Fehlerbehebung bei potenziellen Relais

Wenn sich der Rotor eines Elektromotors in unmittelbarer Nähe der Motorwicklungen dreht, wird eine Gegenspannung oder eine gegenelektromotorische Kraft (EMF) erzeugt. Die an der Startwicklung erzeugte Gegen-EMK (BEMF) ist größer als die an der Laufwicklung erzeugte Gegen-EMK. Dieses Phänomen tritt auf, weil die Startwicklung normalerweise einen längeren Draht, einen kleineren Drahtdurchmesser oder mehr Drahtwindungen aufweist und somit eine größere induktive Reaktanz aufweist als die Laufwicklung. Aus diesem Grund werden Potenzialrelais manchmal als Spannungsrelais bezeichnet, da sie für ihren Betrieb auf die BEMF oder Spannung angewiesen sind, die vom Motor erzeugt wird.

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Bei einer Fehlfunktion des Potenzialrelais besteht die Gefahr, dass der Kompressormotor nicht startet, abwürgt, den Rotor blockiert oder sogar durchbrennt. Viele Motorwicklungen wurden durch fehlerhafte potenzielle Relais geöffnet oder geschwächt. Aus diesem Grund ist es für Servicetechniker von größter Bedeutung, nicht nur zu verstehen, wie dieses Startrelais funktioniert, sondern auch, wie Fehler an den Komponenten behoben werden, aus denen das potenzielle Relais besteht.

Die Funktion eines Potenzialrelais besteht lediglich darin, das Starten des Elektromotors zu unterstützen. Potenzielle Relais sind häufig bei vielen kleineren einphasigen Kondensatorstart- und Kondensatormotoren in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik zu finden.

Das Potenzialrelais besteht aus einer Spule mit sehr hohem Widerstand und einem Satz normalerweise geschlossener Kontakte, die beide in einem kleinen Kunststoffgehäuse untergebracht sind. Dem Potenzialrelais kann auch ein Betriebs- und Startkondensator beigefügt sein (siehe Abbildung 1, oben auf der Seite). Diese drei Komponenten werden oft als Hard-Start-Kit bezeichnet. Die Relaisspule ist zwischen den Kontakten 2 und 5 verdrahtet, während die Öffnerkontakte zwischen den Kontakten 1 und 2 verdrahtet sind (siehe Abbildung 2). Andere Anschlussbezeichnungen am Relais dienen normalerweise zum Anschließen von Drähten und als Drahtmuttern. Sie werden häufig für eingehende Strom-, Lüfter- oder Kondensatorkabelverbindungen verwendet und werden als inaktive oder Komfortklemmen bezeichnet.

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FIGUR 2:Die Relaisspule ist zwischen den Kontakten 2 und 5 verdrahtet, während die Öffnerkontakte zwischen den Kontakten 1 und 2 verdrahtet sind. (Mit freundlicher Genehmigung von John Tomcyzk)

Sobald der Einphasenmotor mit Strom versorgt wird, liegen sowohl die Lauf- als auch die Startwicklung im Schaltkreis in Reihe mit der Startwicklung. Dies liegt daran, dass die Kontakte zwischen den Klemmen 1 und 2 des Potenzialrelais normalerweise geschlossen sind. Der Rotor des Motors beginnt sich nun zu drehen bzw. zu drehen. Beachten Sie in Abbildung 3, dass die Betriebs- und Startkondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, beide jedoch in Reihe mit der Startwicklung liegen. Die Kapazität parallel geschalteter Kondensatoren verleiht dem Motor ein höheres Anlaufdrehmoment, da die Kondensatoren in Reihe mit der Anlaufwicklung geschaltet sind.

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FIGUR 3: Die Betriebs- und Startkondensatoren sind parallel zueinander geschaltet, beide liegen jedoch in Reihe mit der Startwicklung. (Mit freundlicher Genehmigung von John Tomcyzk)

Während sich der Rotor des Motors immer schneller dreht und versucht, seine synchrone Drehzahl zu erreichen, entsteht ein erzeugender Spannungseffekt, da der Rotor eine große Metallmasse ist, die sich sehr nahe an den Wicklungen des Motors dreht. Da die Startwicklung mit einem längeren und dünneren Draht gewickelt ist, wird an ihr mehr Spannung oder BEMF erzeugt als an der Laufwicklung.

