»Der bessere Start«

Softstarter - Softstarter sorgen für sanften Start von Drehstrom-Asynchronmotoren. Sie steuern beim Startdes Motors die Versorgungsspannung stufenlos bis zum Bemessungswert. Jörg Randermann, Antriebsexperte von Moeller in Bonn, erklärt die Technik.

21. Juli 2006

Drehstrom-Asynchronmotoren sind weltweit die vorrangig eingesetzten Elektromotoren in der Industrie und in großen Gebäuden. Was sind ihre Hauptcharakteristika?

Randermann: Drehstrom-Asynchronmotoren zeichnen sich durch einen robusten und kostengünstigen Aufbau aus. Nachteilig ist die hohe Strombelastung beim direkten Start. Je nach Motortyp beträgt der Startstrom bis zum 15fachen des Nennstroms. Auch wenn als typischer Wert ›nur‹ der etwa sechsfache Anlaufstrom betrachtet wird, so führen diese hohen Ströme zu störenden Netzbelastungen und zu Spannungseinbrüchen, die sich auch negativ auf andere Verbraucher auswirken können. Außerdem haben diese Stromspitzen höhere Betriebskosten zur Folge. Das sind zum einen höhere Bereitstellungskosten durch die Energieversorger nach der Spitzenstromberechnung. Zum anderen haben die Stromspitzen Momentstöße in Motor und Maschine zur Folge. Dies bedeutet höhere mechanische Belastung, negative Rückwirkungen auf den Prozess, schnelleren Verschleiß und damit auch höhere Servicekosten und eine kürzere Lebensdauer.

Zur Verringerung des hohen Startstroms wurden doch bisher überwiegend Stern-Dreieck-Schützkombinationen eingesetzt?

Ja, das stimmt. In der Sternschaltung reduziert sich der Strom auf etwa ein Drittel des Stroms in der Dreieckschaltung, aber gleichzeitig verringert sich auch das Drehmoment um diesen Faktor. Zudem bedeutet die Umschaltung von der Stern- auf die Dreieckschaltung einen weiteren Strom- und damit Momentsprung zusammen mit den störenden Rückwirkungen auf das speisende Netz und die Mechanik des Antriebes.

Softstarter gelten als neuer Maßstab beim Motorstart, warum?

Softstarter beziehungsweise elektronische Sanftanlaufgeräte erfüllen die Forderungen nach einer gezielten Stromreduzierung in der Startphase des Motors und gewährleisten einen kontinuierlichen und stoßfreien Drehmomentanstieg. In Anlehnung an den Fachverband ›Schaltgeräte, Schaltanlagen, Industriesteuerungen‹ im ZVEI unterscheidet der Markt heute zwei Varianten: Zum ersten kompakte Softstarter für einfache Aufgaben im unteren Leistungsbereich und zweitens Softstarter mit einstellbarer Strombegrenzung für anspruchsvolle Aufgaben und hohe Leistungen in der Anlagentechnik. Dabei stehen heute gerade die kompakten Softstarter als Synonym für den elektronischen Motorstart und sind inzwischen auch preislich eine Alternative zur Stern-Dreieck-Schützkombination. Sie sind speziell für einfache Aufgaben im unteren Leistungsbereich ausgelegt und entsprechend einfach handhabbar. In der Regel verfügen sie über drei Einstellmöglichkeiten: Startspannung in Prozent der Netzspannung sowie Anlaufzeit und Verzögerungszeit in Sekunden. Die Steuerung der Versorgungsspannung des Motors erfolgt dabei in zwei Phasen, mit jeweils zwei antiparallel geschalteten Thyristoren pro Phase. Ein Thyristor für die positive und ein Thyristor für die negative Halbwelle. Hinzu kommen Leuchtdioden (LED), die Betriebsmeldungen und Fehlerdiagnosen erlauben und Meldekontakte (Relais) zur Ansteuerung externer Komponenten.

Müssen nicht alle drei Phasen gesteuert werden?

Nein, für einen ruckfreien Motorstart genügt eine zweiphasige Steuerung, um Motorstrom und Motorspannung in allen drei Phasen zu reduzieren. Die dritte Phase wird im Softstarter nur durchgeführt. Diese Lösung spart vor allem Kosten beim Gerät und auch Platz im Schaltschrank. Kritisch bei der zweiphasigen Steuerung ist allerdings der höhere Gleichstromanteil und das da-raus resultierende elliptische Drehfeld. Durch eine spezielle, asymmetrische Zündsteuerung der Thyristoren kann dieser Effekt jedoch eliminiert werden. Bei der Gerätereihe DS4 hat Moeller ein Patent auf dieses Steuerverfahren.

Wie erfolgt der ›sanfte‹ Start?

Durch Phasenanschnittsteuerung wird der Effektivwert der Motorspannung innerhalb einer wählbaren Anlaufzeit von der eingestellten Startspannung auf die Motorbemessungsspannung angehoben. Der Motorstrom verhält sich dabei proportional zu der am Motor angelegten Spannung. Somit ist auch der Anlaufstrom um den Faktor der am Motor anliegenden Spannung reduziert. Ein Beispiel: Bei einer Startspannung von 50 Prozent der Bemessungsspannung beträgt der Anlaufstrom des Motors etwa 50 Prozent von jenem beim Direktanlauf. Und auch das Motormoment wird beim Startvorgang reduziert. Es verhält sich proportional zum Quadrat der Motorspannung. So beträgt bei der halben Startspannung das Startmoment etwa 25 Prozent des Moments beim Direktanlauf. Der Softstarter ist somit keine Alternative zum Frequenzumrichter, wenn ein linear oder einstellbarer Drehmomentverlauf beim Start gefordert ist. Dies gilt auch für die Motordrehzahl, denn die Ausgangsfrequenz bleibt während des Startvorgangs und im Dauerbetrieb konstant und entspricht der Netzfrequenz. Eine Drehzahlregelung ist mit dem Softstarter nicht möglich, sie bleibt dem Frequenzumrichter vorbehalten.

