Stosowane od lat 30. XX wieku zabezpieczenia elektromechaniczne silników elektrycznych były co prawda proste w obsłudze, ale jednocześnie na tyle zawodne i prymitywne, że nie zapewniały skutecznej ochrony przed różnego typu awariami. Ich funkcja ograniczała się do odcięcia dopływu prądu w razie przegrzania się układu, co w wielu sytuacjach tylko pobieżnie rozwiązywało problem nieprawidłowej pracy silnika – źródło awarii pozostawało nierozpoznane i w dalszym ciągu generowało usterki, prowadząc ostatecznie do trwałego uszkodzenia napędu. Stąd też jeszcze w latach 70. i 80. ubiegłego wieku awaryjność silników elektrycznych wynosiła średnio 20-30 awarii rocznie na 100 eksploatowanych urządzeń. Przełom nastąpił dopiero kilkanaście lat później wraz z wprowadzeniem na rynek pierwszych przekaźników elektronicznych, a następnie mikroprocesorowych. Ich upowszechnienie – w połączeniu z poprawą jakości uzwojeń stojanów – zaowocowało znacznym spadkiem liczby awarii. Według wyliczeń ekspertów w latach 1999-2002 średni okres bezawaryjnej pracy silników elektrycznych przed pierwszym remontem wynosił 14 lat, a między pierwszym a drugim remontem – 10 lat.

Główne przyczyny awarii silników elektrycznych
Aby zrozumieć przyczyny tej zmiany, konieczne jest dokonanie analizy głównych źródeł zakłóceń pracy silników elektrycznych. Jak podają Włodzimierz Korniluk i Krzysztof Waldemar Woliński w swojej pracy „Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa”, większość owych awarii jest efektem uszkodzeń uzwojeń stojana (75%), uzwojeń wirnika (do 6%), obydwu tych elementów (22%) i/lub łożysk tocznych.

Największymi zagrożeniami dla prawidłowej pracy silnika są zwarcia międzyfazowe, międzyzwojowe i doziemne, a także uszkodzenia mechaniczne: naruszenie szczelności izolacji i połączeń czołowych cewek uzwojenia stojana, jak również uszkodzenie stojana, wału, łożysk, rdzenia wirnika, wentylatora, skrzynki zaciskowej i/lub szczotki. Większość z nich wynika z długotrwałego oddziaływania przeciążeń cieplnych spowodowanych szeregiem czynników związanych z atypowymi warunkami pracy układu. Do tych ostatnich należą: nieprawidłowy rozruch, zbyt częste rozruchy, utknięcie silnika, przeciążenia ruchowe, asymetria zasilania, praca niepełnofazowa, a także obniżenie i zaniki napięcia. Stymulując szybki wzrost temperatury uzwojeń wirnika i stojana, czynniki te w dłuższej perspektywie powodują ich przegrzewanie się, a tym samym obniżenie trwałości izolacji. Jej uszkodzeniom (przebiciom) sprzyja także wysokie zapylenie, wilgoć, długotrwała eksploatacja oraz uszkodzenia mechaniczne.

Zalety przekaźników mikroprocesorowych
W przypadku zabezpieczeń elektromechanicznych przeciążenie cieplne silników elektrycznych skutkuje przerwaniem dopływu prądu aż do ostygnięnia przekaźnika do temperatury mieszczącej się w dopuszczalnym przedziale. Wadą takiego rozwiązania jest z jednej strony niebezpieczeństwo zbyt szybkiego ponownego załączenia silnika spowodowane szybszym – w stosunku do tempa schładzania się układu – stygnięciem przekaźnika, a z drugiej brak możliwości sterowania pracą urządzenia i wykorzystania go jako indykatora źródła awarii.

W przeciwieństwie do swoich poprzedników przekaźniki mikroprocesorowe cechują się złożoną budową umożli wiającą realizację szeregu dodatkowych funkcji dzięki połączeniu układów pomiarowego, rejestrującego, sterowniczego i sygnalizacyjnego w jednym urządzeniu. Nie tylko precyzyjnie lokalizują usterkę, izolując jedynie uszkodzony element, ale są także niezwykle czułe, pozwalając na wykrywanie nawet niewielkich prądów ziemnozwarciowych w sieci uziemionej przez rezystor. Co więcej, działają szybko (średnio w czasie 0,02-0,04 s) i niezawodnie (m.in. dzięki współpracy z komponentami systemu sterowania maszyn), oferując przy tym możliwość dostosowywania wartości kryterialnych do bieżących potrzeb serwisowych i specyfiki układu napędowego (programowalność).

Największą zaletą przekaźników cyfrowych jest jednak rozbudowana funkcja pomiaru i rejestracji parametrów pracy silnika umożliwiająca porównywanie ich w czasie rzeczywistym z wartościami referencyjnymi (w tym także w trakcie oraz po wystąpieniu usterki) i przekazywanie zebranych danych do systemu sterowania. Dzięki temu przekaźnik może pośrednio sterować pracą układu, na bieżąco informować o wykrytych awariach, a także wyświetlać komunikaty ułatwiające identyfikację źródła usterki. Zapewniając wyższy poziom zabezpieczenia silnika, przyczynia się wydatnie do wydłużenia jego żywotności – pod warunkiem, że nauczymy się właściwie odczytywać wysyłane przez niego sygnały.