Die BEMF kann mit einem Voltmeter an der Startwicklung gemessen werden, während der Motor läuft. Die BEMF ist oft höher als die Netzspannung und kann je nach Bauart und Drehzahl des Motors bis zu 500 Volt oder mehr erreichen. Die Polarität der BEMF ist der Polarität der Netzspannung entgegengesetzt, sodass ihre Beträge nicht addiert werden. Alle Motoren erzeugen unterschiedliche BEMF-Werte, daher müssen potenzielle Relais für jeden Kompressor individuell dimensioniert und ausgewählt werden.

Da die Spule des Potenzialrelais parallel zur Startwicklung geschaltet ist, tritt an der Relaisspule dieselbe Spannung (BEMF) auf. In der Startwicklung und der Relaisspule wird ein Stromkreis mit Spannung und Strom erzeugt, wodurch die Relaisspule erregt wird und die Kontakte zwischen den Kontakten 1 und 2 geöffnet werden. Dieser Vorgang tritt auf, weil die Relaisspule um einen Eisenkern gewickelt ist, der dies bewirkt magnetisieren, sobald die Spule erregt wird. Durch dieses Öffnen der Kontakte wird der Startkondensator aus dem Stromkreis genommen. Der Motor läuft weiterhin als Permanent-Split-Capacitance-Motor (PSC) mit nur einem Betriebskondensator in Reihe mit der Startwicklung. Sobald die Betriebssteuerung geöffnet wird und die Stromversorgung vom Motor unterbrochen wird, nimmt die Motorgeschwindigkeit zusammen mit der erzeugten BEMF allmählich ab. Die Relaisspule wird deaktiviert und die Kontakte zwischen den Klemmen 1 und 2 kehren in ihre normalerweise geschlossene Position zurück, wenn der Motor zum Stillstand kommt.

Für die Fehlersuche bei einem potenziellen Relais ist lediglich ein einfaches Ohmmeter erforderlich. Nachdem Sie alle Anschlussdrähte vom Relais abgenommen haben, messen Sie den Widerstand zwischen den Anschlüssen 1 und 2. Der Widerstand sollte nahe Null liegen, da es sich um normalerweise geschlossene Kontakte handelt. Wenn das Lesegerät Unendlich anzeigt, bleiben die Kontakte offen und das Relais sollte entsorgt und ersetzt werden. Offene Kontakte verhindern, dass sich der Startkondensator im Stromkreis befindet. Dies kann den Rotor blockieren und unter bestimmten Bedingungen zu blockierten Rotorverstärkern (LRA) führen, wodurch die Schutzvorrichtung des Kompressors geöffnet wird. Ein kurzes Einschalten der Schutzvorrichtungen des Kompressors kann zu einer Überhitzung führen und mit der Zeit eine Wicklung öffnen.

Die Relaiskontakte können auch in der geschlossenen Position klemmen oder einen Lichtbogen bilden. In diesem Fall würde der Startkondensator niemals aus dem Stromkreis genommen werden und ein polterndes Geräusch bei hoher Stromaufnahme würde die Motorschutzvorrichtungen öffnen. Wenn die Kontakte in der geschlossenen Position stecken bleiben, muss das Relais im laufenden Betrieb überprüft werden, da die Kontakte zwischen 1 und 2 normalerweise geschlossen sind, wenn sie nicht in Betrieb sind. Sobald der Motor läuft, messen Sie mit einem Voltmeter die Spannung an den Klemmen 1 und 2. Ein Spannungswert von null Volt würde beweisen, dass die Kontakte nicht geöffnet sind. Außerdem sind hohe Stromaufnahmen im Startwicklungsstromkreis ein verräterisches Zeichen dafür, dass die Kontakte nicht geöffnet wurden.

Zur Fehlersuche an der Spule legen Sie nach dem Trennen aller Kabel vom Relais die Spule zwischen den Klemmen 2 und 5 am Relais auf Ohm. Da diese Spule einen sehr hohen Widerstand haben sollte, achten Sie darauf, die richtige Skala auf dem Ohmmeter zu verwenden, wenn es nicht selbstskalierend ist. Die RX 100-Skala ist eine gute Wahl, da die RX 1-Skala einen Techniker aufgrund des extrem hohen Widerstands der Spule zu der Annahme verleiten kann, dass es sich um eine offene Spule handelt. Es ist nicht ungewöhnlich, dass der Widerstand mehrere tausend Ohm beträgt. Wenn das Ohmmeter auf der RX 100-Skala Unendlich anzeigt, hat sich die Relaisspule geöffnet. Das Relais sollte entsorgt und ein neues eingebaut werden. Eine offene Relaisspule verhindert das Öffnen der Kontakte zwischen 1 und 2, da im Eisenkern der Relaisspule kein Magnetismus vorhanden ist. Dies führt wiederum zu einem hohen Stromverbrauch und einem Rumpelgeräusch, da der Kondensator zu lange im Stromkreis verbleibt.

