Thermische Beveiliging

Wat is Thermische Beveiliging?

Een thermische beveiliging is een beveiligingsmechanisme dat een elektrische stroomkring uitschakelt zodra een motor, transformator of kabel door langdurige overstroom of te hoge temperatuur dreigt te oververhitten. Anders dan een kortsluitbeveiliging reageert een thermische beveiliging bewust vertraagd: korte aanloopstromen worden toegelaten, maar een overbelasting die minuten aanhoudt leidt tot afschakeling. De bekendste vorm is het thermisch overbelastingsrelais met bimetalen, dat samen met een contactor een motorstarter vormt. Daarnaast bestaan thermistorbeveiligingen in de motorwikkeling, thermische zekeringen en elektronische motorbeveiligingen die hun data aan de PLC doorgeven.

Thermische beveiligingen worden vaak toegepast in combinatie met Contactoren, Motorstarters, Softstarters of Frequentieregelaars in industriële installaties.

🧠 Hoe werkt een thermische beveiliging?

Het klassieke thermisch overbelastingsrelais bootst de opwarming van de motor na. Het werkt in drie stappen:

1. Bimetalen element - de motorstroom loopt per fase door een indirect verwarmd bimetaal. Twee metalen met een verschillende uitzettingscoëfficiënt zijn op elkaar gewalst, zodat de strip bij opwarming krom trekt.
2. Vertragingseffect - omdat opwarmen tijd kost, reageert het relais niet direct. Een aanloopstroom van zes tot acht keer de nominale stroom duurt maar enkele seconden en wordt toegelaten; een overbelasting van twintig procent die blijft hangen, leidt binnen twee uur tot uitschakeling.
3. Uitschakelen via het stuurcircuit - het relais onderbreekt de hoofdstroom niet zelf. Het opent een hulpcontact (meestal 95-96) in het stuurcircuit, waardoor de contactor afvalt en de motor stopt. Een tweede contact (97-98) meldt de storing aan de PLC of het SCADA-systeem.

Na afkoeling moet de beveiliging meestal handmatig worden hersteld. Sommige relais ondersteunen automatische reset, maar dat is alleen verantwoord als een onverwachte herstart geen gevaar oplevert. Moderne relais zijn bovendien omgevingsgecompenseerd (bijvoorbeeld van −25 tot +55 °C), zodat een warme besturingskast de uitschakelkarakteristiek niet verschuift, en ze bevatten een differentiaalmechanisme dat sneller afschakelt bij fase-uitval of onbalans.

🔍 Welke soorten thermische beveiliging bestaan er?

Een belangrijk onderscheid: stroomgebaseerde beveiligingen schatten de temperatuur, terwijl temperatuurgebaseerde beveiligingen haar meten. Een stroomrelais ziet een verstopte koelribbe of een te hoge omgevingstemperatuur niet; een PTC-sensor in de wikkeling wel. Bij kritische motoren worden beide daarom vaak gecombineerd.

Bimetalen Relais zijn standaard in veel MCC’s en kunnen eenvoudig worden ingesteld op motorrating.

⏱️ Wat betekenen uitschakelklassen?

De norm IEC 60947-4-1 legt vast hoe een overbelastingsrelais zich moet gedragen. Bij 1,05 keer de instelstroom mag het relais vanuit koude toestand niet afschakelen; bij 1,2 keer moet het binnen twee uur afschakelen. De uitschakelklasse geeft de maximale uitschakeltijd in seconden bij 7,2 keer de instelstroom, de typische aanloopstroom van een asynchrone motor.

Kies een klasse die de aanlooptijd met belasting verdraagt, maar niet trager is dan nodig: hoe hoger de klasse, hoe langer de wikkeling een overstroom moet doorstaan.

🌡️ Waarom is oververhitting zo schadelijk?

De levensduur van een motor wordt in de praktijk bepaald door de isolatie van de wikkeling. Volgens IEC 60085 heeft isolatieklasse B een grenstemperatuur van 130 °C, klasse F 155 °C en klasse H 180 °C. Een veelgebruikte vuistregel is dat elke 10 K boven de toegestane temperatuur de levensduur van de isolatie ongeveer halveert. Een motor die structureel tien procent overbelast draait, faalt dus niet direct, maar wel jaren te vroeg.

