Starten und steuern von Drehstrom-Asynchronmotoren

1 Rg RandermannStarten und steuern 12:42:10 12:42:10 Uhr2 Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der weltweit am meisten eingesetzte Elektromotor in industriellen Anlagen und gro en Geb uden. Einfach in Aufbau und Handhabung, flexibel in unterschiedlichen Einsatzbereichen und kosteng nstig im Betrieb. Er ist qualitativ und preislich die g nstigste Antriebsl f r den Drehstrommotor ist die hohe Strombelastung im speisenden Netz beim direkten Einschalten. Durch das Anlegen der vollen Spannung entstehen hohe Anlauf- und Sto str me, mit st renden Spannungseinbr chen im Netz und starken Sto momenten in der der Erfindung des Drehstrommotors vor ber 100 Jahren (1889) wurden L sungskonzepte f r das Anlassen entwickelt, welche die unangenehmen Nebenerscheinungen eliminieren sollten. Doch welche dieser L sungskonzepte den Wunsch nach einem zufrieden stellenden Start- und optimalem Betriebsverhalten erf llen, entscheiden die Anwendungen (Applikationen) und letztendlich auch die wirtschaftlichen vereinfachten bersicht werden hier die vier wichtigsten und in der Praxis bekanntesten Anlaufmethoden zum Starten und steuern der Drehstrom-Asynchronmotoren vorgestellt.

2 Dabei wird bewusst auf detaillierte Beschreibung der Ger te und Funktionen verzichtet und allgemeine Grundkenntnisse der elektrischen Antriebstechnik 12:42:20 12:42:20 Uhr3 MaF13 / N / PE / AC 50/60 HzQ1F2M13~MB1T1Q23~Md3~Mbc3~YdDer Drehstrom-Asynchronmotor wird in Bezug auf Konstruktion und Schaltart seines passiven L ufers auch K figl ufer oder Kurzschlussl u-fer (-motor) genannt. Vergleichbar einem rotie-renden Transformator und gem seiner Wirk-weise ist aber auch die Bezeichnung Indukti-onsmotor blich. Ausf hrungen mit getrennten Statorwicklungen werden als Dah landermotor bezeichnet. Eine weitere Auspr gung ist der Schleifringl ufer (-motor). Hier sind die Wick-lungen des L ufers ber drei Schleifringe her-ausgef hrt und werden erst au erhalb des Motors ber Widerst nde vielf ltig die Auspr gungen und Benennun-gen beim Asynchronmotor sind, so vielf ltig sind auch die jeweiligen Motorabg nge zum Starten und steuern .

3 Zur vereinfachten ber-sicht werden hier nachfolgend vier der bekann-testen und wichtigsten Motorabg nge betrachtet. Bei der Einspeisung ein dreiphasi-ges, mittelpunktgeerdetes Wechselstromnetz (3 / N / PE / AC 50/60 Hz) zugrunde r die hier nachfolgend aufgef hrten Start-varianten bietet Eaton moeller das komplette Programm im Motorabgang zum Schalten, Sch tzen und Steuerung von Drehstrom- 1: MotorstartvariantenF1 = Absicherung (Kurzschluss- und Leitungsschutz)Q1 = Schalten (Leistungssch tz, Motorsch tz)F2 = Motorschutz (Schutz vor thermischer berlast, Motorschutzrelais)M1 = Drehstrom-Asynchronmotora Direkter Motorstart. b Stern-Dreieck-Starter, die bekannteste und am meisten angewandte Softstarter (Q2), der kontinuierliche und stufenlose Motorstart. Eine moderne, elektronische Alternative zum Frequenzumrichter (T1), gef hrter, stufenloser Motorstart mit Nennmoment. Frequenzumrich-ter erm glichen zudem eine stufenlose Drehzahlsteuerung und haben einen elektronischen Motorschutz (I2t) integriert.

4 Je nach Auspr gung erm glichen sie auch die genaue Drehzahl-regelung (Option, Impulsgeber B1) beim sonst schlupfabh ngigen f r den 12:42:22 12:42:22 Uhr4abca90 0L1L2L3360 L1120 120 120 180 270 L1L2L3U1V2W3L1L2L3U1V2W3 SternschaltungDreieckschaltung1410 min-1230 / 400 / A50 HzIP 54 Iso. KI KWS1cos v / Y1410 min-1400 / 690 / A50 HzIP 54 Iso. KI KWS1cos v / YL1L3L2V1V2U1W2W2U2 ULNILNL1L3L2U1W1V1V2W2U2 ULNLNULN = 3 UWILN = IWULN = UWILN = 3 IWU1V1W1W2U2V2L1L2L3 ULNILNU1V1W1W2U2V2L1L2L3 ULNILN Mit seiner Spannungsangabe von 230/400 V muss dieser Motor in der Sternschaltung am Drehstromnetz (ULN = 400 V) angeschlossen werden. Die Spannung einer Motorwicklung ist hier f r eine maxi-male Spannung von 230 V ausgelegt. Die drei Wicklungsstr nge (W2-U2-V2) sind im Klemmkas-ten zum so genannten Sternpunkt zusammen gefasst. Die Spannung der einzelnen Phasen zum Sternpunkt ist 230 V.

