Anlaufverfahren im Überblick (DOL, Y/Δ, Sanftanlauf, FU, Anlasstrafo)

Stell dir einen stehenden Käfigläufer vor, an den du die volle Netzspannung legst. Der Rotor dreht sich noch nicht — der Schlupf beträgt 100 %. Aus Sicht des Drehfelds verhält sich der Käfigläufer in diesem Augenblick fast wie ein kurzgeschlossener Transformator: Das Statorfeld läuft mit voller relativer Geschwindigkeit an den Rotorstäben vorbei, induziert dort eine hohe Spannung, und durch die niederohmigen Stäbe fließt ein entsprechend großer Strom. Dieser Rotorstrom spiegelt sich als hoher Stromaufnahme im Stator wider.

Das Ergebnis ist der Anlaufstrom I_A. Bei Standardmotoren liegt das Verhältnis von Anlaufstrom zu Nennstrom typischerweise im Bereich:

Ein 22-kW-Motor mit rund 40 A Nennstrom kann beim Direkteinschalten also kurzzeitig 200 bis 320 A ziehen. Erst wenn der Rotor hochläuft, sinkt der Schlupf und mit ihm der Strom — am Betriebspunkt bleibt der Nennstrom übrig.

Was der hohe Anlaufstrom anrichtet

Drei Folgen sind in der Praxis relevant:
Erstens der Spannungseinbruch im Netz. Der hohe Strom erzeugt an den Leitungs- und Transformatorwiderständen einen Spannungsabfall. In schwachen Netzen sackt die Spannung kurz eins — andere Verbraucher reagieren mit flackerndem Licht, EDV-Anlagen können stören. Deshalb verlangen die Netzbetreiber ab bestimmten Motorleistungen eine Anlaufstrombegrenzung.
Zweitens die mechanische Belastung. Beim Direkteinschalten steht sofort das volle Anlaufmoment an. Dieser Drehmomentstoß schlägt durch Kupplung, Getriebe und Welle — Riemen rutschen oder reißen, Zahnflanken werden belastet, ruckartiges Anfahren kann Fördergut beschädigen.
Drittens — und in der Praxis oft unterschätzt — die thermische Belastung des Motors selbst. Solange der Motor hochläuft, fließt der erhöhte Anlaufstrom. Dauert dieser Hochlauf zu lange, heizen sich die Wicklungen stark auf. Die im Anlauf umgesetzte Verlustwärme hängt grob vom Quadrat des Stroms und von der Anlaufzeit ab. Bei einem kurzen Hochlauf von ein bis zwei Sekunden ist das unkritisch. Zieht sich der Anlauf aber über viele Sekunden, wird die Erwärmung zum begrenzenden Faktor.

Schweranlauf

Genau hier kommt der Begriff Schweranlauf ins Spiel: Eine Last gilt als Schweranlauf, wenn sie ein hohes Gegenmoment und/oder eine große Massenträgheit hat und der Motor entsprechend lange braucht, um sie auf Drehzahl zu bringen. Große Zentrifugen, Ventilatoren mit schwerem Laufrad, Mühlen oder Förderbänder mit viel Material darauf sind typische Beispiele.

Beim Schweranlauf entsteht ein heikler Zusammenhang: Ein Verfahren, das den Anlaufstrom stark reduziert, senkt zwangsläufig auch das Anlaufmoment. Reicht dieses reduzierte Moment nicht aus, um die Last zügig zu beschleunigen, verlängert sich die Anlaufzeit — und der ohnehin erhöhte Strom fließt umso länger. Im Extremfall „hängt“ der Motor bei niedriger Drehzahl fest und wird durch den andauernden Anlaufstrom thermisch zerstört, bevor er die Betriebsdrehzahl erreicht. Diese Gefahr ist der Grund, warum bei schweren Lasten manche stromsparenden Verfahren von vornherein ausscheiden.

Wenn man den Anlauf eines Motors zähmen will, gibt es nur eine begrenzte Zahl von Stellschrauben. Jedes Verfahren greift an einer davon an:

• die Klemmenspannung am Motor (Stern-Dreieck, Sanftanlauf, Anlasstrafo)
• die Frequenz der Speisespannung (Frequenzumrichter)
• ein in den Rotorkreis geschalteter Widerstand (nur beim Schleifringläufer möglich)

Beim mit Abstand häufigsten Hebel — der Spannungsabsenkung — lohnt es sich, den physikalischen Zusammenhang genau zu verstehen, denn er erklärt den zentralen Zielkonflikt aller spannungsreduzierenden Verfahren.

Strom sinkt linear, Moment quadratisch

Senkt man die Klemmenspannung auf einen Bruchteil der Nennspannung, verhält sich der Anlaufstrom proportional zur Spannung:

Das Anlaufmoment dagegen sinkt mit dem Quadrat der Spannung:

Warum das Moment quadratisch reagiert, lässt sich physikalisch nachvollziehen. Das Drehmoment einer Asynchronmaschine entsteht aus dem Zusammenwirken zweier Größen: dem magnetischen Statorfluss und dem induzierten Rotorstrom. Beide hängen an der Klemmenspannung:

• Der Statorfluss ist näherungsweise proportional zur angelegten Spannung. Halbiert man die Spannung, halbiert sich grob der Fluss.
• Der im Rotor induzierte Strom hängt von der vom Statorfeld induzierten Spannung ab — und die ist wiederum proportional zum Fluss, also ebenfalls proportional zur Klemmenspannung.