Typische oorzaken van thermische overbelasting zijn:

• Mechanische overbelasting - een vastlopende pomp, versleten lagers of een te zwaar beladen transportband
• Fase-uitval - de motor draait door op twee fasen en trekt daar veel meer stroom
• Slechte koeling - vervuilde koelribben, een defecte ventilator of een te warme ruimte
• Te veel starts per uur - elke aanloop warmt de wikkeling extra op
• Lage toerentallen - een eigengekoelde motor aan een frequentieregelaar koelt bij laag toerental veel minder

🔧 Hoe stelt u een thermische beveiliging correct in?

Een praktische aanpak voor een standaard motorstarter:

1. Lees het typeplaatje - gebruik de nominale stroom (In) bij de werkelijke netspanning en schakeling (ster of driehoek).
2. Stel de instelstroom gelijk aan In - de instelstroom is de nominale motorstroom, niet de gewenste uitschakelstroom. Zet het relais nooit hoger om storende afschakelingen te omzeilen.
3. Let op ster-driehoekstarters - zit het relais in de wikkelstreng, dan stelt u het in op 0,58 × In (In gedeeld door √3).
4. Kies de uitschakelklasse - klasse 10 voor normale aanloop, 20 of 30 voor zware aanloop.
5. Controleer de coördinatie - combineer relais, contactor en kortsluitbeveiliging (zekeringen of automaat) volgens de beproefde tabellen van de fabrikant voor coördinatie type 2.
6. Leg de resetstrategie vast - handmatig of automatisch, afgestemd op de risicoanalyse van de machine.

Bij een frequentieregelaar of softstarter neemt het ingebouwde thermische motormodel de functie van het bimetaal meestal over; voor motoren die lang op laag toerental draaien is een PTC-sensor de betrouwbaardere aanvulling.

Een juiste instelling van de thermische beveiliging is essentieel om schade én onnodige onderbreking te voorkomen.

🇳🇱 Welke normen en regels gelden in Nederland en de EU?

• IEC 60947-4-1 - overbelastingsrelais, contactoren en motorstarters, inclusief uitschakelklassen
• IEC 60947-8 - stuureenheden voor ingebouwde thermische motorbeveiliging met PTC-thermistors
• IEC 60204-1 - de elektrische uitrusting van machines; motoren boven 0,5 kW krijgen in principe overbelastingsbeveiliging, en een gevaarlijke automatische herstart na een uitschakeling moet worden voorkomen
• NEN 1010 - de Nederlandse installatienorm; voor kabels geldt dat de nominale stroom van de beveiliging tussen de bedrijfsstroom en de toelaatbare kabelstroom ligt (Ib ≤ In ≤ Iz)
• NEN 3140 - veilig werken aan en het periodiek inspecteren van de installatie, inclusief beveiligingen
• IEC 60079 en de ATEX-richtlijnen - beveiliging van motoren in explosiegevaarlijke zones

🔐 Waar moet u op letten bij veiligheid en beheer?

• Resetprocedure - opnemen in de Lock-out Tag-out- of Werkvergunning-procedure, zodat niemand een uitgevallen motor reset terwijl er aan de machine wordt gewerkt
• Oorzaak eerst - een uitschakeling is een symptoom; reset pas na onderzoek naar overbelasting, fase-uitval of koeling
• Periodiek testen - gebruik de testknop van het relais en controleer de instelling tijdens NEN 3140-inspecties; slijtage door frequent schakelen treft vooral de contacten van de contactor
• ATEX-motoren - bij een motor met verhoogde veiligheid (Ex e) moet het relais vanuit koude toestand afschakelen binnen de tE-tijd bij de verhouding aanloopstroom/nominale stroom (IA/IN) van het typeplaatje. Het relais zelf staat buiten de gevarenzone, maar moet als beveiligingsapparaat gecertificeerd zijn; volg voor de resetfunctie de fabrikantinstructies en het certificaat, die meestal handmatige reset voorschrijven
• Functionele veiligheid - een thermische beveiliging is een machinebeveiliging, geen veiligheidsfunctie in de zin van safety-normen, tenzij zij expliciet zo is ontworpen

Onjuist ingestelde beveiliging kan leiden tot motorschade of ongeplande downtime.

🏭 Hoe past thermische beveiliging in IT/OT-convergentie?