Moeller bietet schmelzsicherungslose Motorstarterkombinationen mit Schützen an. Lässt sich mit kompakten Softstartern auch ein Verbraucherabzweig aufbauen?

Aber sicher. Bereits seit Anfang der 90er- Jahre bietet Moeller solche Lösungen an. ›Softpact MST K‹, eine Kombination von Motorschutzschalter ›PKZ2‹ und Softstarter ›MST1‹, wurde damals als Weltneuheit präsentiert. Und so können Sie auch heute problemlos mit den Softstartern und den Motorschutzschaltern ›PKZ‹ und ›NZM‹ einen sicherungslosen Verbraucherabzweig aufbauen. Dazu werden die Schutzschalter, mit Überstrom- und thermischen Überlastauslösern netzseitig vor dem Softstarter angeordnet und gewährleisten so Motor- und Leitungsschutz.

Warum werden bei den kompakten Softstartern überwiegend interne Bypass-Kontakte eingesetzt?

Wenn die Thyristoren voll durchgesteuert sind, liegt an den Anschlussklemmen des Motors die volle Netzspannung an. Da im Dauerbetrieb keine Regelung der Motorspannung nötig ist, können die Thyristoren durch Bypass-Kontakte überbrückt werden. Der Übergangswiderstand dieser Bypass-Kontakte ist deutlich geringer als der Übergangswiderstand der Thyristoren. Somit wird die Verlustleistung - hervorgerufen durch die Abwärme der Thyristoren - deutlich vermindert. Bei den Geräten der Reihe DS4-...-MX und DS6-...-MX werden die internen Bypass-Kontakte automatisch am Ende der Hochlaufzeit zugeschaltet. Gleichzeitig wird die Meldung TOR (Top-Of-Ramp), über einen Relais-Kontakt, ausgegeben.

Integrieren Softstarter auch einen ›Softstopp‹?

Ja, neben dem sanften Anlauf bieten Softstarter auch die Funktion eines zeitlich geführten Auslaufes, dem so genannten »Softstopp«. Äquivalent zum Startvorgang wird hier die Versorgungsspannung, beginnend beim Bemessungswert, kontinuierlich durch den Phasenanschnitt abgesenkt. Diese zeitgesteuerte Verzögerung verhindert den abrupten Stillstand des Antriebs und vermeidet Druckstöße bei Pumpen, den so genannten Wasserschlag. Es schont Getriebe und Keilriemen bei großen Schwungmassen, zum Beispiel Lüfter und das Fördergut bei horizontalen Transporteinrichtungen, wie Flaschen in Abfüllanlagen.

Welche besonderen Vorteile bieten Wende-Softstarter?

Wende-Softstarter ermöglichen die kontaktlose Drehrichtungsumkehr ohne störende Strom- und Drehmomentsprünge. Die Phasenfolge am Ausgang des Softstarters, und damit die Drehfeldrichtung für den Motor, wird durch eine interne Umschaltung der Thyristoren erreicht, z.B. Phasenfolge L1 - L2 - L3 wechselt auf L1 - L3 - L2. Dieser Wechsel erfolgt durch einen Befehl über Steuerklemmen und berücksichtigt die eingestellten Start- und Stoppzeiten (tSTART, tSTOP). Weiterer Vorteil gegenüber ei-ner Wendestarter-Schützkombination bzw. auch Stern-Dreieck-Wendestarter-Schützkombination ist der kompakte, Platz sparende Aufbau. Diese kompakten Wende-Softstarter werden dabei überwiegend in Transport- und Fördereinrichtungen und in Verpackungsmaschinen eingesetzt.

Wie lösen Sie besonders anspruchsvolle Aufgaben in der Anlagentechnik?

Neben den kompakten Softstartern der Reihen DS4, mit Leistungsbereichen von 2,2 kW bis 15 kW bei 400 V und DS6 von 18,5 kW bis 110 kW, gehört der DM4 zu den Softstartern für anspruchsvolle Aufgaben in der Anlagentechnik. Mit zugeordneten Anschlussleistungen von 7,5 kW bis 900 kW (bei 400 V) lässt er sich über zwei getrennt einstellbare Parametersätze optimal an jeweilige Applikationserfordernisse anpassen. Merkmale in dieser Geräteklasse sind stets die dreiphasige Steuerung, die einstellbare Strombegrenzung, dann Geräte- und Motorschutzfunktionen sowie Kommunikationsschnittstellen zur Parametrierung und für die Feldbusanschaltungen wie etwa Profibus DP. Softstarter DM4 verfügen zusätzlich über einen Applikationswahlschalter. Ohne Parametrierung lassen sich die zehn wichtigsten Applikationen auswählen, das reicht vom einfachen Rollenantrieb, über Pumpen und Lüfter bis hin zum Schweranlauf beim Schraubenkompressor.

Peter Schäfer

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006