Heizelement hindeuten. Die technische Aufgabe besteht darin, zu entscheiden, ob der Strom ein zuverlässiger Indikator für den Prozess ist, und anschließend Schwellenwerte und Verzögerungen festzulegen, die einen echten Fehler von normalen Betriebstransienten unterscheiden.
Was ist ein Stromüberwachungsrelais?
Ein Stromüberwachungsrelais – auch Strommessrelais oder Stromrelais genannt – ist ein Mess- und Entscheidungsgerät, das in einem Steuerstromkreis verwendet wird. Seine Aufgabe lässt sich auf fünf Stufen reduzieren:
- Messen: Erfassung des Laststroms direkt oder über einen geeigneten Sensor.
- Vergleichen: Prüfung des Messwerts gegen einen Überstromschwellenwert, einen Unterstromschwellenwert oder beides.
- Zeitliche Qualifizierung: Anforderung, dass der Zustand für eine konfigurierte Verzögerungszeit bestehen bleibt.
- Änderung des Ausgangszustands: einen elektromechanischen oder elektronischen Steuerausgang betätigen.
- Eine externe Reaktion einleiten: ein Schütz, eine SPS, einen Alarm oder ein anderes Steuergerät die erforderliche Aktion ausführen lassen.
Diese Signalkette ist der zentrale Unterschied zwischen Überwachung und Stromunterbrechung. Ein Relais kann eine Stoppsequenz einleiten, aber das Gerät, das zum Schalten oder Schützen des Stromkreises ausgewählt wurde, muss für diese separate Funktion ausgelegt sein.
Wie ein Stromüberwachungsrelais funktioniert
Das Relais wertet kontinuierlich den überwachten Strom aus, hier dargestellt als Ich, gegenüber einem einstellbaren oder festen Referenzwert.
Überstromüberwachung
Ein Überstromüberwachungsrelais startet seine Zeitlogik, wenn Ich über den oberen Schwellenwert steigt Imax. Wenn der Strom für die Dauer der Auslöseverzögerung über dem Schwellenwert bleibt, ändert der Ausgang seinen Zustand. Wenn der Strom vor Ablauf der Verzögerung in den zulässigen Bereich zurückkehrt, gibt ein korrekt konfiguriertes Relais keine Fehlermeldung aus.
Diese Verzögerung kann Motoranlaufströme, Einschaltströme von Heizungen, kurze Schnittspitzen oder andere erwartete Transienten unterdrücken. Sie ist kein Ersatz für einen korrekt koordinierten Kurzschluss- oder Überlastschutz.
Unterstromüberwachung
Ein Unterstromrelais startet seine Zeitlogik, wenn Ich unter den unteren Schwellenwert fällt Imin. Ein anhaltend niedriger Strom kann darauf hindeuten, dass ein Motor seine mechanische Last verloren hat, eine Pumpe trocken läuft, ein Riemen gerissen ist oder ein Heizkreis unterbrochen ist. Die Interpretation hängt von der Maschine ab: Ein niedriger Strom ist ein Anzeichen für eine verringerte elektrische Last, kein Beweis für einen spezifischen mechanischen Fehler.
Fensterüberwachung
Ein Fensterstromrelais überwacht beide Grenzwerte. Der Strom ist zulässig, solange er sich zwischen Imin und Imax. Das Unterschreiten des unteren Grenzwerts oder das Überschreiten des oberen Grenzwerts startet die zugehörige Zeitlogik. Die Fensterüberwachung ist nützlich, wenn sowohl Lastverlust als auch Überlast relevante Fehlerzustände darstellen.
Der Strom muss einen Schwellenwert für die konfigurierte Verzögerungszeit überschreiten, bevor sich der Ausgang ändert; das Rücksetzverhalten ist modellspezifisch.
Warum Rücksetzwert und Hysterese wichtig sind
Wenn ein Relais bei exakt demselben Wert auslösen und zurücksetzen würde, könnten kleine Stromschwankungen nahe dem Schwellenwert zu einem Flattern des Ausgangs führen. Hersteller definieren daher eine Rücksetzgrenze oder Hysterese zwischen Ansprech- und Abfallbedingungen. Einige Modelle geben dies als Prozentsatz des Schwellenwerts an; andere veröffentlichen separate Ansprech- und Abfallwerte.
