Wechselstromschütz-Verriegelung für Kran-Heben und Senken

Bei Hubwerk, Kranfahrwerk und Katzfahrwerk eines Krans ist die Vor-/Rücklaufsteuerung des Motors die grundlegendste elektrische Funktion. Ziehen jedoch die beiden Schütze KM1 und KM2 gleichzeitig an, werden die Phasen L1 und L3 der Drehstromversorgung über die Hauptkontakte direkt kurzgeschlossen – einer der gefährlichsten Fehler im Elektroschrank eines Krans. Im günstigsten Fall werden Schütze und Motor zerstört, im schlimmsten Fall entsteht ein Brand. Die Qualität der Verriegelungsschaltung bestimmt daher unmittelbar die Sicherheitsstufe des gesamten elektrischen Systems.

Dieser Beitrag erläutert das doppelte Schutzprinzip aus elektrischer und mechanischer Verriegelung anhand eines konkreten Schaltplans mit Wechselstromschützen der Baureihe CJX2. Dargestellt werden Komponentenauswahl, Verdrahtung, Inbetriebnahme und eine systematische Fehlersuche für die Vor-/Rücklaufsteuerung.

Warum die Schützverriegelung unverzichtbar ist

Beim Heben und Senken des Hubwerks, beim Links- und Rechtsfahren der Kranbrücke sowie beim Vor- und Rückwärtsfahren der Laufkatze steuern zwei Wechselstromschütze KM1 und KM2 jeweils die Drehrichtung des Elektromotors. Schließen beide Hauptkontakte gleichzeitig, kommt es im Hauptstromkreis zu einem direkten Kurzschluss zwischen L1 und L3 – der Kurzschlussstrom kann mehrere tausend Ampere erreichen, zerstört die Schützkontakte, schmilzt die Leiterisolation und kann im schlimmsten Fall einen elektrischen Brand auslösen.

Die Norm EN 60204-32 (Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 32: Anforderungen für Hebezeuge) fordert ausdrücklich eine elektrische Verriegelung zwischen den Vor- und Rücklaufschützen von Hebezeugen, um ein gleichzeitiges Anziehen infolge verschweißter Kontakte oder eines Steuerkreisdefekts zu verhindern. Die Vorschrift TSG 51-2023 – Sicherheitstechnische Sondervorschrift für Sonderausrüstung – verlangt darüber hinaus redundante Auslegung und das Fail-Safe-Prinzip für sicherheitsrelevante Steuerkreise.

Doppelte Verriegelung: elektrisch und mechanisch

Die Vor-/Rücklaufsteuerung des Krans nutzt eine zweistufige Schutzarchitektur aus elektrischer und mechanischer Verriegelung. Beide Mechanismen arbeiten unabhängig voneinander und sind redundant: Selbst wenn ein Schutzpfad versagt, verhindert der andere ein gleichzeitiges Anziehen von KM1 und KM2.

Elektrische Verriegelung – Ein NC-Hilfskontakt von KM1 wird in den Spulenkreis von KM2 geschaltet, gleichzeitig ein NC-Hilfskontakt von KM2 in den Spulenkreis von KM1. Zieht KM1 an, öffnet sein NC-Kontakt und unterbricht physikalisch die Spannungsversorgung der KM2-Spule – und umgekehrt. Diese kreuzweise Verschaltung gewährleistet auf Schaltungsebene, dass KM1 und KM2 niemals gleichzeitig Spannung erhalten können.

Mechanische Verriegelung – Die Taster SB2 (Vorlauf) und SB3 (Rücklauf) sind als mechanisch gekoppelte Doppeltaster ausgeführt (z. B. Typ LAY7-11BN/3). Die beweglichen Kontaktbrücken beider Taster sind über einen Hebelmechanismus verriegelt: Wird SB2 gedrückt, zwingt die Mechanik den Kontakt von SB3 in die Offenstellung – und umgekehrt. Selbst wenn der Bediener beide Taster gleichzeitig betätigt, kann nur der zuerst durchgedrückte Taster den Stromkreis schließen; der andere wird mechanisch in der Offenstellung gehalten.

Komponentenauswahl und Kenndaten

Die Zuverlässigkeit der Schützverriegelung hängt nicht nur vom Schaltungsprinzip ab, sondern maßgeblich von der korrekten Auswahl der Komponenten. Nachfolgend sind die wichtigsten Bauteile für Haupt- und Steuerkreis mit Auswahlkriterien und empfohlenen Typen aufgeführt.