Elektronische motorbeveiligingen geven veel meer prijs dan een bimetaal. Via IO-Link of ProfiNET leveren ze motorstroom per fase, thermische belasting in procenten, tijd tot uitschakeling, aantal starts en de oorzaak van de laatste trip. Operators kunnen zo ingrijpen voordat een motor uitvalt, en onderhoudsteams gebruiken de trends voor condition monitoring en voorspellend onderhoud.

Daarmee wordt de motorbeveiliging ook een netwerkapparaat. Een slim relais waarvan de instelstroom op afstand te wijzigen is, hoort in de asset-inventaris en achter netwerksegmentatie: wie de parameters kan aanpassen, kan een motor laten afschakelen of juist onbeschermd laten draaien. Neem dit mee in uw security-beleid voor de OT-omgeving.

❓ Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een thermische en een magnetische beveiliging?

Een thermische beveiliging reageert vertraagd op langdurige overbelasting, terwijl een magnetische beveiliging binnen milliseconden reageert op kortsluitstromen. Een motorbeveiligingsschakelaar combineert beide functies. In een klassieke motorstarter zorgt het thermisch relais voor de overbelasting en de zekering of automaat voor de kortsluiting.

Op welke stroom stel ik een thermisch overbelastingsrelais in?

Een thermisch overbelastingsrelais stelt u in op de nominale stroom van het typeplaatje van de motor, bij de werkelijke spanning en schakeling. Het relais schakelt dan niet af bij 1,05 keer die stroom en wel binnen twee uur bij 1,2 keer. Bij een ster-driehoekstarter met het relais in de wikkelstreng is de instelling 0,58 keer de nominale stroom.

Waarom schakelt mijn thermische beveiliging steeds af bij het starten?

Een thermische beveiliging die bij het starten afschakelt, heeft meestal een te lage uitschakelklasse voor de aanlooptijd, of de instelstroom is verkeerd. Ook fase-uitval, een mechanisch zware belasting of te veel starts per uur zijn veelvoorkomende oorzaken. Verhoog de instelling nooit boven de motorstroom, maar kies zo nodig een relais van klasse 20 of 30.

Is een PTC-sensor beter dan een thermisch relais?

Een PTC-sensor meet de werkelijke wikkeltemperatuur en ziet daardoor ook slechte koeling of een hoge omgevingstemperatuur, wat een thermisch relais op basis van stroom mist. Een PTC beschermt echter niet de kabel en reageert trager op een geblokkeerde rotor. Voor motoren aan een frequentieregelaar of met zware cycli is de combinatie van beide de beste thermische beveiliging.

Heeft een frequentieregelaar nog een apart thermisch relais nodig?

Een frequentieregelaar heeft een ingebouwd thermisch motormodel dat de functie van een thermisch relais meestal overneemt, mits de motorgegevens correct zijn ingevoerd. Bij meerdere motoren aan één regelaar is wel per motor een eigen thermische beveiliging nodig. Voor lange bedrijfsperioden op laag toerental is een PTC-sensor in de wikkeling aan te raden.

Mag een thermische beveiliging automatisch resetten?

Een thermische beveiliging mag alleen automatisch resetten als een onverwachte herstart van de motor geen gevaar oplevert, bijvoorbeeld bij een ventilator achter een afscherming. IEC 60204-1 eist dat een gevaarlijke automatische herstart wordt voorkomen. Voor motoren in explosiegevaarlijke zones schrijven de fabrikantinstructies en het ATEX-certificaat van het relais meestal handmatige reset voor.

📌 Samengevat

Thermische beveiliging beschermt motoren, transformatoren en bekabeling tegen de sluipende schade van overbelasting. Het bimetaalrelais, de PTC-thermistor en de elektronische motorbeveiliging doen dat elk op hun eigen manier, met IEC 60947-4-1 als basis voor instelstroom en uitschakelklasse. Correct instellen, de oorzaak van elke trip onderzoeken en de reset in de veiligheidsprocedures vastleggen bepalen samen of de beveiliging werkt.

Thermische beveiligingen voorkomen schade aan elektrische installaties door overstroom en oververhitting. Ze zijn essentieel voor het betrouwbaar en veilig bedrijf van motoren en vermogenskringen in de industrie, en leveren in hun slimme vorm waardevolle data voor onderhoud en procesbewaking.