Der Reset kann automatisch erfolgen, sobald der Strom wieder im zulässigen Bereich liegt, oder manuell, sodass ein Bediener das Ereignis quittieren muss. Eine separate Reset-Verzögerung kann ebenfalls verfügbar sein. Lesen Sie immer das Zeitdiagramm des gewählten Modells: Ähnliche Beschriftungen auf der Frontplatte können zu unterschiedlichen Ausgangssequenzen führen.
Was ein Stromüberwachungsrelais tut – und was nicht
Ein Stromwächter gehört zur Mess- und Steuerungsebene. Er sollte nicht als automatischer Ersatz für jedes strombezogene Gerät in einem Schaltschrank betrachtet werden.
| Gerät | Hauptaufgabe | Was er leistet | Was er nicht automatisch ersetzt |
|---|---|---|---|
| Stromüberwachungsrelais | Erkennen eines Stromzustands und Ändern eines Steuerausgangs | Schwellenwert-, Zeit-, Reset- und Signallogik | Abzweig-Kurzschlussschutz oder ein Leistungsschaltgerät |
| Stromwandler (CT) | Reproduktion des Stroms auf einen skalierten Sekundärwert | Galvanisch getrennte Strommessschnittstelle für kompatible Geräte | Eine vollständige Schwellenwertentscheidung und Steuerausgang |
| Thermisches Überlastrelais | Reaktion auf anhaltenden Motorüberstrom gemäß einem thermischen Modell | Motorüberlast- und phasenbezogene Schutzfunktionen, definiert durch das gewählte Gerät | Allgemeine Prozess-Unterstromüberwachung |
| Leistungsschalter oder Sicherung | Unterbrechung des spezifizierten Fehlerstroms innerhalb seiner Bemessungswerte | Überstromschutz und Trennung des Stromkreises wie ausgelegt | Prozesszustandsinterpretation oder einstellbare Steuerlogik |
| Schütz | Wiederholtes Ein- und Ausschalten einer Last bei Ansteuerung der Spule | Nennleistungsschaltung | Fehlererkennung oder Kurzschlussschutz |
Die Gerätefamilien haben zudem unterschiedliche Normenkontexte. IEC 60255-1 deckt allgemeine Anforderungen an Messrelais und Schutzeinrichtungen ab; IEC 61869-2 befasst sich mit Stromwandlern; IEC 60947-4-1 deckt Schütze, Motorstarter und zugehörige Überlastschutzeinrichtungen ab; und IEC 60947-5-1 deckt elektromechanische Steuergerätekreise ab. Diese Anwendungsbereiche helfen bei der Klassifizierung der Funktionen, jedoch müssen die geltende Produktnorm und die Installationsvorschriften für das spezifische Gerät und den Markt weiterhin überprüft werden.
Das Relais überwacht den Strom und ändert einen Steuerausgang; ein externes Gerät führt die endgültige Steuerungsaktion aus.
Für einen tieferen Vergleich der Schalt- und Unterbrechungsrollen siehe Schütz vs. Leistungsschalter. Verwenden Sie für den thermischen Motorschutz das separate Thermisches Überlastrelais erklärt Anleitung.
Die vier Einstellungen, die das Verhalten bestimmen
Die meisten Fehler bei der Auswahl oder Inbetriebnahme entstehen dadurch, dass der Stromschwellenwert als einzige Einstellung betrachtet wird. In der Praxis bestimmen vier Parameter das Ansprechverhalten.
1. Stromschwellenwert
Stellen Sie den Schwellenwert basierend auf dem gemessenen Normalbetrieb ein, nicht nur anhand eines Motortypenschilds oder einer theoretischen Lastabschätzung. Erfassen Sie den Strom während des Anlaufs, bei stabiler Last, bei minimal zulässiger Last, bei maximal zulässiger Last und bei repräsentativen Prozessänderungen. Wählen Sie den Schwellenwert weit genug von normalen Schwankungen entfernt, um Fehlauslösungen zu vermeiden, aber nah genug, um den beabsichtigten anormalen Zustand zu erkennen.