Auswahlkriterium für den Nennstrom des Schützes: In der Gebrauchskategorie AC-3 muss der Nennstrom Ie des Schützes mindestens dem 1,25-fachen des Motor-Nennstroms In entsprechen. Beispiel: Motor YE3-132M-4 mit 7,5 kW, In = 15,2 A – hier ist das Schütz CJX2-5011 (50 A) mit ausreichender Reserve geeignet. Der Hilfskontaktblock F4-22 stellt 2 NO + 2 NC Kontakte bereit, wobei je 1 NC für die elektrische Verriegelung verwendet wird. Der Einstellstrom des Thermorelais FR wird auf das 1,05-fache des Motor-Nennstroms gesetzt, also 1,05 × 15,2 A = 16,0 A.

Verdrahtung und Inbetriebnahme Schritt für Schritt

Die Verdrahtung und Inbetriebnahme der Schützverriegelung erfolgt in fünf Schritten. Bei jedem Schritt muss die Anlage spannungsfrei geschaltet und das Ergebnis mit einem Multimeter geprüft werden.

Schritt 1: Hauptkreis verdrahten – Vom Leistungsschalter QF werden L1/L2/L3 auf die oberen Anschlüsse von KM1 (1/L1, 3/L2, 5/L3) geführt. Die unteren Anschlüsse von KM1 (2/T1, 4/T2, 6/T3) gehen auf die oberen Anschlüsse von KM2 – jedoch mit Phasentausch zwischen L1 und L3: KM1/2/T1 (Phase L1) wird auf KM2/5/L3 (Phase L3) geführt, KM1/6/T3 (Phase L3) auf KM2/1/L1 (Phase L1). Phase L2 wird direkt durchgeschleift. Die unteren Anschlüsse von KM2 führen zum Thermorelais FR, dessen Ausgang U/V/W den Motor speist.

Schritt 2: Steuerkreis verdrahten – Vom Leistungsschalter QF wird die Phase L1 als Steuerspannungsversorgung abgegriffen. In Reihe liegen der Stopp-Taster SB1 (NC) und der Vorlauf-Taster SB2 (NO). Von dort verzweigt der Kreis: Der Vorlaufzweig führt über den NC-Hilfskontakt von KM2 (elektrische Verriegelung) zur Spule von KM1; der Rücklaufzweig über den NC-Hilfskontakt von KM1 zur Spule von KM2. Die beiden Spulenanschlüsse werden zusammengeführt und auf den Neutralleiter N der Steuerspannungsversorgung zurückgeführt.

Schritt 3: Verdrahtung der Selbsthalteschaltung – Die KM1-Spule wird parallel zum NO-Hilfskontakt von KM1 (Selbsthaltekontakt) geschaltet, ebenso die KM2-Spule parallel zum NO-Hilfskontakt von KM2. Nach dem Loslassen des Starttasters hält das Schütz über seinen eigenen NO-Kontakt die Spannungsversorgung der Spule aufrecht und realisiert so die Selbsthaltefunktion.

Schritt 4: Statische Prüfung vor dem Einschalten – Den Hauptstromkreis-Leistungsschalter QF öffnen und den Steuerstromkreis mit dem Multimeter im Widerstandsmodus punktweise durchmessen: Bei Betätigung von SB2 muss die KM1-Spule einen Durchgang aufweisen (Widerstand ca. 50–80 Ω), während die KM2-Spule unterbrochen sein muss (NC-Verriegelungskontakt geöffnet). Bei Betätigung von SB3 gilt die umgekehrte Logik. Werden SB2 und SB3 gleichzeitig betätigt, muss die mechanische Verriegelung ein gleichzeitiges Einschalten beider Pfade verhindern.

Schritt 5: Dynamische Inbetriebnahme und Lasttest – Zuerst die Motorverdrahtung trennen (U/V/W am unteren Ende von FR freischwebend lassen), den Leistungsschalter QF schließen und nacheinander SB2, SB1, SB3, SB1 betätigen. Am unteren Ende von FR mit dem Multimeter im Wechselspannungsmodus prüfen: Bei Betätigung von SB2 müssen die drei Phasen U/V/W spannungsführend und in korrekter Phasenfolge sein; bei Betätigung von SB3 müssen U/V/W ebenfalls Spannung führen, jedoch mit vertauschten Phasen L1/L3. Darauf achten, dass die Schütze mit einem klaren, schnappenden Geräusch anziehen, ohne Flattern, und dass die Spulenerwärmung im Normalbereich liegt. Abschließend den Motor anschließen und jeweils 5 Minuten im Leerlauf sowie unter Nennlast betreiben, um die korrekte Drehrichtung und einen ruhigen Lauf zu verifizieren.