Die Ansprechspannung für ein bestimmtes Potenzialrelais wird als Minimum und Maximum aufgeführt. Die tatsächliche Aufnahmespannung muss für einen ordnungsgemäßen Betrieb innerhalb dieses Bereichs bleiben. Die Anzugsspannung ist die BEMF-Spannung, die der Rotor des Motors an der Startwicklung erzeugt, wenn er etwa ¾ der Synchrondrehzahl erreicht. Wenn die von BEMF erzeugte Ansprechspannung unter dem Mindestwert liegt, werden die Kontakte zwischen den Klemmen 1 und 2 niemals geöffnet. Der Startkondensator bleibt dann im Stromkreis, was zu einer hohen Stromaufnahme führt und die Motorschutzvorrichtungen öffnen kann. Wenn jedoch die durch BEMF erzeugte Ansprechspannung über dem Maximum liegt, besteht eine gute Chance, dass die Relaisspule überhitzt und den Stromkreis unterbricht. Auch hier würden die Kontakte zwischen 1 und 2 geschlossen bleiben, was zu einem hohen Stromverbrauch führen würde, wenn die Relaisspule den Stromkreis öffnet.

Potenzielle Relais haben eine Abfallspannung, die die BEMF-Spannung darstellt, die an der Relaisspule erzeugt werden muss, um die Kontakte offen zu halten, sobald sie angezogen (geöffnet) wurden. Oft ist mehr BEMF (Anregespannung) erforderlich, um die Kontakte aufzunehmen und zu öffnen, als um sie offen zu halten. Sobald die Taktsteuerung den Stromkreis öffnet, verringert sich die Drehzahl des Rotors, wodurch weniger elektromagnetische Kraft an der Startwicklung und der Relaisspule erzeugt wird. Wenn die BEMF unter die Abfallspannung fällt, kehren die Kontakte zwischen 1 und 2 in ihre normalerweise geschlossene Position zurück und sind für den nächsten Startzyklus bereit.

Aufgrund dieser drei Spannungsspezifikationen müssen potenzielle Relais für jeden einzelnen Kompressor dimensioniert werden. Informationen zur Auswahl des richtigen Potenzialrelais erhalten Sie in einem Wartungshandbuch, beim Kompressorhersteller oder bei einem Zulieferer. Über das Internet lassen sich Ersatzrelais verschiedener Hersteller anhand praktischer Tabellen vergleichen. Wenn möglich, sollte bei der Bestellung eines neuen Relais die Modellnummer des neuen Relais verwendet werden. Auf dem Markt gibt es potenzielle Relais mit einstellbarem Ansprechspannungsbereich.

Potenzielle Relais haben auch eine Dauerspannungsnennleistung. Dies ist die maximale BEMF, die die Spule des Relais dauerhaft aushalten kann, ohne dass es zu einer Überhitzung und Unterbrechung des Stromkreises kommt.

Ältere, schwache oder intern beschädigte Kompressoren können aufgrund einer beschädigten Wicklung, eines schwachen Betriebskondensators, zu hoher Last, außerhalb der Toleranz aufgrund des Alters oder aus vielen anderen Gründen oft keine synchrone Drehzahl aufrechterhalten. Aus diesen Gründen fällt es ihnen möglicherweise schwer, ihre synchronen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, sobald sie in Betrieb sind. Sobald ihre Geschwindigkeit abnimmt, wird weniger BEMF erzeugt und diese kann unter ihrer Abfallspannung liegen. Die Relaiskontakte schließen dann und der Startkondensator wird wieder in Reihe mit der Startwicklung geschaltet. Dieses Szenario führt oft dazu, dass eine Motorwicklung durchbrennt oder sich öffnet, die Überlastung öffnet, der Startkondensator durch Überhitzung defekt wird oder die Relaiskontakte zu häufig öffnen und schließen, was zu einem Lichtbogenschluss führt. Oft werden ein Kondensator und/oder ein Potenzialrelais ausgetauscht und das System läuft einige Wochen oder Monate lang einwandfrei, dann tritt das gleiche Szenario erneut auf. In diesen Fällen ist es oft von Vorteil, den gealterten Kompressor, das Potenzialrelais und beide Kondensatoren auszutauschen.

John Tomczyk ist emeritierter HVACR-Professor an der Ferris State University in Big Rapids, Michigan, und Mitautor von Refrigeration & Air Conditioning Technology, herausgegeben von Cengage Learning. Kontaktieren Sie ihn unter [email protected].