2. Auslöseverzögerung
Die Auslöseverzögerung ist die Zeit, die ein anormaler Stromzustand anhalten muss, bevor der Ausgang schaltet. Eine zu kurze Verzögerung kann Einschaltströme oder Prozessspitzen als Fehler interpretieren. Eine zu lange Verzögerung kann dazu führen, dass ein Blockieren, ein Trockenlauf oder ein Lastverlust fortbestehen. Der korrekte Wert richtet sich nach der Zeitkonstante des Prozesses und den Folgen einer verzögerten Reaktion.
3. Rücksetzbedingung
Die automatische Rücksetzung eignet sich für Prozesse, die sicher wieder aufgenommen werden können, nachdem der Strom wieder normal ist. Die manuelle Rücksetzung bewahrt die Fehleranzeige und erfordert eine Quittierung. Wo ein automatischer Neustart eine Gefahr darstellen könnte, muss das Rücksetzverhalten mit dem Sicherheits- und Neustartkonzept der Maschine abgestimmt werden; ein Überwachungsrelais ist nicht automatisch ein Sicherheitsrelais.
4. Rücksetzverzögerung oder Neustartlogik
Eine Rücksetzverzögerung verhindert ein schnelles Takten, nachdem der Strom wieder in den Normalbereich zurückgekehrt ist. Sie kann zudem Zeit bieten, damit sich Druck-, Durchfluss- oder mechanische Bedingungen stabilisieren können. Die gesamte Steuerungssequenz – einschließlich Schützabfall, SPS-Logik, Alarmen und zulässigem Neustart – sollte überprüft werden, anstatt das Relais isoliert zu konfigurieren.
Wenn Strom ein nützliches Prozesssignal ist
Die Stromüberwachung ist am effektivsten, wenn sich die elektrische Last konsistent mit dem relevanten mechanischen oder prozesstechnischen Zustand ändert.
| Stromzustand | Mögliche Prozessbedeutung | Typische Steuerungsreaktion | Überprüfung erforderlich |
|---|---|---|---|
| Strom steigt über den Normalwert | Blockade, Klemmen, übermäßiger Vorschub, hoher Drehmomentbedarf | Alarm, kontrollierter Stopp, Entlastungssequenz | Stellen Sie sicher, dass normale Anlauf- oder Abschaltspitzen nicht mit dem Fehlerbereich überlappen |
| Strom fällt unter den Normalwert | Trockenlaufende Pumpe, gerissener Riemen, Verlust der mechanischen Last | Pumpe stoppen, Alarm, auf Standby schalten | Stellen Sie sicher, dass ein geringer Durchfluss oder Leerlauf eine reproduzierbare Stromänderung erzeugt |
| Strom verschwindet | Unterbrochene Heizung, getrennte Last, gestoppter Motor | Fehleranzeige oder Prozessverriegelung | Unterscheidung zwischen befohlenem Aus-Zustand und unbeabsichtigter Unterbrechung des Stromkreises |
| Strom bleibt innerhalb eines Fensters | Erwartete Betriebslast | Betrieb zulassen oder Prozesszustand bestätigen | Validierung des Fensters über Versorgung, Temperatur und Produktvarianz hinweg |
| Strom schwankt um einen Grenzwert | Instabiler Prozess oder schlecht getrennter Schwellenwert | Verzögerung, Hysterese oder diagnostische Überprüfung | Maskieren Sie eine echte mechanische Instabilität nicht allein durch das Hinzufügen einer Verzögerung |
Pumpen und Ventilatoren
Unterstrom kann auf den Verlust einer hydraulischen oder aerodynamischen Last hinweisen, einschließlich einiger Trockenlaufbedingungen. Überstrom kann auf Blockaden, Lagerprobleme oder übermäßigen Druck hindeuten. Da Pumpentyp, Drehzahlregelung, Fluideigenschaften und Betriebspunkt den Strom beeinflussen, sind Inbetriebnahmemessungen unerlässlich.
