Wikilektro – Motoren starten – Technische Grundlagen und Auswahlkriterien – Teil 1

Siemens Whitepaper I Januar 2020

Die richtige Lösung für das Starten von Drehstrom-Asynchronmotoren Die ersten Elektromotoren wurden bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt. Nachdem Werner von Siemens 1866 seine Dynamomaschine patentieren ließ, verbreiteten sich Elektromotoren weltweit und werden heute in den unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt. Das Grundprinzip des Motors, durch elektrische Energie rotierende Bewegungen zu erzeugen, ist dabei immer gleichgeblieben. Allerdings gab es in den letzten 150 Jahren zahlreiche Entwicklungen, Elektromotoren und ihre Steuerung zu optimieren, die auch dazu führten, dass für das Starten von Elektromotoren mehrere Optionen zur Wahl stehen. Drehstrom-Asynchronmotoren sind aktuell die am meisten genutzten Elektromotoren in der Industrie. In diesem Dokument sind deshalb die technischen Grundlagen des Startens und Betreibens von DrehstromAsynchronmotoren zum schnellen Nachschlagen beschrieben. Ein chronologisches Lesen des kompletten Textes ist nicht unbedingt notwendig. Sie erhalten eine Übersicht über die wichtigsten Applikationen für Elektromotoren und entscheidende Kriterien bei der Auswahl der Startart. Dabei werden auch aktuelle Trends wie Energieeffizienz und Digitalisierung betrachtet. Das Dokument dient damit als Entscheidungshilfe, um die richtige Technologie für die individuelle Anwendung zu finden.

Starten von Motoren: Technologische Grundlagen

In der Regel besteht ein Motorabzweig aus mindestens zwei Komponenten: der Elektromotor wird über ein Schaltorgan gestartet, z.B. ein Schütz; ein Schutzorgan ist dafür zuständig den Motor vor Überlast zu schützen, z.B. ein Leistungsschalter (Motorschutzschalter) oder ein Überlastrelais. Je nach Aufbau des Motorabzweigs unterscheidet man zwischen folgenden Startarten:

Direkt- und Wendestart
Beim Direktstart wird der Motor über ein einzelnes Schaltorgan (z.B. ein Schütz) direkt angesteuert und mit der vollen Leistung eingeschaltet. Der Einschaltstrom und auch das Anfangsdrehmoment sind dabei sehr hoch, was zu Netzbeeinträchtigungen, z.B. Spannungseinbrüchen, und einer hohen mechanischen Belastung der Anlage führen kann. Die für Direktstart zulässige Motorgröße ist abhängig vom Einsatzgebiet. Beispielsweise gibt es Energieversorgungsunternehmen, die ab einer Leistung von 5,5 kW keinen Direktstart mehr zulassen. Bei autarken Netzen in Industriebetrieben werden dagegen auch wesentlich größere Motoren direkt gestartet.

Konventionell wird der Direkt- und Wendestart elektromechanisch über eine Leistungsschalter-Schütz- bzw. Schütz-Überlastrelais-Kombination realisiert. Mit den sogenannten Motorstartern gibt es aber auch kompakte Geräte, die beide Funktionen in einem Gerät vereinen. Typische Applikationen: • Universell einsetzbar • Motoren bis 250 kW, die mit Festdrehzahl betrieben und direkt gestartet werden können

Stern-Dreieck-Kombination
Beim Starten eines Motors mit Sterndreieck-Kombination werden drei Schütze benötigt: Stern-, Dreieck- und Netzschütz. Das Anlaufstrom wird beim Stern-Dreieck-Start durch die Sternschaltung auf ca. 1/3 gegenüber Direktstart reduziert. Nach erreichen der Nenndrehzahl des Motors wird mit Hilfe eines speziellen Zeitrelais von Stern- auf Dreieckschaltung umgestellt. Dabei entsteht eine weitere kleinere Stromspitze, die allerdings deutlich geringer ausfällt als beim Direktstart.

Typische Applikationen: • Universell einsetzbar • Applikationen, in denen Anlaufstromspitzen vermieden werden müssen • Applikationen, in denen Drehmomentspitzen vermieden werden müssen • Größere Motoren bis ca. 500 kW

Sanftstarter
Sanftstarter können grundsätzlich für Anwendungen im kleinen Leistungsbereich bis zu hohen Leistungsbereichen genutzt werden (1,1 kW bis 1200 kW). Beim sanften Anlauf des Motors entstehen, durch die im Sanftstarter verbauten Thyristoren, deutlich geringere Stromspitzen oder Drehmomentstöße als bei Direktstart. Einige Sanftstarter bieten weitere integrierte Funktionen wie sanften Auslauf, DC-Bremsen, Trockenlaufschutz, Pumpenreinigung und Schutz vor Wasserschlag. Eine Besonderheit ist auch die Schleichgangfunktion der Sanftstarter SIRIUS 3RW, die es ermöglicht, den Motor im Betrieb kurzzeitig mit niedriger Drehzahl in beide Drehrichtungen anzusteuern, z.B. um Teile auf einem Förderband zu positionieren. Der Sanftstarter ist durch die verbauten Komponenten nicht von Kontaktverschleiß betroffen und daher ein nahezu wartungsfreies Schaltgerät. Im regulären Betrieb benötigt der Sanftstarter nur drei Motorleitungen, wenn man ihn allerdings in Wurzel-3 Schaltung verkabelt, um mit einem kleineren Sanftstarter einen größeren Motor zu starten, werden sechs Motorzuleitungen benötigt. Diese Variante erfordert jedoch einen dreiphasig gesteuerten Sanftstarter (kostenoptimierte Ausführungen sind oftmals nur zweiphasig ausgeführt). Moderne Sanftstarter sind heute meist mit elektromechanischen Überbrückungskontakten ausgestattet. Damit verbunden kann im laufenden Betrieb – also nach Anlauf und vor Auslauf – die Verlustleistung deutlich reduziert werden.

Typische Applikationen: • Applikationen, bei denen ein sanfter Anlauf benötigt wird (z.B. Förderband) • Applikationen, bei denen ein sanfter Auslauf benötigt wird (z.B. Pumpen)

Frequenzumrichter
Ein Frequenzumrichter (FU) wird immer dann benötigt, wenn die Drehzahl während des Betriebs variabel sein muss oder besondere Betriebsansprüche bestehen. Der FU verändert die Frequenz und Amplitude der Wechselspannung. Dadurch wird die Drehzahl des Motors beeinflusst. Viele FUs sind zudem mit Sensoreingängen bestückt, um den aktuellen Status (also z.B. aktuelle Drehzahl und Winkelposition) des Motors zu beobachten. Beim Austausch von mechanischen Ventilen (z. B. in Pumpenapplikationen durch eine drehzahlvariable Steuerung mit Frequenzumrichter kann in bestehenden Anlagen eine höhere Energieeffizienz erreicht werden. Zusätzlich gibt es auch FUs, die im Vier-Quadranten-Betrieb auch Energie zurückspeisen können, z. B. beim Abbremsen von Lasten.

Typische Applikationen • Applikationen mit flexiblen Einsatzzwecken (variable Drehzahlanpassung) • Applikationen mit nicht genau planbarem Leistungsbedarf (variable Anpassung der Motorleistung an den tatsächlichen Bedarf zur Steigerung der Energieeffizienz)

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Weiter geht es mit folgenden Themen:
– Grundapplikationen beim Starten von Motoren
– Kriterien bei der Auswahl der Startart
– Trends und Entwicklungen

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