Explosionsgeschützte Ex-Motoren: Zündschutzarten Ex d und Ex e, Temperaturklassen, ATEX-Zonen und sicherer Betrieb am Frequenzumrichter – inklusive IE3-Pflicht nach VO (EU) 2019/1781.“
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Ex d oder Ex e: Zündschutzarten für Ex-Motoren im Vergleich
Wer einen Motor für eine explosionsgefährdete Zone beschafft, trifft zuerst die Entscheidung über die Zündschutzart. Elektrische Betriebsmittel werden dafür nach der Normenreihe DIN EN 60079 gekennzeichnet, wobei der Kennbuchstabe hinter „Ex“ das Schutzprinzip angibt. Bei der druckfesten Kapselung Ex d nach IEC/EN 60079-1 schließt das Gehäuse eine interne Explosion ein und verhindert deren Übertragung nach außen über definierte Spaltweiten und Spaltlängen, etwa an den Lagerschildern. Die erhöhte Sicherheit Ex e nach IEC/EN 60079-7 (Untergruppen eb und ec) verfolgt den umgekehrten Ansatz: Funkenbildung und unzulässige Erwärmung werden bereits konstruktiv ausgeschlossen, unter anderem durch vergrößerte Luft- und Kriechstrecken sowie einen Motorschutzschalter mit definierter Auslösezeit t_E.
| Merkmal | Ex d (druckfeste Kapselung) | Ex e (erhöhte Sicherheit) |
|---|---|---|
| Norm | IEC/EN 60079-1 | IEC/EN 60079-7 (eb/ec) |
| Schutzprinzip | Interne Explosion wird im Gehäuse eingeschlossen, Flammenübertragung über definierte Spaltweiten und Spaltlängen verhindert | Funken und unzulässige Erwärmung werden konstruktiv vermieden |
| Typische Merkmale | Robustes, druckfestes Gehäuse, definierte Spaltweiten an Lagerschildern | Größere Luft-/Kriechstrecken, Motorschutzschalter mit Auslösezeit t_E |
| Typischer Einsatz | Zone 1, hohe mechanische Belastung | Zone 1 und 2, wartungsarme Standardantriebe |
Von der Zündtemperatur zur Temperaturklasse T1 bis T6
Unabhängig von der Zündschutzart muss die maximale Oberflächentemperatur des Motors unter der Zündtemperatur des vorhandenen Gases oder Dampfes liegen. Dafür sind die Temperaturklassen T1 bis T6 definiert, wobei die Klasse stets niedriger als die Selbstentzündungstemperatur des Stoffes angesetzt wird[1]. Die Zündschutzarten selbst sind in der Normenreihe DIN EN 60079 geregelt; welche Zündschutzarten es für elektrische und nichtelektrische Betriebsmittel an Maschinen gibt, beschreibt die BG RCI[2].
| Temperaturklasse | Maximale Oberflächentemperatur | Typische Stoffe (Zündtemperatur) |
|---|---|---|
| T1 | 450 °C | Wasserstoff (560 °C), Methan (595 °C) |
| T2 | 300 °C | Ethanol (425 °C), Acetylen (305 °C) |
| T3 | 200 °C | Benzin (280 °C), Diesel (220 °C) |
| T4 | 135 °C | Diethylether (160 °C), Acetaldehyd (175 °C) |
| T5 | 100 °C | Schwefelkohlenstoff (95 °C), selten eingesetzt |
| T6 | 85 °C | Schwefelkohlenstoff (95 °C), strengste Klasse |
Für die Praxis gilt: T4 mit einer Grenztemperatur von 135 °C deckt die meisten Lösemitteldämpfe ab und hat sich als sichere Standardwahl etabliert, wenn die Gaszusammensetzung nicht vollständig bekannt ist. Vorsicht ist bei der Gasgruppe geboten: Wasserstoff und Acetylen gehören trotz teilweise hoher Zündtemperaturen zur Gruppe IIC mit kleinen Grenzspaltweiten und verlangen daher die aufwendigste Bauart, unabhängig von der Temperaturklasse. Temperaturklasse und Gasgruppe sind zwei unabhängige Parameter der Ex-Kennzeichnung und dürfen nicht verwechselt werden.