Förderbänder, Brecher und Mischer
Überstromüberwachung kann anhaltendes Klemmen oder übermäßige Materialbelastung erkennen. Unterstrom kann auf eine gebrochene Kupplung, einen gerissenen Riemen oder fehlendes Produkt hinweisen. Eine Schwellenwertverzögerung sollte normale Lastsprünge überbrücken, aber dennoch reagieren, bevor die mechanischen Folgen inakzeptabel werden.
Heizungen
Das Vorhandensein von Strom kann bestätigen, dass ein Heizkreis unter Spannung steht. Ein niedrigerer Wert als erwartet kann auf ein defektes Heizelement oder eine ausgefallene Stufe in einer Bank mit mehreren Elementen hinweisen. Strom allein bestätigt nicht die abgegebene Temperatur, daher ergänzt er einen Temperatursensor und ein Temperaturbegrenzungsgerät, anstatt sie zu ersetzen.
Werkzeugmaschinen und automatisierte Stationen
Strom kann eine kostengünstige Last- oder Betriebssignatur für Spindeln, Aktuatoren, Magnetventile und andere Lasten liefern. Er eignet sich am besten für wiederholbare Prozesse. Wenn sich Fehler- und Normalstrombereiche wesentlich überschneiden, können Vibrations-, Druck-, Durchfluss-, Positions- oder Leistungsüberwachung ein zuverlässigeres Signal liefern.
Auswahl eines Stromüberwachungsrelais
Verwenden Sie die folgende Sequenz, um die Anwendung in eine belastbare Spezifikation umzuwandeln.
1. Definieren Sie zuerst den anormalen Zustand
Beschreiben Sie das Prozessereignis in einfacher Sprache: “blockiertes Förderband erkennen”, “Pumpe nach anhaltendem Lastverlust stoppen” oder “bestätigen, dass die Heizung nach dem Einschaltbefehl Strom zieht”. Entscheiden Sie dann, ob Überstrom-, Unterstrom-, Stromverlust- oder Fensterüberwachung dieses Ereignis am besten abbildet.
2. Stimmen Sie AC oder DC und den Messbereich ab
Bestätigen Sie, ob der überwachte Stromkreis AC oder DC ist, gegebenenfalls dessen Frequenz sowie die erwarteten Mindest-, Normal-, Anlauf- und Fehlerströme. Der normale Betriebsbereich sollte sicher innerhalb des einstellbaren Bereichs des Relais liegen. Wählen Sie einen Bereich nicht allein deshalb aus, weil sein Maximum der Lastnennleistung entspricht.
Überprüfen Sie außerdem, wie das Relais den Strom misst. Mittelwertbildende und True-RMS-Verfahren können sich bei verzerrten Wellenformen, Phasenanschnittsteuerungen, Gleichrichtern und Frequenzumrichtern unterschiedlich verhalten. Die Herstelleranweisungen bestimmen, ob ein bestimmtes Relais für diese Wellenformen oder Einsatzorte geeignet ist.
3. Wählen Sie zwischen Direktmessung oder einem externen Sensor
Einige Relais führen den überwachten Leiter durch das Gerät oder dessen Anschlussklemmen. Andere Systeme verwenden einen externen Stromwandler oder Sensor. Die Direktmessung kann Anwendungen mit niedrigen Strömen vereinfachen; ein externer Sensor kann den Bereich erweitern oder eine Trennung ermöglichen. Das Wandlerverhältnis, die Bürde, die Genauigkeit, die Polarität und die Sicherheitsanforderungen müssen mit dem Relaiseingang kompatibel sein.
Wenn ein herkömmlicher Stromwandler verwendet wird, befolgen Sie das Sicherheitsverfahren des Herstellers für den Sekundärstromkreis; improvisieren Sie keine Tests oder Installationen bei offenem Stromkreis.
4. Wählen Sie die Überwachungs- und Rücksetzfunktionen aus
Geben Sie Überstrom, Unterstrom, Fensterüberwachung, speichernde/manuelle Rücksetzung oder automatische Rücksetzung an. Prüfen Sie, ob eine Anlaufsperre, getrennte Auslöse- und Rücksetzverzögerungen, ein Speicher nach Spannungsausfall sowie eine ausfallsichere Ausgangslogik erforderlich sind. Die Kennzeichnung “normalerweise offen” allein erklärt nicht den Ausgangszustand während des Normalbetriebs, bei Ausfall der Hilfsspannung oder bei einem überwachten Fehler.
