Motorstart: Anlaufstrom und Lastprofil zählen

Für eine Anwendung, bei der Ventilatoren im Parallelbetrieb von einem Generator gespeist werden müssen, stellt sich die Frage, ob und wie die bisher verwendete Kombination aus Antrieb und veraltetem Softstarter nicht besser entweder durch Frequenzumrichter angesteuert oder zumindestens mit neuen Softstartern ausgerüstet wird. Ein Faktor in diesem Szenario: Um die Anlaufströme zu puffern, ist der Generator auf die doppelte Leistung der Antriebe ausgelegt, was gerade so ausreicht. Dafür ist er aber nach Hochlauf nur zu 50 % ausgelastet, sprich für den Dauerbetrieb überdimensioniert.

Der Beitrag zeigt mögliche Umsetzungsalternativen für den Start der betrachteten Drehstromasynchronmotoren. Abhängig von der Antriebsaufgabe, die die Motoren erfüllen sollen, haben sich neben den beiden klassischen Verfahren Stern-Dreieck-Schaltung und Motorstart zwei weitere Lösungen für einen Anlauf etabliert: Dabei handelt es sich um den Anlauf mittels Softstarter oder mittels Frequenzumrichter, um den Motor hochzufahren. Der Vorteil der letzten beiden Verfahren, Softstarter und Frequenzumrichter, liegt in der Begrenzung des Anlaufstroms, der Vermeidung von harten Momentenstößen und der daraus resultierenden Schonung von Hardware sowie Anwendung und damit einemgeringeren Verschleiß.

Die Applikation

In der vorliegenden Anwendung sollen zwei 30-kW-Motoren, die Lüftungsräder antreiben, möglichst zeitgleich anlaufen. Bei dieser eigentlich gängigen Aufgabe stellt das speisende Netz eine Besonderheit dar: Es handelt sich um einen auf die Anlauf-Spitzenlast ausgelegten Generator, der die Motoren mit Energie versorgt. Dies erfordert die Berücksichtigung einiger zusätzlicher Faktoren für die Einhaltung der vom Anwender vorgegebenen Rahmenbedingungen. Zudem hat auch das typische Lastprofil der Lüfter innerhalb der Anwendung durchaus Einfluss auf die Auswahl der passenden Anlaufmethode.

Motorstart direkt am Netz

Die einfachste Variante, um Motoren am Netz zu starten, ist der Anlauf direkt am Netz. Hier wirkt sich nachteilig aus, dass der Einschaltvorgang die Wicklungen der Motoren thermisch stark belastet und kurzzeitig große elektrodynamische Kräfte wirken. Bei einem direkten Start kann der Anlaufstrom daher sehr schnell das Achtfache und mehr des Motornennstroms betragen. Aus diesem Grund lassen die meisten Energieversorgungsunternehmen dieses Verfahren nur bis etwa 4 kW Motorleistung zu. Für einen Anlauf eines 30-kW-Motors am Generator scheidet der direkte Anlauf deshalb von Vornherein aus.

Stern-Dreieck-Schaltung

Während des Stern-Dreieck-Anlaufs schaltet eine entsprechende Beschaltung der Motoren die Wicklungen von Stern- auf Dreieckschaltung um. In Sternschaltung reduziert sich die Netzspannung an jeder Motorwicklung um den Faktor 1/?3, was den Anlaufstrom auf etwa ein Drittel der Werte in Dreieckschaltung reduziert. Allerdings belastet die Umschaltung das System mechanisch, da dabei ein Momentensprung auftritt. Zudem beträgt der Anlaufstrom typischerweise immer noch das zwei- bis dreifache des Nennstroms, was bei der Auslegung des Generators zu hoch ist. So scheidet auch diese Lösung aus. Es bleiben zwei Lösungen übrig: Softstarter und Frequenzumrichter.

Anlauf mit Softstarter

Eine weitere, weit verbreitete Methode der Anlaufsteuerung eines Motors sind Softstarter, auch Sanftanlasser genannt. Sie sind heute in verschiedenen Ausführungen erhältlich und unterscheiden sich dabei unter anderem in der Anzahl der gesteuerten Phasen. Ein Softstarter fährt den Motor langsam hoch. Dazu erhöht er mittels Phasenanschnittsteuerung die Motorspannung innerhalb einer einstellbaren Anlaufzeit von einer Startspannung bis zur Motornennspannung. Ebenso kann ein Softstarter auch den Auslauf in geringem Maß beeinflussen.

Die Anlaufzeit ergibt sich aus den Vorgaben für Startspannung und Rampenzeit, wobei die Startspannung auch das Losbrechmoment bestimmt. Die Rampenzeit stellt dabei nicht die tatsächliche Hochlaufzeit dar, sondern beeinflusst in erster Linie die Spannungsänderung. Der Strom steigt während der Beschleunigung bis zu einem Maximum an und fällt beim Erreichen der Nenndrehzahl auf den Nennstrom zurück. Nachteilig ist, dass der maximale Strom abhängig von Motor und Last ist, und nur bei genauer Kenntnis dieser Größen im Vorhinein zu bestimmen ist. Für die im Beispiel betrachteten Ventilatoren kann der am Softstarter benötigte Anlaufstrom als Richtwert mit dem 3,5- bis 4,5-fachen des Nennstroms angenommen werden.