Das Drehmoment ist im Kern das Produkt aus Fluss und Rotorstrom. Wenn beide Faktoren proportional zur Spannung sind, ergibt ihr Produkt eine quadratische Abhängigkeit:

Das ist der ganze Trick hinter der oft nur auswendig gelernten Formel M ~ U². Und er hat eine unbequeme Konsequenz.

Der Zielkonflikt

Senkt man die Spannung auf 58 % (das entspricht 1/√3, dem Wert beim Stern-Dreieck-Anlauf), dann:

• sinkt der Strom auf 58 % → angenehm fürs Netz
• sinkt das Moment auf 0,58² ≈ 33 %, also auf ein Drittel → kritisch für die Last

Man bekommt die Strombegrenzung also nie geschenkt: Jede Spannungsabsenkung kostet überproportional Anlaufmoment. Ob das vertretbar ist, entscheidet sich am Vergleich zweier Kennlinien — der Motormomentkennlinie (welches Moment liefert der Motor bei welcher Drehzahl) und der Lastmomentkennlinie (welches Moment fordert die Arbeitsmaschine bei welcher Drehzahl). Solange die Motorkennlinie über der Lastkennlinie liegt, beschleunigt der Antrieb. Die Differenz ist das Beschleunigungsmoment.

Der Direktanlauf — englisch Direct On Line (DOL) — ist der einfachste Fall: Der Motor wird über ein Schütz direkt mit der vollen Netzspannung verbunden. Es gibt keine Strombegrenzung, also fließt der volle Anlaufstrom und es steht das volle Anlaufmoment zur Verfügung. Das macht DOL zur Referenz, an der man alle anderen Verfahren misst.

Zulässig ist DOL bei kleinen Motorleistungen und an ausreichend starken Netzen, wo der Stromstoß weder die Spannung nennenswert einbrechen lässt noch Schutzorgane auslöst. Die genaue Grenze hängt vom Netzbetreiber und der Anschlusssituation ab.

Die schaltungstechnische Umsetzung mit Schütz, Motorschutz und Steuerstromkreis ist ein Thema für sich — sie wird im eigenen Beitrag zur Direkteinschaltung behandelt.

Der Stern-Dreieck-Anlauf nutzt genau den Spannungshebel aus Kapitel 2. Die Idee: Man betreibt den Motor zum Anlaufen in Sternschaltung und schaltet erst nach dem Hochlaufen auf Dreieckschaltung um.

Voraussetzung ist, dass der Motor für den Dauerbetrieb in Dreieckschaltung am vorhandenen Netz ausgelegt ist und alle sechs Wicklungsenden am Klemmenbrett herausgeführt sind. An einem 400-V-Netz heißt das: Der Motor trägt die Typenschildangabe 400 V Δ / 690 V Y, läuft also normal in Dreieck.

Schaltet man die Wicklungen für den Anlauf in Stern, liegt an jeder einzelnen Wicklung nur noch die Strangspannung an — das ist das 1/√3-fache, also rund 58 % der Spannung, die sie in Dreieck bekäme. Aus dem Zusammenhang von Kapitel 2 folgt sofort:

• Anlaufstrom in Y = 1/3 · Anlaufstrom in Δ
• Anlaufmoment in Y = 1/3 · Anlaufmoment in Δ

Sowohl der ans Netz abgegebene Anlaufstrom als auch das Anlaufmoment sinken auf ein Drittel. Das drittelt zwar angenehm den Strom, drittelt aber eben auch das Moment — der Zielkonflikt in Reinform.

Beim Umschalten von Stern auf Dreieck tritt zudem ein kurzer Stromstoß auf, weil der Motor noch nicht ganz auf Drehzahl ist und im Moment der Umschaltung sprunghaft die volle Spannung sieht. Deshalb eignet sich der Y/Δ-Anlauf vor allem für Antriebe, die im Leerlauf oder bei kleiner Last anlaufen — etwa Antriebe, die erst nach Erreichen der Drehzahl belastet werden. Für Schweranlauf ist er meist ungeeignet, weil das gedrittelte Anlaufmoment die Last nicht zügig genug beschleunigt.

Die konkrete Schützschaltung mit Netz-, Stern- und Dreieckschütz sowie der Umschaltlogik ist ein eigenes Thema und wird gesondert behandelt.

Neben dem mechanisch-simplen Y/Δ-Anlauf gibt es Verfahren, die feiner steuern — teils elektronisch, teils mit zusätzlichem Trafo. Hier ein einordnender Überblick; die einzelnen Geräte werden in eigenen Beiträgen vertieft.