5. Überprüfen Sie die Hilfsspannung
Die Versorgungsspannung des Relais ist vom überwachten Strombereich getrennt. Bestätigen Sie die AC- oder DC-Versorgung, die zulässige Toleranz, die Frequenz, die Leistungsaufnahme und das Verhalten bei Ausfall der Hilfsspannung.
6. Projektieren Sie die Ausgangsschnittstelle
Identifizieren Sie, was der Ausgang ansteuern soll: einen SPS-Eingang, ein Koppelrelais, eine Schützspule, einen Alarm oder einen Abschaltkreis. Überprüfen Sie die Kontaktanordnung, die Bemessungsbetriebskategorie oder DC-Schaltwerte, die Mindestschaltlast, die elektrische Lebensdauer und die Entstörungsanforderungen für induktive Spulen. Ein pauschaler Ampere-Wert belegt für sich genommen nicht die Eignung für eine bestimmte Schützspule oder DC-Last.
7. Prüfen Sie Genauigkeit und Umgebung
Überprüfen Sie Schwellenwertgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit, Temperatureinfluss, Ansprechzeit, Installationskategorie, Isolierung, Gehäuse, Verschmutzungsgrad, Montage, Vibration und geltende Zulassungen. Verwenden Sie das aktuelle Gerätehandbuch und die örtlichen Installationsvorschriften als maßgebliche Dokumente.
VIOX FCC18 Beispiel: Abstimmung der Funktion auf die Anwendung
Die VIOX FCC18 einphasiges Stromrelais veranschaulicht, wie eine Produktfamilie Stromüberwachungsaufgaben in vier Funktionsvarianten unterteilen kann.
| FCC18-Variante | Veröffentlichte Überwachungsfunktion | Rücksetzverfahren | Beispielanwendungsfall |
|---|---|---|---|
| FCC18-01 | Überstrom | Automatisch, nachdem der Strom unter die veröffentlichte Rücksetzgrenze zurückgekehrt ist | Erkennung von anhaltender Überlast oder Blockierung |
| FCC18-02 | Unterstrom | Automatisch, nachdem der Strom wieder über die veröffentlichte Rücksetzgrenze steigt | Erkennung von Lastverlust oder Trockenlaufzuständen, bei denen der Strom ein valider Indikator ist |
| FCC18-03 | Überstrom und Unterstrom | Manuelles Zurücksetzen | Speicherung eines Hoch- oder Niederstromereignisses zur Bestätigung durch den Bediener |
| FCC18-04 | Überstrom und Unterstrom | Automatischer Reset | Überwachung eines zulässigen Stromfensters in einem automatisch wiederanlaufenden Prozess |
Across the family, VIOX publishes current-range variants spanning 0.05–0.5 A through 1.6–16 A and timing adjustments from 0.1 to 20 seconds. For its automatic-reset descriptions, the product page identifies return boundaries below 95% of the high threshold for overcurrent operation and above 105% of the low threshold for undercurrent operation. These figures describe the FCC18 family page; they should not be generalized to other current relays.
Die korrekte Variante hängt weiterhin von der überwachten Wellenform, den normalen und anormalen Strommesswerten, der Hilfsspannung, der Ausgangsbelastung, der Rücksetzphilosophie, den Installationsbedingungen und der aktuellen Produktdokumentation ab. Durchsuchen Sie das VIOX Stromrelais-Sortiment wenn die Überwachungsfunktion definiert wurde.
Inbetriebnahme ohne Fehlauslösungen
Ein disziplinierter Inbetriebnahme-Prozess ist zuverlässiger als das Schätzen eines Prozentsatzes des Nennstroms In.
- Das Dokument gibt an: Listen Sie die Zustände „Befehl AUS“, „Anlauf“, „Leerlauf“, „normales Minimum“, „normales Maximum“ sowie beabsichtigte Fehlerzustände auf.
