Drehstrom-Asynchronmotoren sanft starten

Dipl.-Ing. (FH) Jörg Rieß

Drehstrom-Asynchronmotoren haben einen Anlaufstrom, der einem Vielfachen des Motornennstroms entspricht. Zur Schonung der speisenden Netze ist eine Reduzierung dieser hohen Anlaufströme unbedingt notwendig. Ebenso verhält es sich mit dem Motormoment. Bei einem Direktstart von Asynchronmotoren entsteht ein Momentenstoß, der nicht nur den Motor selbst belastet. Der Verschleiß von Getrieben, Riemenantrieben oder auch Kupplungen wird durch diesen Momentenstoß deutlich erhöht.

Über einer bestimmten Motorleistung (üblicherweise ab ca. 11 kW) werden in der Industrie deswegen immer häufiger Maßnahmen zur Reduzierung von Motoranlaufstrom und -moment vorgeschrieben. Als gute und preisgünstige Lösung für diese Aufgabe haben sich die elektronischen Motorsanftstarter herausgestellt. Drei verschiedene Ausführungen zeigt Abbildung 1. Sie reichen vom einfachsten Gerät aus der Sirius-Schaltgerätereihe bis 100 A über den Sikostart 3RW34 für ebenfalls einfache Anwendungen im Leistungsbereich bis 1720 A bis hin zur High-End-Lösung – dem Sikostart 3RW22 bis 1200A, der neben umfangreichen Funktionen auch den Betrieb von explosionsgeschützten Motoren im EEx-Bereich zuläßt.

Ein elektronischer Motorsanftstarter reduziert durch Phasenanschnitt der Netzspannung die Klemmenspannung des Motors. Dabei wird der Anlaufstrom des Motors proportional zur Klemmenspannung reduziert. Beispielsweise verringert eine Reduzierung der Klemmenspannung um die Hälfte einen Motorstartstrom von 70 auf 35 A. Dabei treten keine transienten Stromspitzen mehr auf, die das speisende Netz belasten. Auch kann es durch die Reduzierung der Spitzenströme zu einer deutlichen Kostenersparnis in der Dimensionierung der Leitungen und der Schaltgeräte in der Netzzuleitung kommen.

Mit dem Anlaufstrom wird auch das Motormoment reduziert und steigt kontinuierlich und ohne belastende Spitzen bis zum Nennmoment. Durch die frei wählbare Startspannung kann der Sanftstarter also optimal auf die Gegebenheiten der Anlage angepaßt werden.

Beim Sirius 3RW3 werden die oben genannten Vorteile eines Sanftstarters mit den Vorteilen der etablierten Sirius-Schaltgerätefamilie verbunden. Der Sirius 3RW3 zeichnet sich nicht nur durch volle Kompatibilität zu den anderen Schaltgeräten von Sirius aus. So wurde hier einer der kleinsten Sanftstarter überhaupt geschaffen, der mit nur vier Baugrößen den kompletten Leistungsbereich bis zu 55 kW bei 400 V abdeckt. Die Baubreiten der verschiedenen Ausführungen liegen zwischen 45 und 70 mm. Dank der möglichen Dicht-an-Dicht-Montage lassen sich auf einer 600 mm langen Hutschiene bis zu 13 Motorabzweige aufschnappen.

Die kompakte Bauweise dieser Sanftstarter wird durch eine konsequente Optimierung der Leistungsteile erreicht. Entsprechend sind diese in Hybridtechnik ausgeführt. Die Leistungshalbleiter (je zwei antiparallele Thyristoren je Phase) werden nach dem Hochlauf des Motors durch integrierte Kontakte überbrückt. Somit lassen sich auch die Verlustleistungen der Sirius-Sanftstarter auf ein Minimum reduzieren. Ein externer Bypass-Schütz ist nicht mehr notwendig, Schaltschrankplatz und Montageaufwand lassen sich einsparen.

Jede Kombination aus Leistungsschalter Sirius 3RV und Sanftstarter Sirius 3RW, die einem kompletten sicherungslosen Verbraucherabzweig bilden, hat somit äußerst kleine Abmessungen (Abb. 2). Soll ein sicherungsbehafteter Abzweig erstellt werden, ist auch eine Kombination mit einem thermischen oder elektronischen Überlastrelais möglich.

Auch die Ansteuerung der Sirius-Sanftstarter ist denkbar einfach. So können die Starter direkt, d. h. ohne Einsatz von Koppelgliedern, von einer SPS angesteuert werden. Zwei Relaisausgänge melden die Betriebszustände „Eingeschaltet“ und „ Motor hochgelaufen“ zurück.

Dieser moderne Motorabzweig ist seinen elektromechanischen Partnern in vielen Belangen überlegen. Zur hohen Schalthäufigkeit gesellt sich ein lautloser Betrieb und weitestgehende Antriebsschonung durch Momenten- und Anlaufstrombegrenzung. Alle Sirius- Sanftstarter verfügen über die Zulassungen gemäß IEC, UL/CSA usw. und können so auf der ganzen Welt eingesetzt werden. Ein Einsatzbeispiel zeigt Abbildung 3.