Die Anwendung im Blick

Fordert der Anwender – wie hier im Beispiel – eine Begrenzung des Anlaufstroms, muss ein Softstarter mit Strombegrenzung zum Einsatz kommen. Der Anwender stellt dann einen maximal zulässigen Strom ein. Der Softstarter regelt die Spannung nach, bis dieser Strom erreicht ist – gleichgültig, ob der Motor bereits hochgelaufen ist oder nicht. Sinkt der Motorstrom, passt der Softstarter die Spannung an und erhöht sie, bis entweder der Strom zu hoch wird oder er die maximale Spannung erreicht. Verfügt der Softstarter nicht über eine integrierte Strommessung kann der Anwender den Verlauf der Anlaufspannung vorgeben und somit die Stromaufnahme beeinflussen.
Die Lösung zeichnet sich durch einen günstigen Preis pro Kilowatt aus und wird am öffentlichen Netz vom Energieversorgungsunternehmen häufig auch bei Motoren oberhalb einer Leistung von 11 kW zugelassen.

Als Nachteil kann sich in manchen Anlagen die begrenzte Anzahl von Starts pro Stunde erweisen, die aufgrund einer möglichen Überlastung der Thyristoren gegeben ist. Dies muss bei der Aus­legung des Gerätes deshalb beachtet werden. Zudem besteht die Gefahr, dass der Motor nicht anläuft, wenn das maximal mögliche Losbrechmoment aufgrund der Startspannung zu gering ist, um die Last anzutreiben. Dies führt dann zu einer Überlastung und ohne einen entsprechenden Überlastschutz bis zu einer möglichen Zerstörung des Systems.

Anlauf am Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter schließlich erlaubt ein kontrolliertes Hochfahren des Antriebs mit Nennstrom. Dabei regelt er Spannung und Frequenz so, dass trotz Nennstroms der Motor bis maximal zweifachem Moment anlaufen kann. Er stellt eigentlich die beste und effektivste Lösung dar, denn er garantiert einen konti­nuierlichen und stufenlosen Anlauf. Die einstellbare Strombegrenzung vermeidet hohe Stromspitzen im Netz und stoßartige Belastungen in der Maschine oder Anlage. Außerdem gewährleistet er eine stufenlose Drehzahlregelung des Motors in der Anlage und die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes – im Gegensatz zum direkt angeschlossenen Motor, der dies nur im stationären Arbeitspunkt oder Nennbetrieb, erreicht. Ein konstantes Verhältnis von Spannung zu Frequenz, also der U/F-Kennlinie, sorgt für unabhängige Arbeitspunkte mit Nennmoment.

Trotz eines höheren Einstiegspreises und leicht erhöhtem Installationsaufwand, wie gegebenenfalls EMV-Maßnahmen oder Funkentstörfilter, erweist er sich im Betrieb, gerade bei Lüfter- und Pumpenanwendungen, als effektives Spartool. Bessere Energieeffizienz, Prozessoptimierung sowie eine höhere Lebensdauer der Anlage sind dabei nur einige der technischen und wirtschaftlichen Faktoren. Außerdem garantiert er eine höhere Drehzahlkonstanz bei Lastschwankungen und die Möglichkeit des Drehrichtungswechsels und einen integrierten Motorschutz.

Systemvergleich

Generell ist der Frequenzumrichter bei wechselnden Lasten und vorgegebener Strombegrenzung die beste Wahl für das System. Allerdings erzeugt er im Betrieb dauerhaft Netzrückwirkungen, was bei einem Anschluss anderer Geräte an den gleichen Versorgungskreis aus dem Generator durchaus eine Rolle spielen kann. Dies auch deshalb, da in einem generatorgespeisten System die Impedanz generell höher ist, was zu stärkeren Netzrückwirkungen führt. Letztlich kann dies andere, in diesem Kreis angeschlossene Geräte, stark beeinträchtigen.
Bei einem Softstarter sind die Netzrückwirkungen nur beim Hochlauf aktiv vorhanden. Allerdings gibt es für sie keine vorgeschriebenen Grenzwerte. Sie hängen unter anderem von der Ausführung des Gerätes, ob mit 1, 2 oder 3 Thyristoren, ab.

Vor allem, wenn ein angeschlossener Motor permanent unter Volllast fährt, hat der Softstarter Vorteile. Wird er nach dem Hochfahren mittels einer Bypass-Schaltung überbrückt, lassen sich die Verluste reduzieren. Denn die Schützkontakte haben einen wesentlich kleineren elektrischen Widerstand im Vergleich zu den gesteuerten Motoren. Und auch der Frequenzumrichter produziert in diesem Vergleich, falls er nicht auch überbrückt wird, die größeren Verluste und kann seinen großen Vorteil, die Energieeffizienz des Systems durch eine Drehzahlregelung nicht ausspielen.

Generell muss der Anwender zwei Fragen klären: Kann der Generator die benötigte Leistung für einen Anlauf liefern, steht also der maximal benötigte Motorstrom für den Anlauf zur Verfügung? Ist dieser Strom auch ausreichend für den Anlauf unter Last? Davon ausgehend kann der Anwender mit Hilfe der besprochenen Kriterien die für ihn optimale Lösung umsetzen.

Fazit

Eine abschließende Bewertung der Anwendung ist nicht einfach. Bei einem Arbeitsprofil mit viel Teillastbetrieb hat der Frequenzumrichter, insbesondere bei Lüftern aufgrund des quadratischen Kennlinienverlaufs, die Nase vorne und ist erste Wahl für das System. Ist der Generator für den höheren Anlaufstrom des Softstarters ausgelegt, dann ist er für Anwendungen, die vor allem unter Volllast fahren, eine gute Alternative.

(uns)