Przeciążenia termiczne układu
Biorąc pod uwagę wpływ na żywotność i prawidłową pracę silników elektrycznych, najważniejszymi parametrami monitorowanymi przez przekaźniki są obciążenie termiczne, mechaniczne i ciągłość uziemienia. 

Przekroczenie dopuszczalnej (określonej w instrukcji użytkowania) temperatury pracy silnika wskazuje na skokowy wzrost wartości prądu w układzie, który – poza wymienionymi wyżej przyczynami – może być spowodowany również uszkodzeniem łożysk, nadmiernym momentem oporowym napędzanej maszyny roboczej, pogorszeniem warunków chłodzenia silnika i/lub podwyższeniem temperatury otoczenia, a w przypadku silników synchronicznych także wypadnięciem z synchronizmu lub utratą wzbudzenia. Czynniki te mogą nie tylko doprowadzić do przegrzania się uzwojeń wirnika i stojana, a tym samym skrócenia żywotności ich izolacji, ale także do trwałego uszkodzenia układu napędowego m.in. na skutek powstałego w efekcie zwarcia. Stąd też tak ważna jest szybka reakcja przekaźnika umożliwiająca natychmiastowe wyłączenie silnika aż do momentu obniżenia temperatury jego komponentów do wartości bezpiecznej dla jego funkcjonowania. Zaletą przekaźników cyfrowych jest w tym przypadku wykorzystanie dynamicznego modelu termicznego umożliwiającego porównanie dopuszczalnej wartości prądu z tą mierzoną w układzie. W przeciwieństwie do sensorów termicznych monitorujących temperaturę uzwojeń model ten umożliwia wykrywanie anomalii w różnych punktach układu oraz precyzyjne rejestrowanie temperatury silnika po wyłączeniu, co ogranicza niebezpieczeństwo zbyt szybkiego ponownego uruchomienia przed osiągnięciem optymalnej temperatury układu.

Nieszczelność izolacji
Jeśli na skutek długotrwałego oddziaływania wysokich obciążeń termicznych lub uszkodzenia mechanicznego dojdzie do naruszenia szczelności izolacji uzwojeń lub przewodów zasilających, prędzej czy później skutkuje to zwarciem międzyfazowym lub międzyzwojowym w uzwojeniu stojana oraz wtórnym zwarciem doziemnym (upływem prądu do ziemi). O ile pierwsze dwa rodzaje awarii są łatwe do wykrycia i powodują natychmiastową reakcję przekaźników w postaci odcięcia dopływu prądu do układu, o tyle zwarcie doziemne nie zawsze daje się prosto zdiagnozować. Jeżeli bowiem punkt neutralny transformatora jest izolowany lub uziemiony przez dławik albo rezystor, wartości prądu doziemnego będą znacznie niższe niż wartości prądów zwarć międzyfazowych, a tym samym niemalże niewykrywalne dla konwencjonalnych zabezpieczeń elektromechanicznych. Alternatywnym roz wiązaniem tego problemu może być zastosowanie na wejściach dodatkowych czułych przekładników prądowych lub przekaźnika monitorującego stan izolacji. Przekaźnik taki działa dużo szybciej niż mikroprocesorowe przekaźniki z przekładnikami, ponieważ wykrywa zwarcie jeszcze przed uruchomieniem silnika, nie dopuszczając do jego rozruchu w przypadku stwierdzenia nieszczelności izolacji.

Pozostałe funkcje
Poza wymienionymi funkcjami najnowsze cyfrowe przekaźniki bezpieczeństwa pozwalają również na wykrywanie wielu anomalii sprzyjających wystąpieniu przeciążeń termicznych lub zwarć, tym samym nie dopuszczając do powstawania tych ostatnich. Jedną z nich jest niesymetria prądu między trzema fazami spowodowana nadpaleniem styków stycznika w jednej z faz, a także całkowity zanik jednej z faz sprzyjający przeciążeniu i szybkiemu przegrzewaniu się pozostałych.

Komunikaty wysyłane przez przekaźniki mogą zawierać ponadto informacje o zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciu skutkującym uszkodzeniem silnika bądź izolacji oraz jego niesymetrii w jednej z faz spowodowanej niewłaściwym doborem lub zaburzeniami w pracy źródła zasilania albo transformatora.

Co więcej, nowoczesne urządzenia korzystają też często z danych pozyskanych z innych komponentów układu, np. tachometrów czy przekładników prądowych. Te pierwsze pozwalają na wczesne wykrycie awarii przyspieszenia lub zwolnienia silnika skutkującej zbyt dużym lub zbyt małym obciążeniem mechanicznym napędu. Przekładniki prądowe umożliwiają z kolei wykrycie niewielkich prądów upływowych w uzwojeniach mogących doprowadzić do zwarcia doziemnego.