Gerätekategorie und Ex-Zone: Die Zuordnungsmatrix
Die Richtlinie 2014/34/EU teilt Ex-Betriebsmittel in die Gerätekategorien 1, 2 und 3 ein, ergänzt um den Kennbuchstaben G für Gase und Dämpfe beziehungsweise D für Stäube. Welche Zone in einer Anlage vorliegt, legt hingegen der Anlagenbetreiber fest: Im Explosionsschutzdokument nach Richtlinie 1999/92/EG bewertet er die explosionsfähigen Atmosphären und ordnet die Zonen 0, 1 und 2 beziehungsweise 20, 21 und 22 zu. Der Motorenhersteller erklärt die Konformität seines Geräts nach 2014/34/EU, die Zuordnung von Betriebsmittel und Zone trifft jedoch der Betreiber auf Basis seiner Gefährdungsbeurteilung.
| Zone (Gas) | Zone (Staub) | Gerätekategorie | Kennzeichnung |
|---|---|---|---|
| Zone 0 | Zone 20 | Kategorie 1 | „1G“ beziehungsweise „1D“ |
| Zone 1 | Zone 21 | Kategorie 2 | „2G“ beziehungsweise „2D“ |
| Zone 2 | Zone 22 | Kategorie 3 | „3G“ beziehungsweise „3D“ |
Die Kennzeichnung auf dem Typenschild fasst alle Parameter zusammen. Ein Bremsgerät mit der Angabe „EX II 2 D/G c T1…T6“ ist demnach für die Gerätekategorie 2 in Gas- und Staubatmosphäre (Zone 21 beziehungsweise Zone 1) und für alle Temperaturklassen T1 bis T6 zugelassen. Wie wir bei ATEX-Bremsen im Detail beschreiben, hängt eine solche Konformität zudem an definierten Werkstoffpaarungen, etwa zwischen Reibmaterial und Bremsscheibe.
Für Konstrukteure und Systemplaner bedeutet dies: Jedes Betriebsmittel muss mit exakter technischer Spezifikation auf die ermittelte Zone, die Gasgruppe und die Temperaturklasse abgestimmt sein. Eine zu großzügig ausgelegte Kennzeichnung erhöht die Kosten unnötig, eine zu knapp bemessene schließt den bestimmungsgemäßen Einsatz aus. Wer komplette Antriebsstränge für Förderaufgaben in Ex-Bereichen auslegt, findet in unseren ATEX-Getriebemotoren eine abgestimmte Lösung, bei der Motor, Getriebe und Zubehör als System auf die jeweilige Zone ausgelegt sind.
Ex-Motor am Frequenzumrichter: Zusatzbedingung X
Soll ein Ex-Motor drehzahlgeregelt betrieben werden, enthält seine Bescheinigung in der Regel die Zusatzbedingung X. Sie weist darauf hin, dass das Gerät nur unter den in der Prüfbescheinigung genannten besonderen Bedingungen sicher einzusetzen ist. Beim Umrichterbetrieb ist der zentrale Punkt der thermische Schutz: Die Oberwellen des Umrichters verteilen die Wicklungserwärmung anders als im Netzbetrieb, und bei niedrigen Drehzahlen sinkt zudem die Kühlwirkung des Eigenlüfters. Ein rein bimetallischer Überlastschutz, der nur den Strom beobachtet, erfasst diese veränderte Erwärmungsverteilung nicht zuverlässig.
- Eingebaute Kaltleiter (PTC-Fühler) in den Wicklungen statt reinem Bimetallschutz, damit die Wicklungstemperatur direkt gemessen wird
- Auswertung der Fühlersignale über ein zertifiziertes Relaismodul oder einen entsprechend konfigurierten Umrichtereingang, da der PTC-Stromkreis eigensicher ausgelegt sein muss[3]
- Abstimmung von Drehzahlfenster, Kühlauslegung und Schutzparametern zwischen Motor und Umrichter gemäß den Angaben der Bescheinigung
Genau hier entscheidet sich die Qualität der Integration. Ein Ex-Motor, dessen thermischer Schutz isoliert betrachtet wird, ist im Umrichterbetrieb nur die halbe Lösung. Wir empfehlen, Motor, Schutztechnik und Frequenzumrichter von vornherein als System auszulegen; die Grundlagen dazu beschreiben wir in den Artikeln zu thermisch geschützten Motoren und zu frequenzumrichterkompatiblen Motoren. Eine passgenaue Abstimmung im gesamten Antriebsstrang senkt das Risiko ungeplanter Stillstände und erhält die Zertifizierung des Gesamtsystems.
Betreiberpflichten nach Richtlinie 1999/92/EG und Explosionsschutzdokument
Mit der Inbetriebnahme geht die Verantwortung auf den Betreiber über. Die Richtlinie 1999/92/EG verlangt ein Explosionsschutzdokument, das Zoneneinteilung, getroffene Schutzmaßnahmen und die Zuordnung der Betriebsmittel dokumentiert. Änderungen an Anlage oder Betriebsmitteln sind darin laufend nachzuführen; das Dokument ist die Grundlage für alle weiteren Prüfungen und Instandhaltungsmaßnahmen.
