MOTION & DRIVES Direktanlauf und Anlauf mit Frequenzumrichter im Vergleich

Redakteur: Reinhard Kluger

Sie schonen Netz, Motor und die vorhandenen mechanischen Übertragungselemente vor Stoßströmen und Stoßdrehmomenten: Sanftanlaufgeräte, deren kostengünstige Variante unsymmetrisch nur in zwei Strängen schaltet. Die High-End-Lösung schneidet symmetrisch in allen drei Strängen die Phase an, um die Spannung zu variieren.

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Mit einem zwischen Drehstromnetz und Drehstrom-Asynchronmotor geschalteten (Drehstrom-)Steller (Wechselwegschalter W2C oder W3C, Sanftanlaufgerät), der nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung der Spannung arbeitet, kann der Asynchronmotor mit variabler Spannung U, aber weiterhin konstanter Frequenz f, betrieben werden. Dadurch bleibt der Motor an die starre, aus der Netzfrequenz f und der Polpaarzahl p abgeleitete, synchrone Drehzahl nd = f/p gebunden. Bei konstanter Speisefrequenz f ändern sich durch Absenken der Spannung (Amplitudensteuerung) der Drehmomentverlauf im ganzen Betriebsbereich; wobei der Kippschlupf sK erhalten bleibt; gleichzeitig sinkt mit der Spannung auch der Strom. Für den Betriebspunkt beim Schlupf s gilt: I ~ U, in erster Näherung M ~ U 2 (praktisch sinkt das Drehmoment wegen der Sättigung von Streuwegen meist noch stärker). Diese Einflussmöglichkeiten werden technisch genutzt, um während des Anlaufs den hohen Schalt-Anzugsstrom IA oder das Stoß-Anzugsdrehmoment MA zu reduzieren und die Belastung für Netz und Mechanik zu vermeiden. Zu bedenken ist: Asynchronmotoren mit ausgeprägtem Sattelmoment in der Kennlinie können bei Betrieb mit abgesenkter Betriebsspannung U hängen bleiben. Sind große Losbrechmomente zu überwinden, muss der Steller für den dort auftretenden hohen Anzugsstrom ausgelegt werden. Ideale Einsatzfälle für Sanftanlaufgeräte sind Ventilatoren und Zentrifugalpumpen wegen ihrer geringen Drehmomentanforderungen im unteren Drehzahlbereich, wie im Bild angedeutet.

Heute gebräuchlichen Schaltungen des Leistungsteils sind: Die kostengünstige unsymmetrisch zweisträngige und die „High-End“ symmetrische dreisträngige Schaltung für Motoren in Stern- (Y-) oder in Dreieckschaltung (?-Schaltung). Die Steller arbeiten nach dem Prinzip der Spannungsabsenkung durch Phasenanschnittsteuerung und verändern dadurch die Drehmomentkennlinie der gespeisten Motoren. Da sich die Nutzer oft eine gezielte Netzstromreduzierung und/oder einen stoßfreien Drehmomentanstieg in der Anlaufphase des Antriebs wünschen, werden „Sanftanlaufgeräte“ – Neu-Deutsch „Softstarter“ – immer öfter mit dem Ziel der Reduzierung des Anzugsstroms IA und/oder des Anzugsdrehmoments MA eingesetzt. Strom (I ~ U) und Drehmoment (M ~ U ²) lassen sich aber nur gleichzeitig, nicht unabhängig voneinander verringern. Die Software der elektronischen Sanftstarter steuert die Speisespannung des Motors stufenlos. Angekoppelte mechanische Betriebsmittel werden besonders schonend beschleunigt und die Netzrückwirkungen bleiben gering. Die negativen mechanischen Einflüsse anderer herkömmlicher Anlassverfahren − wie z.B. die dynamischen Stoßmomente beim Direktschalten, beim Widerstandsanlasser oder beim Überschalten von „Stern“ in „Dreieck“ (beim Y-?-Anlauf) werden vermieden [1]. So z.B.:

? das Aufschlagen der Zahnflanken im Getriebe,

? das Durchrutschen von Keil- und Flachriemen,

? die Druckstöße in Rohrleitungssystemen und

? die Ruckeffekte bei Transporteinrichtungen (Bändern usw.).

Auch auf der elektrischen Seite gibt es Vorteile: Spannungseinbrüche, die andere parallele Verbraucher, z.B. Rechner, stören, werden vermieden und: der Spitzenstrombedarf der Anlage wird reduziert, was zu geringeren Bereitstellungskosten durch die EVUs führt. Merke: Die Antriebe werden sanft zum Netz und sanft zu den mechanischen Übertragungsgliedern gestartet und gebremst. Bei den eingesetzten Startergeräten unterscheidet man zwei Ausführungsvarianten: Sanftanlaufgeräte für einfache Startaufgaben meist für den unteren kW-Leistungsbereich mit den großen Stückzahlen und Sanftanlaufgeräte für anspruchsvolle Einsätze bis weit in den 100 kW-Bereich, die eine programmierbare komplexere Funktionalität für den Anlauf und den Betrieb nutzen. Alle diese Sanftanlaufgeräte müssen die Produktnorm EN 60 947-2-4 erfüllen.

Kostengünstige Geräte für die Praxis

Bei einfachen Applikationen mit kostengünstigen Geräten (W2C) lassen sich die Startspannung und die Hochlauf- und Rücklauf-Zeiten einstellen. Diese Geräte steuern die Spannung nur in zwei Strängen, während der dritte Strang direkt durchgeschleift ist. Spezielle Algorithmen in der Ansteuerung verhindern Gleichstromglieder im geschalteten Strom der Starter. Nach dem erfolgten Hochlauf werden die Thyristoren durch mechanische Kontakte überbrückt, um die Durchlassverluste zu reduzieren. Das reduziert auch die Baugröße, weil die Kühlkörper kleiner ausfallen können.

Die Einstellung der Startspannung U und der Hochlauf- und Rücklaufzeit t erfolgt ohne große Berechnung an den Potentiometern direkt „vor Ort“ am Antrieb. Die Auswirkung auf den Antrieb und das Netz kann dann sofort beim nächsten Start eines Hochlaufs überprüft (und geändert) werden.

Die Oszillogramme eines Arbeitsspiels bei einem W2C-Gerät zeigen: Strang 1 ist nur durchgeschleift, in Strang 2 und 3 wird geschaltet. Dadurch ergeben sich die Unterschiede in den Oszillogrammen. Wegen der Unsymmetrie im Leistungsteil haben die Ströme während des An- und Hochlaufs unterschiedliche Kurvenformen. Nach dem Hochlauf und der Überbrückung sind sie wieder symmetrisch und sinusförmig.

Bei dem Sanftanlaufgerät W2C in Sparschaltung sind Hochlauf- und Tieflaufdiagramme sowie Liniendiagramme der Strangströme und der Drehfelder für drei verschiedene Zeitpunkte bzw. Spannungen dargestellt. Man erkennt in den Strangstromverläufen, dass die angeschnittenen Ströme von Strang 1 und 2 über den durch geschleiften Strang 3 zurück fließen, sowie den Zeitpunkt, an dem die beiden Thyristorschalter überbrückt werden. Die „Höcker“-Kurvenform der Ströme unterscheidet sich in den Strängen mit Anschnitt von dem Stromverlauf (Doppelhöcker) in dem Leiter, der nur durchgeschleift ist. Das Drehfeld ist während des An- und Hochlaufs (1-3) quasi „elliptisch“ und erreicht erst nach erfolgtem Hochlauf und Überbrückung wieder die Kreisform. Der „unrunde“ Drehfeldverlauf deutet auf Pendelmomente an der Welle während der Hochlaufphase hin.

Bei den programmierbaren komplexeren (High-End-)Geräten (W3C) lassen sich die Hochlaufzeit Rampen und/oder Begrenzungen für die Strom-, Drehmoment- und Leistung sowie die Spannungswerte einstellen (programmieren). Auch Überwachungsfunktionalitäten sind einstellbar. Soll ein Losbrechmoment überwunden werden, kann man die Spannung im Anlaufzeitpunkt gezielt kurzzeitig erhöhen (Boost, Startimpuls), dadurch steigt natürlich auch kurzzeitig der Anlaufstrom an. Auch Schweranlauf, z.B. bei großen Schwungmassen, kann eingestellt werden. Die vielfältigen Möglichkeiten moderner Geräte und die Auswirkungen auf Spannungs-, Strom- und Drehmomentverläufe müssen den konkreten Bedienungsanleitungen entnommen werden. Beim Betrachten von Oszillogrammen eines Hochlaufvorgangs bei einem symmetrischen Gerät erkennt man beim Strom- und Drehmomentverlauf die Auswirkungen der angehobenen Startspannung. Während der Spannungsrampe steigt die Drehzahl an und erreicht bereits vor der vollen Betriebsspannung die Enddrehzahl.

Steller als Sanftauslaufgerät

Die Drehfelder während des Hochlaufs zeigen: Das Drehfeld ist während des und Hochlaufs „sechseckig“ und erreicht erst nach erfolgtem Hochlauf und Überbrückung wieder die Kreisform (bei 1,0 UN). Der sechseckige Drehfeldverlauf deutet auf 300 Hz Pendelmomente an der Welle während der Hochlaufphase hin. Ist nach dem Hochlauf der Maschine die volle Betriebsspannung erreicht, werden die Halbleiterschalter des Stellers zur Verlustreduzierung über ein Schütz (durch mechanische Kontakte) überbrückt.

Zur Dreieck-Schaltung (Delta-Schaltung): Bei den Geräten für Y-Schaltungen benötigt man nur drei Motorzuleitungen. Bei der Dreieckschaltung (?-Schaltung) werden sechs Leitungen (wie bei der Y-?-Schaltung) benötigt. Der Vorteil liegt darin, dass der die Auslegung bestimmende Strangstrom is (= Auslegestrom) nur ca. 60% des Motorleitungsstroms iL ausmacht und man somit mit kleineren Geräten auskommt. Dies kann man bei der Nachrüstung von Y-?-Schaltung auf Sanftanlaufgerät nutzen.

Bei Antrieben von Kreiselpumpen in Rohrnetzen sollte man für einen geführten Auslauf sorgen, um ein plötzliches Abreißen der Flüssigkeitssäule, mit der Folge von sogenannten Wasserschlägen, und daraus resultierende Schäden an den Rückschlagklappen usw. zu vermeiden. Über einen Steller lässt sich ein sanfter geführter Auslauf erreichen und so die Lebensdauer des Rohrsystems verlängern. Gleiches gilt für die Mechanik bei Transportbändern sinngemäß. Die Auswahl der Geräte erfolgt in der Praxis bei Normalbedingungen nach der Bemessungsleistung des Motors. Nur im konkreten Schweranlauffall muss den Gegebenheiten durch größere Bemessung von Motor und Gerät Rechnung getragen werden. Rechenprogramme (Win-Soft, Siemens) oder einfache „Rechenschieber“ (Moeller) erleichtern die Auswahl [2].

Das Fazit: Die Lebensdauerkosten sinken. Betrachtet man die Lebensdauerkosten eines Antriebs, so können Sanftanlaufgeräte nicht nur zur Schonung von Netz und Mechanik beitragen [3], sondern indirekt auch zu der des „Geldbeutels“ durch geringeren Wartungsaufwand bei der Mechanik und der Absenkung von Spitzen im Netz.

Literatur - Lesetipps zum Thema

[1] ZVEI-Druckschrift: Motor starten im Wandel der Zeiten. 01. 1998

[2] Griepentrog, G. u. D. Runggaldier: Simulation von Drehstromstellerantrieben. Antriebstechnik 40 (2001) Nr. 4, S. 92 bis 97

[3] Brosch, Peter F.: Moderne Stromrichterantriebe. Vogel Verlag Würzburg 5. Auflage 2007

Prof. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, FH Hannover

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