Sanftanlaufgerät. Ein Sanftanlaufgerät (Softstarter) sitzt zwischen Netz und Motor und senkt die Spannung über Leistungshalbleiter im Phasenanschnitt stufenlos ab. Statt einer einzigen Stufe wie beim Y/Δ-Anlauf fährt es die Spannung über eine einstellbare Rampe hoch — der Motor beschleunigt weich, ohne Stromstoß beim Umschalten. Es gilt aber derselbe Zielkonflikt: Auch hier sinkt mit der Spannung das Moment quadratisch. Drehzahl im Betrieb stellen kann der Softstarter nicht. Details im eigenen Beitrag zu Sanftanlaufgeräten.

Frequenzumrichter (FU). Der Frequenzumrichter ist das einzige der hier genannten Verfahren, das Spannung und Frequenz gemeinsam verstellt. Indem er beim Hochlauf Frequenz und Spannung im richtigen Verhältnis zueinander anhebt, hält er den magnetischen Fluss konstant und kann so das volle Moment bei kleinem Strom bereitstellen. Damit umgeht er den klassischen Zielkonflikt und ermöglicht zusätzlich eine stufenlose Drehzahlstellung im laufenden Betrieb. Diese Flexibilität hat ihren Preis — sowohl beim Gerät als auch bei der Einbindung. Mehr dazu im eigenen Beitrag zum Frequenzumrichter.

Anlasstrafo (Spartransformator-Anlauf). Hier wird die Motorspannung über einen Spartransformator in einer oder mehreren Stufen abgegriffen und so reduziert. Nach dem Hochlaufen schaltet man auf volle Netzspannung um. Der Vorteil gegenüber Y/Δ: Die Spannungsstufe lässt sich über die Trafoanzapfung gezielt wählen, statt fest auf 58 % festgelegt zu sein. Dadurch lässt sich das Verhältnis von Strombegrenzung zu verbleibendem Moment besser an die Last anpassen. Eingesetzt wird der Anlasstrafo vor allem bei großen Maschinen, wo diese Anpassbarkeit den höheren Aufwand rechtfertigt.

Zur Abgrenzung noch ein Sonderweg: Beim Schleifringläufer lässt sich der Anlauf nicht über die Statorspannung, sondern über einen in den Rotorkreis geschalteten Widerstand zähmen. Dieser Anlasswiderstand begrenzt den Anlaufstrom und hebt gleichzeitig das Anlaufmoment an — ein Vorteil, den die spannungsreduzierenden Verfahren nicht bieten. Das geht aber nur bei der Bauart Schleifringläufer, nicht beim Käfigläufer, und ist ein Thema für sich.

Welches Verfahren das richtige ist, hängt von drei Fragen ab: Wie stark ist das Netz, und welche Anlaufstrombegrenzung fordert der Betreiber? Wie sieht die Lastkennlinie aus — Leerlaufanlauf oder Schweranlauf? Und wie viel darf das Ganze kosten? Die folgende Tabelle fasst die Verfahren entlang dieser Achsen zusammen.

Die Anlaufzeit als Auswahlkriterium

Der Stromwert allein verrät noch nicht, ob ein Verfahren taugt. Mindestens ebenso wichtig ist, ob das verbleibende Anlaufmoment die Last in vernünftiger Zeit hochfährt. Hier schließt sich der Kreis zum Schweranlauf aus Kapitel 1: Je größer die Massenträgheit und je höher das Gegenmoment, desto länger die Anlaufzeit — und desto länger fließt der erhöhte Strom.

Daraus ergibt sich eine harte Grenze. Reduziert ein Verfahren das Moment so stark, dass die Anlaufzeit über das thermisch Zulässige hinaus ansteigt, scheidet es aus, egal wie gut die Strombegrenzung aussieht. Ein Stern-Dreieck-Anlauf kann beim Strom überzeugen und trotzdem unbrauchbar sein, weil der Motor bei gedritteltem Moment zu lange im Anlaufbereich verharrt und thermisch überlastet wird. Genau in solchen Fällen greift man zum Frequenzumrichter, der volles Moment bei kleinem Strom liefert, oder zum Anlasstrafo mit gezielt gewählter Stufe.

Faustregeln

Ein paar Orientierungen aus der Praxis:

• Strömungsmaschinen (Lüfter, Kreiselpumpen) haben ein bei niedriger Drehzahl kleines Lastmoment. Sie verzeihen ein reduziertes Anlaufmoment — Y/Δ oder Sanftanlauf passen oft.
• Konstantmoment-Lasten mit hoher Trägheit (Förderbänder mit Material, Mühlen, große Zentrifugen) sind Schweranlauf-Kandidaten. Hier ist volles oder gut dosiertes Moment gefragt — FU oder Anlasstrafo.
• Häufiges Schalten und sanftes Anfahren (Transportbänder mit empfindlichem Gut, Riementriebe) sprechen für den Sanftanlauf wegen des stoßfreien Hochlaufs.
• Wo ohnehin die Drehzahl geregelt werden soll, ist der FU gesetzt — die Anlaufproblematik löst er nebenbei mit.