Vergleich der Verriegelungsvarianten

Die verschiedenen Verriegelungskonzepte unterscheiden sich hinsichtlich Zuverlässigkeit, Kosten und Anwendungseignung. Nachfolgend werden sechs gängige Varianten anhand von vier Kriterien gegenübergestellt.

Typische Fehleranalyse und Fehlerbehebung

In der Dauerbetriebsphase von Kran-Hebewerken können in der Wendeschützschaltung Störungen wie Versagen der Verriegelung, Nicht-Anziehen des Schützes oder unerwartetes Auslösen auftreten. Nachfolgend sind die drei häufigsten Fehlerbilder und die jeweiligen Diagnose- und Behebungsmaßnahmen aufgeführt.

Fehler 1: Rechtslauf funktioniert, Linkslauf startet nicht – Prüfen Sie zunächst, ob der Schließer (NO-Kontakt) des Tasters SB3 leitend ist (Messung mit dem Multimeter im Durchgangsbereich). Überprüfen Sie anschließend den Öffner (NC-Hilfskontakt) von KM1 auf Kontaktprobleme durch langjährige Nutzung. Messen Sie den NC-Kontakt von KM1 (üblicherweise die Klemmen 61-62) im abgefallenen Zustand – dieser muss einen Durchgangswert von 0 Ω aufweisen. Liegt der Widerstand über 10 Ω, ist der Hilfskontaktblock zu tauschen. Abschließend den Widerstand der KM2-Spule prüfen (Sollwert 50–80 Ω); bei einer Unterbrechung der Spule muss das Schütz ersetzt werden.

Fehler 2: Schütz zieht an und fällt sofort wieder ab (Pendeln) – Die häufigste Ursache ist ein schlechter Kontakt des Selbsthaltekontakts. Im Moment des Anziehens von KM1 muss der parallel zu SB2 geschaltete Schließer (NO-Hilfskontakt, Klemmen 53-54) zuverlässig schließen, um die Spannungsversorgung der Spule aufrechtzuerhalten. Ist dieser Kontakt oxidiert oder die Kontaktfeder ermüdet, steigt der Übergangswiderstand. Die Spule verliert nach dem Loslassen von SB2 die Spannung, das Schütz fällt ab; nach dem Zurückfedern von SB2 wird der Stromkreis erneut geschlossen – es entsteht ein schnelles Anziehen und Abfallen (Pendeln). Abhilfe: Hilfskontakt reinigen oder ersetzen. In einem Notfall kann die Selbsthaltung kurzzeitig überbrückt werden, um den Betrieb aufrechtzuerhalten.

Fehler 3: Leistungsschalter löst sofort nach dem Einschalten aus – Ursache ist ein Kurzschluss zwischen den Phasen im Hauptstromkreis. Prüfen Sie zunächst, ob die Hauptkontakte von KM1 und KM2 gleichzeitig geschlossen sind (bei abgeschalteter Steuerspannungsversorgung den Anker des Schützes manuell eindrücken und beobachten). Sind die Hauptkontakte beider Schütze geschlossen, ist die Verriegelung vollständig ausgefallen. In diesem Fall sofort die Spannungsversorgung unterbrechen, die Verriegelungskontakte im Steuerstromkreis ersetzen und die Phasenvertauschung im Hauptstromkreis (L1/L3) überprüfen. Ein Fehler in der Vertauschung (L1/L3 nicht gekreuzt) führt lediglich zu einer unveränderten Drehrichtung des Motors, jedoch nicht zu einem Kurzschluss. Wenn jedoch KM1/KM2 auf derselben Phase liegen und aufgrund der defekten Verriegelung gleichzeitig anziehen, entsteht ein direkter Kurzschluss.

Weiterführende Informationen

Weitere Beiträge zur elektrischen Sicherheit von Kranen und zu Normen:

① EN 60204-32 – Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Anforderungen an Planung, Auswahl und Installation der elektrischen Ausrüstung von Kranen;

② Vorschrift TSG 51-2023 – Sicherheitstechnische Sondervorschrift für Sonderausrüstung – Redundanzauslegung und Fail-Safe-Prinzipien für Sicherheitssteuerkreise;

③ Norm DIN 15018 – Konstruktionsvorschriften für Krane – Berechnung und Sicherheitsfaktoren für Hub- und Fahrwerke.

④ GB/T 28264 – Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge – Parametrierung und Abnahmestandard für das Sicherheitsüberwachungssystem der elektrischen Kransteuerung;

⑤ Auswahl und Konfiguration elektrischer Steuerungssysteme für Krane – Leitfaden für die komplette elektrische Ausrüstung vom Schütz bis zur SPS-Steuerung.

Häufige Fragen (FAQ)