Eine Erweiterung der Sirius-Gerätereihe bieten die elektronischen Motorsteuergeräte Sikostart 3RW34, die einen Leistungsbereich von 30 bis über 1000 kW abdecken. Dies entspricht bei 400 V Nennspannung und 40 °C Umgebungstemperatur 57 bis 1720 A Motorbemessungsstrom. Diese hohe Bandbreite wird durch einen Schaltungskniff erreicht: dem Betreiber der Anlage wird die Wahlmöglichkeit zwischen zwei Schaltungsvarianten gelassen (Abb. 4). Die Auswahl dieser Betriebsart erfolgt über einen DIP-Schalter, über den jeder Sikostart 3RW34 standardmäßig verfügt. Standardschaltung heißt, daß die Schaltgeräte zum Trennen und Schützen in Reihe mit dem Sanftstarter eingebaut werden; der Motor wird wie gewohnt mit drei Leitungen an den Sanftstarter angeschlossen.

In der Wurzel-3-Schaltung ähnelt die Verdrahtung des Sanftstarters der eines Stern-Dreieck-Starters. Die Phasen des Sanftstarters werden in Reihe mit den einzelnen Motorwicklungen geschaltet. Der große Vorteil hierbei ist, daß der Sanftstarter nur noch den Strangstrom des Motors, also nur noch 58% des Motornennstroms, führen muß. Da Leiterstrom und Strangstrom fest mit dem Faktor „Wurzel 3“ verbunden sind, wurde diese Schaltung entsprechend bezeichnet.

Auf einfachste Montage und Inbetriebnahme wurde besonderer Wert gelegt. So ist die Anpassung von Sikostart 3RW34 an die Anforderungen der Anlage über nur drei Potentiometer möglich. Das Gerät verfügt über alle wichtigen Funktionen, über die ein Sanftstarter verfügen muß. Hier sind als Beispiel nur sanfter An- und Auslauf sowie drei zum Teil parametrierbare Hilfsausgänge zu nennen.

Als Clou ist es sogar möglich, aus dem Standardgerät mit nur wenigen Handgriffen einen AS-interface-kompatiblen Sanftstarter zu machen. Hierzu muß lediglich eine optional lieferbare Platine auf das Hauptsteuerteil aufgesteckt und verschraubt werden. So kann das elektronische Motorsteuergerät nicht nur über den AS-interface-Bus angesteuert, sondern auch die Hilfskontakte entsprechend ausgewertet werden.

Durch die Vielzahl seiner Funktionen ermöglicht der Sikostart 3RW22 auch eine Anpassung an schwierigste Anlagenanforderungen. Sikostart 3RW22 ist z. B. mit einem elektronischen Geräteschutz ausgerüstet. Dieser schützt die Leistungselektronik direkt vor thermischer Überlastung, z. B. durch eine Überlast des angesteuerten Motors. Dadurch eignet sich der Starter besonders für den Einsatz bei Antrieben mit hoher Anlaßhäufigkeit, bei Tippbetrieb oder bei Schweranlauf, da hier die Leistungselektronik besonders stark thermisch beansprucht wird.

Auch verfügt Sikostart 3RW22 über eine serielle RS232-Schnittstelle. Sie ermöglicht zusammen mit dem PC-Programm COM Sikostart und einem üblichen seriellen Anschlußkabel ein einfaches Parametrieren, Steuern und Beobachten des Motorsteuergeräts über einen handelsüblichen PC oder Notebook. So kann das Gerät zum Beispiel wahlweise mit bis zu drei Parametersätzen betrieben werden. Der Vielzahl der möglichen Anwendungen sind so nahezu keine Grenzen gesetzt (z.B. Einsatz bei Dahlander- oder polumschaltbaren Motoren, Windkraftanlagen, serielles Anlassen von Motoren mit unterschiedlichen Parametersätzen u.v.a.m.).

Hierzu paßt auch die Möglichkeit, Motoren im EEx-geschützten Bereich anzusteuern. Hier wurde von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) bestätigt, daß für Motoren in der Zündschutzart „d“ (druckfeste Kapselung) keine Bedenken bestehen, den Anlauf mit Sikostart 3RW22 im Rahmen der den pauschalen Konformitätsbescheinigungen zugrunde liegenden Bedingungen mit zu erfassen, ohne dies ausdrücklich zu erwähnen.

Auch der Betrieb von Motoren in der Zündschutzart „e“ ist ohne Bedenken möglich, soweit es sich beim Anlauf nicht um einen Schweranlauf handelt. Eine entsprechende PTB-Prüfbescheinigung liegt vor.

Mit einem speziellen Auswahlprogramm kann der Sikostart 3RW22 optimal auf die Gegebenheiten einer Anlage angepaßt werden. Eine Berücksichtigung auch von komplizierten Anlaufparametern wie sehr hohem Massenträgheitsmoment oder Berücksichtigung eines hohen Losbrechimpulses ist hier ohne Probleme möglich. Sikostart 3RW22 kann mit dieser kostenlosen Software optimal auf die Anforderungen der Anlage angepaßt werden. Die Auswirkung der möglichen Einstellmöglichkeiten auf die jeweilige Applikation lassen sich zudem einfach simulieren.

Halle 14, Stand C41/C59

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