Wiederkehrende Prüfung von Ex-Motoren nach IEC 60079-17
- Prüffristen für Ex-Betriebsmittel festlegen und im Prüfkatalog dokumentieren (Höchstfrist drei Jahre nach Betriebssicherheitsverordnung)
- Erstprüfung und wiederkehrende Prüfung nach DIN EN IEC 60079-17 durch Elektrofachkraft durchführen lassen
- Auslösezeiten von Motorschutzschaltern stichprobenartig verifizieren, insbesondere bei Zündschutzart „e“
- Änderungen an Anlage oder Betriebsmitteln im Explosionsschutzdokument nachführen
Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen sind nach DIN EN IEC 60079-17 regelmäßig durch eine Elektrofachkraft zu prüfen. Für Überstromschutzeinrichtungen von Elektromotoren schreibt die Betriebssicherheitsverordnung vor, dass die Prüffrist drei Jahre nicht überschreiten darf; je nach Einstufung der funktionalen Sicherheit kann eine kürzere Frist geboten sein. Bei Motoren der Zündschutzart „e“ kann die Prüfung zusätzlich die Messung der Auslösezeit durch Strominjektion umfassen, wobei die gemessene Zeit innerhalb einer Toleranz von maximal 20 Prozent mit der Kennlinie übereinstimmen muss.
IE-Effizienzklassen bei Ex-Motoren: Ausnahme und Praxis
Ein oft übersehener Punkt ist die Energieeffizienz. Explosionsgeschützte Motoren fallen unter die Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/1781: Seit dem 1. Juli 2021 gelten für Ex-Drehstrommotoren ab 0,75 kW bis 1.000 kW (mit Ausnahme der Zündschutzart Ex eb) die Anforderungen der Wirkungsgradklasse IE3[4], seit dem 1. Juli 2023 zusätzlich IE2 für Ex-eb-Motoren[4]. Für Betreiber lohnt sich der Blick über die Mindestanforderung hinaus; die Wirtschaftlichkeit höherer Effizienzklassen bewerten wir im Artikel zu IE3-Motoren.
Explosionsschutz ist keine Eigenschaft eines einzelnen Motors, sondern eine Aufgabe des gesamten Antriebsstrangs. ATEK Drive Solutions entwickelt und fertigt deshalb Motoren und Controller als Teil kompletter, projektfertiger Antriebssysteme, abgestimmt mit den passenden Getrieben und Bremsen bis hin zu Lösungen für Siloanlagen und Förderstrecken in Ex-Zonen: Explosionsgeschützte Getriebemotoren. Aus einer Hand ausgelegt, dokumentiert und geprüft, reduzieren solche Systeme den Integrationsaufwand für Konstrukteure und Betreiber und sichern die Verfügbarkeit der Anlage über den gesamten Lebenszyklus.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen den Zündschutzarten Ex d und Ex e?
Bei der druckfesten Kapselung (Ex d) wird eine interne Explosion im Gehäuse sicher eingeschlossen, sodass sie nicht nach außen dringen kann. Bei der erhöhten Sicherheit (Ex e) wird durch konstruktive Maßnahmen, wie vergrößerte Luftstrecken, bereits im Vorfeld verhindert, dass Funken oder unzulässig hohe Temperaturen überhaupt erst entstehen.
Welche Bedeutung haben die Temperaturklassen T1 bis T6?
Die Temperaturklassen geben die maximale Oberflächentemperatur an, die ein Betriebsmittel im Einsatz erreichen darf. Diese Temperatur muss immer einen sicheren Abstand zur Zündtemperatur des Gases haben. T6 ist die strengste Klasse (maximal 85 Grad Celsius), während T4 für bis zu 135 Grad Celsius zugelassen ist.
Wer ist für die Einteilung der ATEX-Zonen in einer Anlage verantwortlich?
Die Verantwortung für die Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche in konkrete Zonen liegt beim Anlagenbetreiber. Gemäß der Betriebsrichtlinie 1999/92/EG muss dieser eine Gefährdungsbeurteilung durchführen und die Zoneneinteilung in einem verbindlichen Explosionsschutzdokument festhalten.
Darf ein Ex-Motor ohne Weiteres an einem Frequenzumrichter betrieben werden?
Nein, der Betrieb am Frequenzumrichter erfordert in der Regel eine explizite Zulassung, die oft mit der Zusatzbedingung X vermerkt ist. Da Umrichter durch Oberwellen zusätzliche Wärme erzeugen, müssen spezielle Temperaturfühler wie PTC-Kaltleiter verbaut sein, um den Motor sicher vor Überhitzung zu schützen.
Müssen explosionsgeschützte Motoren die IE3-Effizienzklasse erfüllen?
Ja, mit einer Ausnahme: Nach der Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/1781 gelten seit dem 1. Juli 2021 für Ex-Drehstrommotoren ab 0,75 kW bis 1.000 kW die Anforderungen der Wirkungsgradklasse IE3; nur Motoren der Zündschutzart Ex eb mussten erst seit dem 1. Juli 2023 mindestens IE2 erfüllen. Für Betreiber lohnt sich der Blick über die Mindestanforderung hinaus, denn höhere Effizienzklassen senken die Betriebskosten der Anlagen nachhaltig.