- Repräsentativen Strom messen: Berücksichtigen Sie Versorgungstoleranzen, warme und kalte Betriebsmittel sowie realistische Produkt- oder Prozessschwankungen.
- Einen vorläufigen Schwellenwert einstellen: Wahren Sie einen deutlichen Spielraum zwischen normalen Schwankungen und dem erkennbaren Fehlerbereich.
- Stellen Sie die minimale nützliche Verzögerung ein: lassen Sie legitime Transienten passieren, während Sie innerhalb der maximal zulässigen Fehlerdauer des Prozesses bleiben.
- Testen Sie die vollständige Reaktion: überprüfen Sie die Relaisanzeige, den Ausgangszustand, die Aktion von Schütz oder SPS, das Alarmverhalten und die Rücksetzsequenz.
- Testen Sie den Ausfall der Hilfsspannung: bestätigen Sie, dass der resultierende Ausgangszustand der Steuerungsphilosophie entspricht.
- Einstellungen aufzeichnen: dokumentieren Sie den endgültigen Schwellenwert, das Timing, den Rücksetzmodus, die Testbedingungen und das Abnahmeergebnis in den Schaltschrankunterlagen.
Wenn sich Normal- und Fehlerstrom überschneiden, kann eine Erhöhung der Verzögerung Fehlauslösungen reduzieren, aber keine messtechnische Trennung bewirken. Überdenken Sie den Sensorstandort, den für die Auswertung verwendeten Maschinenzustand oder die überwachte Prozessvariable.
Stromüberwachung vs. Spannungsüberwachung
Der Strom beantwortet die Frage: “Wie hoch ist die elektrische Last, die das Gerät aufnimmt?” Die Spannung beantwortet die Frage: “Ist die erwartete Versorgung vorhanden und innerhalb der Grenzwerte?” Sie zeigen unterschiedliche Fehlermodi auf. Ein blockierter Motor kann die normale Versorgungsspannung beibehalten, während er einen übermäßigen Strom aufnimmt; eine unterbrochene Last kann die Spannung am Kontrollpunkt beibehalten, während kein Strom fließt. Umgekehrt sind Phasenfolge, Phasenverlust oder Versorgungsspannungsgrenzwerte Aufgaben für ein Spannungs- oder Phasenüberwachungsgerät.
Verwenden Sie die Leitfaden für Spannungsüberwachungsrelais wenn die primäre Variable der Versorgungszustand und nicht der Laststrom ist. Einige Systeme benötigen beide Messungen, wobei die SPS oder der Steuerstromkreis deren Ausgänge koordiniert.
Wichtigste Punkte für die Technik
Ein Stromüberwachungsrelais ist wertvoll, da es eine elektrische Lastsignatur in eine zeitgesteuerte Steuerentscheidung umwandelt. Die zuverlässige Anwendung hängt von fünf Entscheidungen ab: dem korrekten Prozesssignal, einem geeigneten Messbereich und -verfahren, von normalen Schwankungen getrennten Schwellenwerten, auf reale Transienten abgestimmten Verzögerungen und einer Ausgangsschnittstelle, die für das Gerät ausgelegt ist, das die endgültige Aktion ausführt.
Betrachten Sie es als eine Ebene in der Steuerungs- und Schutzarchitektur. Belassen Sie Kurzschlussschutz, Motorüberlastschutz, Sicherheitsfunktionen und das Schalten von Leistung bei Geräten, die für diese Aufgaben ausgelegt und bemessen sind.
Verwendete Quellen
- VIOX FCC18-01/2/3/4 Einphasiges Stromrelais — produktinterne Funktionen, Bereiche, Zeitverhalten und Rücksetzverhalten.
- VIOX Stromrelais Produktkategorie — Kontext der verwandten Produktfamilie.
- IEC 60255-1:2022 — allgemeine Anforderungen und Anwendungsbereich für Messrelais und Schutzeinrichtungen.
- IEC 61869-2:2012 — zusätzliche Anforderungen für Stromwandler.
- IEC 60947-4-1:2023 — Anwendungsbereich für Schütze, Motorstarter und zugehörige Ausrüstung.
- IEC 60947-5-1:2024 — Anwendungsbereich für elektromechanische Steuergeräte.
