Motorüberlastschutz (i²t) und Stillstandsschutz
Was ist i²t-Schutz?
i²t-Schutz (gesprochen „I-Quadrat-t") ist eine softwarebasierte Methode zur thermischen Überwachung von Motorwicklungen ohne physischen Temperatursensor. Der Algorithmus integriert den quadrierten Motorstrom über die Zeit und vergleicht die akkumulierte thermische Energie mit der Nennbelastbarkeit des Motors. Das Prinzip: Die Verlustleistung in einer Wicklung ist proportional zum Quadrat des Stroms (I²·R), die Gesamtenergie ist das Integral über die Zeit.
Warum ist das wichtig?
Ohne Überlastschutz können Servoantriebe ihren Motor unbemerkt zerstören:
- Wicklungsisolation — überschreitet die Wicklungstemperatur die Isolationsklasse (typisch 155 °C für Klasse F), bricht die Isolation zusammen. Windungsschlüsse und Motortotalausfall sind die Folge
- Permanentmagnet-Entmagnetisierung — Neodym-Magnete (NdFeB) beginnen bei 150–200 °C irreversibel zu entmagnetisieren. Der Motor verliert dauerhaft Drehmoment und muss ersetzt werden
- Stillstandsgefahr — bei Stillstand oder sehr niedriger Drehzahl fehlt die Kühlung durch Rotorbewegung. Derselbe Strom, der bei normaler Drehzahl sicher ist, kann im Stillstand zur Überhitzung führen
- Brandrisiko — anhaltende Überhitzung kann die Motorisolation oder umliegende Materialien entzünden
i²t ist Timer-basierten Schutzverfahren überlegen, weil es zyklische Belastungen korrekt abbildet: Wiederholte Überstrom- und Abkühlphasen werden mathematisch sauber akkumuliert.
Wie funktioniert es?
Der Algorithmus:
In jedem Stromregelzyklus (typisch alle 25–40 µs) berechnet der Antrieb:
Energieakkumulator += (I_aktuell² − I_nenn²) × dt
Liegt der aktuelle Strom über dem Nennstrom, steigt der Akkumulator — der Motor heizt auf. Liegt er darunter, sinkt der Akkumulator — der Motor kühlt ab. Bei 100 % wird die Schutzreaktion ausgelöst.
Drei Schlüsselparameter:
- Nennstrom (I_continuous) — der Dauerstrom, den der Motor thermisch unbegrenzt verträgt (aus dem Motordatenblatt)
- Spitzenstrom (I_peak) — der maximal zulässige Strom für begrenzte Zeit (typisch 2–5× Nennstrom)
- Spitzenzeit (T_peak) — die maximale Dauer bei Spitzenstrom
Per-Phase-Überwachung:
Der Algorithmus läuft unabhängig auf jeder Motorphase (U, V, W). Im Stillstand verteilt sich der Strom nicht gleichmäßig sinusförmig — eine einzelne Phase kann überhitzen, während der Gesamt-RMS-Strom unbedenklich aussieht.
Stillstandsschutz:
Unterhalb von 10 Hz elektrischer Frequenz wechselt der Algorithmus bei konzentrierten Wicklungen von RMS-Werten auf momentane Phasenstromwerte — für konservativeren Schutz bei fehlender Konvektionskühlung.
Wie setzt SOMANET das um?
SOMANET implementiert i²t-Schutz und Stillstandsschutz über das Object Dictionary 0x200A mit fünf Subindizes. Die Konfiguration basiert auf dem Motordatenblatt:
- 0x6075 (Motor Rated Current) und 0x6073 (Motor Maximum Current) definieren Nenn- und Spitzenstrom
- 0x200A:2 (Peak Time) definiert die Spitzenzeit (3.000–3.600.000 ms)
- 0x200A:5 (Motor Winding Type) unterscheidet zwischen konzentrierten und verteilten Wicklungen
Vier Schutzmodi stehen zur Verfügung: Deaktiviert (0), Strombegrenzung (1) — der Strom wird bei 100 % auf den Nennwert limitiert, Freigabe bei 50 % —, und Fehlerauslösung (2) — der Antrieb stoppt und meldet einen Fehler. Der aktuelle thermische Zustand ist über den Motor Heat Index (0x200A:3, 0–200 %) in Echtzeit abrufbar.
Weiterführende Links:
