Softstarter Perfekter Sanftanlauf im System

Autor / Redakteur: Rainer Günzel / Reinhard Kluger

Die neue Softstarterreihe DS7 von Eatons Geschäftsfeld Moeller deckt den Leistungsbereich von 4 bis 200 A ab (entsprechend 1.5 bis 110 kW bei 400 V). Alle Geräte sind auf die zugeordneten Schutzorgane und auf das — von den Schaltgeräten her bekannte — Optionsprogramm hin abgestimmt. Die Softstarter DS7 lösen Stern-Dreieck-Starter als vollwertige Lösung ab: Dies gilt sowohl für den Austauschfall wie auch bei der Neuplanung einer Anlage, außerdem reduzieren die Starter sowohl die Kosten als auch den Platzbedarf. Sie eignen sich insbesondere für Anwendungen bei Pumpen, Lüftern und Förderbändern.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Als einfachste Lösung für den sanften Motorstart, der nicht drehzahlgeregelt sein muss, hat der low-cost Softstarter bei vielen Kunden hohe Anerkennung erworben, da die Anschaffungskosten jenen einer Stern-Dreieck-Lösung entsprechen. Sind keine variablen Drehzahlen gefordert, ist der Softstarter die erste Wahl, weswegen sich in den letzten Jahren kostengünstige Softstarter am Markt weitgehend durchgesetzt haben. Sie bieten gegenüber dem Stern-Dreieck-Start zwei fundamentale Vorteile. An erster Stelle ist das deutlich bessere Drehmomentverhalten zu nennen: Softstarter starten den Motor auf sanfte Weise und ohne Drehmomentsprünge, anders als beim Stern-Dreieck-Start wo diese im Umschaltpunkt unvermeidlich sind. Zum zweiten unterdrücken Softstarter die dabei entstehenden Stromspitzen wirkungsvoll. Neben einer reduzierten mechanischen Belastung kommt eine Maschine auch mit geringerem Spitzenstrom aus, was bei hohen Energiekosten einen essentiellen Faktor darstellt. Die geringere mechanische Belastung resultiert zudem in einer längeren Lebensdauer, außerdem lassen sich Serviceintervalle einer Maschine verlängern – dies senkt insgesamt und langfristig betrachtet die Betriebskosten deutlich.

Softstarter sind heute zu äußerst attraktiven Preisen erhältlich, da sie nur zweiphasig gesteuert sind. Der reduzierte Hardwareaufwand wird jedoch mit einem Nachteil erhandelt, denn durch die zweiphasige Steuerung ergeben sich beim Start Drehmomentoszillationen, die sich gerade bei mittleren bis großen Leistungen in erheblichem Maße bemerkbar machen. Viele Antriebe laufen auf nicht mehr linear hoch, auch der Motorschutz wird durch die asymmetrischen Ströme erheblich erschwert. Eaton Moeller hat bereits vor gut zehn Jahren mit dem DS4 eine Lösung vorgestellt, die diese Probleme wirksam und elegant umgehen - die asymmetrische Zündsteuerung, doch dazu später mehr.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Softstarter bieten neben den Vorteilen des kontinuierlichen Drehmoments und der Beseitigung von Stromspitzen noch einen weiteren: Im Gegensatz zu Schaltgerätelösungen benötigen Anwender lediglich ein Gerät, zudem ist die Gerätebreite auf die zugeordneten Schutzschalter abgestimmt, das heißt der Softstarter DS7 beansprucht deutlich weniger Platz als seine mechanische Alternative.

Weiterführung von DS4 und DS6

Der DS4 hat sich am Markt bereits bestens etabliert und integriert viele zum Patent angemeldete Lösungen, so unter anderem die asymmetrische Zündsteuerung (EU-Patent EP1240706B1) für ein überlegenes Drehmomentverhalten. Die DS4-Reihe wurde später um die Reihe DS6 im Leistungsbereich bis 200 A erweitert. Neben der Zündsteuerung berücksichtigen DS6-Geräte auch noch weitergehende Kundenwünsche. Die DS7-Reihe schließlich kombiniert einheitlich alle Erfahrungen, sie steht als durchgängige Reihe von 4 bis 200 A abrufbar bereit. Darüber hinaus passte Eaton Moeller insbesondere Geräte bis 32 A an sein Schütz-Programm an. So besitzen Softstarter DS7 identische Anschlüsse wie Schütze gleicher Leistung. Für Anwender heißt das, dass ihnen das gesamte Programm an Erweiterungen für die Schütze auch beim DS7 als Angebot offen steht.

Mit Motorschutzschaltern PKZ

DS7 bis 12 A lassen sich über einen steckbaren Verbinder mit dem Motorschutzschalter PKZ verbinden. Neben der rein elektrischen Verbindung wird damit eine Motorstarterkombination aufgebaut, die auch ohne weitere Verschraubungen eine stabile Einheit bildet. Der rastende elektrische Verbinder stellt darüber hinaus die Funktion für eine sichtbare Trennstrecke (nach EN 60947-1 Kapitel 7.1.6) her und kann nur bei ausgeschaltetem PKZ entfernt werden, was eine unbeabsichtigte Demontage unmöglich macht.

Auch für Geräte bis 32 A gibt es einen Verbinder, der sowohl für Schütze als auch für DS7 anwendbar ist. Er bietet dank seinem Schraubanschluss eine sichere elektrische Verbindung, so insbesondere für Startströme während der Rampenzeit. Der Adapter ist fingersicher ausgelegt und schützt Anwender bei unbeabsichtigtem Berühren.

Motorstecker und Motorschutzrelais

Bis 12 A ist der Motor auch über einen Motorstecker anschließbar. Ohne die ansonsten übliche zusätzliche Klemmleiste im Schaltschrank kann die Motorleitung direkt bis zum Softstarter DS7 geführt werden. Die steckbar ausgeführten Geräte vermeiden praktisch jeden Fehler beim Anschluss, dies gilt ebenso für den Fall eines Geräteaustauschs.

Mit Leistungsschaltern NZM

Ab 41 A erfolgt der Motorschutz über Leistungsschaltern NZM. Auch hier ist DS7 auf die Gehäusebreite des zugeordneten Schalters abgestimmt und verfügt über identische Leistungsklemmenanschlüsse. Somit ist das Optionsprogramm der Leistungsschalter ebenso für Softstarter DS7 verwendbar, Anwender sparen sich spezielles Zubehör ein. Dank der Optionen lässt sich unter anderem eine höhere Schutzart wählen oder Anwender entscheiden sich für andere Anschlussvarianten statt den ab Werk verbauten Rahmenklemmen.

Sammel- und Hutschienenadapter

Auch der Aufbau auf DIN-Schienen oder Sammelschienenadapter ist problemlos realisierbar. Dies erlaubt die Vormontage von kompletten Motorstarterkombinationen, welche dann mühelos im Schaltschrank zu installieren sind. Sie bieten Anwendern die gleichen Vorteile, die sie bereits von den mechanischen Motorstarterkombinationen her kennen: Zügiger Austausch der Starter, etwa wenn ein mechanischer Starter durch einen Softstarter ersetzt werden soll.

Drehmomentschwankungen

Bei Softstartern im sehr günstigen Kostensegment werden aus monetären Erwägungen zumeist nur zwei der drei Netzphasen gesteuert, die dritte Phase wird direkt durchverbunden. Diese Lösung nimmt die Stromasymmetrie während des Hochlaufs in Kauf. Dies zieht zwei nachteilige Auswirkungen nach sich. Einerseits die asymmetrische Strombelastung selbst, denn durch den ungleichen Strom wird im Motor kein rundes Drehfeld erzeugt - die Erwärmung der einzelnen Wicklungen ist also unterschiedlich. Andererseits erzeugen die asymmetrischen Ströme ein elliptisches Drehfeld im Motor [1], wodurch netzfrequente Pendelmomente entstehen, die die elektrischen und mechanischen Teile des Motors zusätzlich belasten und oft auch die angetriebene Maschine ungünstig beeinflussen [2] oder gar einen Start unmöglich machen.

DC-Anteil

Durch die entstehenden Pendelmomente wird der Gesamt-Drehmomentverlauf des Motors derart verschoben, dass ein DC-Anteil entsteht. Üblicherweise werden DC-Ströme aber zum Bremsen eines Motors benutzt und sind daher während des Starts eigentlich unerwünscht.

Angemessener Motorschutz während der Hochlauframpe

Jeder, der den Stromverlauf in den einzelnen Phasen miteinander vergleicht, stellt schnell fest, dass — bezogen auf einen Direktstart am Netz - ständig eine Phase überlastet wird, während eine andere beständig unter dem Durchschnitt verläuft. Zwar gleicht sich die Belastung in summa aus, pro Phase betrachtet gilt dies jedoch keineswegs. Konventionelle Schutzorgane erfassen diesen Verlauf nur ungenügend und elektronische Schutzorgane sind - bei erheblichem Kostenaufwand — nur dann sinnvoll, wenn Anwender sie aus anderen Gründen sowieso einsetzen wollen oder müssen.

Für den Schutz eines mit einem zweiphasig gesteuerten Softstarter betriebenen Motors ist daher eine leichte Überdimensionierung empfehlenswert oder der Motorschutz muss in seiner Wirksamkeit eingeschränkt werden. Letzteres ist nicht ratsam, da früher oder später ein Motorausfall droht, was jede vorschnelle Kostenersparnis dahin schmelzen lässt.

Asymmetrische Ansteuerung: Unterdrücken von Stromasymmetrien in den Phasen

Normale Ansteuerverfahren basieren auf der einfachen Beziehung „Zündwinkel ist proportional zur Ausgangsspannung“, sie steuern beide Thyristorzweige mit dem gleichen Zündwinkel an (symmetrisch). Als Resultat ergeben sich die bereits beschriebenen Effekte — mit asymmetrischem Strom und oszillierendem Drehmomentverlauf im Motor.

Die einfache Schlussfolgerung, beide Phasen eben nicht symmetrisch anzusteuern, führt auch schon prinzipiell zur Lösung des Problems. Während in den Endpunkten der Rampe, nämlich bei Nullspannung und hundertprozentiger Spannung, die symmetrische Ansteuerung, sprich die Ansteuerung beider Phasen mit dem gleichen Zündwinkel, korrekte Ergebnisse liefert, muss bei allen Zwischenstufen eine Korrektur aufgebracht werden. Durch richtig gewählte Korrekturwinkel, die im Detail auch von den Motorgrößen abhängig sind, lässt sich die Unsymmetrie kompensieren und ein gleichmäßiger Verlauf der Ströme in den gesteuerten Phasen erzeugen.

Wie die Grafik zeigt, verläuft der Strom in den gesteuerten Phasen in gleicher Weise, erkennbar am Summenstrom in der ungesteuerten Phase, die zwei gleichförmige „Höcker“ aufweist. Die Hüllkurve, welche letztlich für den Gesamt-Drehmomentverlauf verantwortlich ist, bleibt gleichmäßig. Und der Rundlauf des Motors entspricht jenem des dreiphasig gesteuerten Softstarters, ohne aber dessen Kostenniveau zu erreichen.

Werden die Hüllkurven und die Verläufe der einzelnen Phasen während des Hochlaufs in Betracht gezogen, so ist jedem sofort plausibel, dass die thermische Belastung des Motors mit der asymmetrischen Zündsteuerung deutlich geringer ausfällt als ohne sie. Folglich steht einem Einsatz von Standard-Schutzorganen zum Motorschutz — auch ohne Überdimensionierung — nichts mehr im Wege. Eine ähnlich günstige Wirkung der asymmetrischen Zündsteuerung ist bei Widerstandslast zu beobachten. Mit diesem Verfahren sind beispielsweise auch dreiphasige Rampenlasten sanft einschaltbar und bieten damit eine verlängerte Lebensdauer.

Dipl.-Ing. Rainer Günzel, Produktmanager Softstarter & Drives, Eaton Electrical Sector EMEA, Eaton Industries GmbH, Bonn

(ID:360334)