5 Mit seiner Spannungsangabe von 400/690 V muss dieser Motor in der Dreieckschaltung am Drehstromnetz (ULN = 400 V) angeschlossen werden. Jede Motorwicklung ist hier f r die maximale Phasenspan-nung von 400 V ausgelegt und kann direkt angeschlossen werden. F r den Direktanlauf werden im Klemmkasten die Enden der Wicklung zusammengefasst (U1-W2, V1-U2, W1-V2) und mit den einzelnen Phasen 2: Motor-Anschlussschaltungen, RechtslaufBeim Anschluss des Drehstrommotors am elektrischen Netz m ssen die Daten auf dem Leistungsschild mit der Netzspan-nung und der Netzfrequenz bereinstimmen. Der Anschluss erfolgt dabei ber sechs Schraubenverbindungen (Standardaus-Abbildung 3: Rechtsdrehung: Phasenfolge Anschlussklem-men Antriebsseitef hrung) im Klemmkasten des Motors und unterscheidet zwei Grundschaltungen, die Stern- und die DreieckschaltungBeispiel f r eine Netzanschlussspannung 3 AC 400 V, 50 Hz (siehe Abbildung 2)Anschlussschaltung des DrehstrommotorsGenerell sind die Eigenschaften eines Drehstrommotors in Nor-men festgelegt (DIN/VDE 0530, IEC/EN 60034).

6 Kons truktive M glichkeiten zur Ausf hrung bleiben den Herstellern den-noch. So findet man beispielsweise im preissensiblen Markt kleinere Motorleistungen (<4 kW) und hier besonders bei Pumpen und L ftern immer wieder Motoren ohne Klemmkas-ten. Hier sind die Wicklungen dann bereits im Motor zum Stern-punkt verbunden und nur drei Anschlussleitungen f r die zuge-ordnete Bemessungsspannung werden herausgef hrt. Unabh ngig von der Ausf hrung (mit/ohne Klemmkasten) m s-sen die Anschl sse des Drehstrommotors so gekennzeichnet sein, dass deren alphabetische Reihenfolge ( U1, V1, W1), der zeitlichen Phasenfolge der Netzspannung (L1, L2, L3) ent-sprechen und beim Motor einen Rechtslauf bewirken. Der Drehsinn wird dabei mit Blick auf die Antriebsseite (Welle des Motors) angegeben. Bei Motoren mit zwei Wellenenden ist die Antriebsseite mit D, die Nichtantriebsseite mit N gekennzeich-net (D = Drive, N = No drive). Der Linkslauf des 12:42:23 12:42:23 Uhr5 MNnNnnSMAMMMBMKMLMSIAINM, I0motors wird durch Vertauschen zweier Anschlussleitungen (Netzphasen) Arbeitspunkt (MM) des Drehstrom-Asynchronmotors ist durch den Bereich der Bemessungsspannung und der zugeh -rigen Frequenz beschrieben ( 400 V / 50 Hz).

7 Die Drehzahl wird dabei durch die Frequenz des speisenden Netzes bestimmt (n ~ f). Sie ist lastabh ngig und wird nur so lange bei-behalten, wie Motormoment (MM) und Lastmoment (ML) gleich gro sind. Die elektrischen und mechanischen Bemessungsdaten des Arbeitspunktes m ssen im Leistungsschild des Motors doku-mentiert sein. W hrend des Anlassvorgangs (Be -schleuni-gungsvorgang) sind die Betriebsdaten instabil. Ein station rer Betrieb des Antriebes ist nur im Bereich des Arbeitspunkts (MM) zul ssig. Abbildung 4: Charakteristische Anlaufkennlinie des Drehstrom-Asynchronmotorsf = [Hz] = 1/secn = [min 1]1 min = 60 sec P = [kW]MN = [Nm]P = MN n9550n = f (1 - s)ps = ns - n 100 % nsIA = AnlaufstromIN = Nennstrom im ArbeitspunktMA = AnlaufmomentMB = Beschleunigungs moment (MM > ML)MK = Kippmoment ML = LastmomentMM = Motormoment (Arbeitspunkt)MN = Nennmoment, stabiler Schnittpunkt der Drehmoment-kennlinie mit der Last kennlinien = Drehzahl (aktueller Wert)nN = Nenndrehzahl im Arbeitspunktns = synchrone Drehzahl (ns nN = Schlupfdrehzahl)Direkter MotorstartDer direkte Motorstart ist die einfachste Art f r das Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren .

8 Die Statorwicklungen wer-den dabei in einem einzigen Schaltvorgang direkt mit dem elek-trischen Netz das Anlegen der vollen Netzspannung entstehen gro e Anlaufstr me (Sto str me), die wiederum st rende Span-nungs nderungen im Netz verursachen. Die elektrischen Ener-gieversorgungsunternehmen (EVU) begrenzen daher die zul s-sigen Bemessungsleistungen der Motoren am Netz. Diese Grenzwerte k nnen von Netz zu Netz variieren. Im ffentlichen Netz gilt die Begrenzung im Allgemeinen als erf llt, wenn der gelegentlich anlaufende Drehstrommotor eine Scheinleistung von weniger als 5,2 kVA hat oder bei h heren Scheinleistun-gen, der Anlaufstrom 60 A nicht berschreit. Bei einer Netz-spannung von 400 V und einem 8-fachem Anlaufstrom, ent-spricht dies einem Bemessungsstrom von 7,5 A bzw. einer abgegebenen Motorleistung von 4 kW (Wellenleistung).Bei Motoren mit gelegentlich h heren Anlaufstr men als 60 A und Motoren mit Anlaufstr men von mehr als 30 A, die im ffentlichen Netz st rende R ckwirkungen verursachen, durch schweren Anlauf, h ufiges Schalten oder schwankende Stromaufnahme (Aufz ge, S gegatter), m ssen weitere Ma -nahmen zur Vermeidung der st renden Spannungs nderungen getroffen werden.

9 Motoren mit Leistungen ber 4 kW und der Spannungsangabe 400/690 V k nnen hier zum Beispiel ber einen Stern-Dreieck-Anlauf hochgefahren werden. Das direkte Einschalten belastet die Wicklungen des Motors thermisch und durch gro e, wenn auch nur kurzzeitige, elektro-dynamische Kr fte. Zu h ufiges, direktes Einschalten vermin-dert beim Standardmotor die Lebensdauer der Wicklung ( periodischer Aussetzbetrieb). Die Blockade des L ufers (festgebremster L ufer) ist im Betrieb ein ernsthafter St rfall, der zu einer thermischen Zerst rung des Drehstrom-Asynchronmotors f hren kann. Zum Schutz vor einer solchen thermischen berlastung muss jeder Motorabgang mit einer stromabh ngigen Schutzeinrichtung versehen sein. Einen preiswerten Schutz gew hrleisten hier berlastrelais; besser auch bekannt als Motorschutzrelais oder Kombination mit einem Schaltantrieb werden diese berlast-relais als Motorschutzschalter bezeichnet.

10 Synonym hierf r ist der PKZM. Er sch tzt im Motorabgang die Schaltger te (Sch tz DILM), Zuleitungen und Motorwicklungen gegen die Zerst -rung durch thermische berlast (Blockierschutz) und Kurz-schluss, auch bei Ausfall eines Au enleiters (L1, L2, L3). Dazu m ssen der Bemessungsstrom des Motors auf dem Motor-schutzschalter eingestellt und die Anschlussleitungen im Motorabgang nach diesem Einstellwert dimensioniert Auslegung der Komponenten im Hauptstromkreis des Motorabgangs erfolgt gem dem Bemessungsbetriebs -strom (Ie) des Motors und der Gebrauchskategorie AC-3 (Norm IEC/EN60947-4-1); AC-3 = K figl ufermotoren: Anlassen, Ausschalten w hrend des Auswahl des geeigneten Motorschutzschalters ist von zen-traler Bedeutung f r die Funktionssicherheit und die Lebens-dauer eines Motors. Die Motorstarterkombination (MSC) bietet hier f r den Direktstart eine ideale Komplettl sung im Motorab-gang. MSC bestehend in der Standardauspr gung aus einem Motorschutzschalter PKZM0 mit Steckverbinder und einem 12:42:23 12:42:23 Uhr6L1L2L3V1W1U1 PEI >I >I >M3 ~L1L2L3V1W1U1W2V2U2 PEI >I >I >M3 ~Sch tz DILM.