Steinmetzschaltung – Drehstrommotor am Einphasennetz

Ein Drehstrom-Asynchronmotor dreht sich, weil seine drei Statorwicklungen von drei um jeweils 120° versetzten Wechselströmen durchflossen werden. Diese zeitliche Verschiebung erzeugt im Inneren ein Drehfeld — ein Magnetfeld, das gleichmäßig im Kreis umläuft und den Läufer mitnimmt. Ohne diesen umlaufenden Charakter gibt es kein Drehmoment in eine bestimmte Richtung.

Hängt man denselben Motor an eine einzige Phase, fehlt genau dieser Versatz. Es gibt nur noch einen Wechselstrom, der im Takt der Netzfrequenz auf- und abschwillt. Das Magnetfeld wird dadurch nicht umlaufend, sondern pulsierend: Es zeigt immer in dieselbe Achse und ändert nur seine Stärke und Polarität. Ein pulsierendes Feld kann man sich als Summe zweier gleich großer, gegenläufig umlaufender Felder vorstellen. Im Stillstand heben sich deren Drehmomente exakt auf — der Motor brummt, zieht Strom, dreht sich aber nicht.

Dreht man die Welle von Hand an, läuft der Motor in die angestoßene Richtung weiter, weil dann eines der beiden gedachten Drehfelder die Oberhand gewinnt. Auf dieses Anschubsen will man sich in der Praxis natürlich nicht verlassen. Es braucht also einen Weg, schon beim Einschalten eine zweite, zeitlich verschobene Phase zu erzeugen. Genau das leistet die Steinmetzschaltung.

Die Idee ist einfach: Wenn am Netz nur eine Phase verfügbar ist, erzeugt man die zweite eben selbst. Dafür nutzt man die Eigenschaft eines Kondensators, den Strom gegenüber der Spannung voreilen zu lassen. Schaltet man einen Kondensator vor die dritte Motorwicklung, fließt durch diese Wicklung ein Strom, der zeitlich gegenüber den beiden anderen verschoben ist. Aus zwei Netzanschlüssen und einer kondensatorgespeisten Hilfswicklung entsteht so eine Annäherung an das fehlende Drehfeld — gut genug, damit der Motor von selbst anläuft.

Der Kondensator, der dauerhaft im Betrieb mitläuft, heißt Betriebskondensator. Er bleibt während des gesamten Betriebs in der Schaltung und ist kein reines Anlaufhilfsmittel.

Der Motor muss in Dreieck geschaltet sein

Das ist der Punkt, an dem in der Praxis die meisten Fehler passieren. Ein typischer Motor trägt auf dem Typenschild die Angabe 230/400 V. Das bedeutet: Jede einzelne Wicklung ist für 230 V ausgelegt. Die kleinere Zahl gilt für Dreieck, die größere für Stern.

• Am 400-V-Drehstromnetz wird der Motor in Stern betrieben. Dann liegt zwischen zwei Außenleitern zwar 400 V, an jeder einzelnen Wicklung aber nur 400 V / √3 ≈ 230 V.
• Am 230-V-Einphasennetz muss der Motor in Dreieck geschaltet werden, damit jede Wicklung ihre vollen 230 V bekommt.

Würde man den Motor am 230-V-Netz in Stern lassen, lägen an jeder Wicklung nur rund 133 V an. Der Motor hätte fast kein Drehmoment mehr und wäre praktisch nutzlos. Die Dreieckschaltung ist also keine Option, sondern Bedingung.

Am Klemmbrett sieht das so aus: Die sechs Klemmen U1, V1, W1 (oben) und U2, V2, W2 (unten) werden für Dreieck so gebrückt, dass das Ende jeder Wicklung mit dem Anfang der nächsten verbunden ist — also U1 mit W2, V1 mit U2, W1 mit V2. So entsteht der geschlossene Dreieck-Ring. An zwei dieser drei Eckpunkte legt man L und N des Einphasennetzes. Der Betriebskondensator wird zwischen den belegten Netzpunkt und den dritten, freien Eckpunkt geschaltet. Über diesen Kondensator bekommt die dritte Ecke ihre phasenverschobene Spannung — das ist die künstlich erzeugte Hilfsphase.

Die Kapazität des Betriebskondensators bestimmt, wie gut die Hilfsphase passt. Zu klein, und das Drehfeld bleibt schwach; zu groß, und die Wicklung wird überlastet. In der Praxis arbeitet man mit einer bewährten Faustregel, die sich an der Motorleistung orientiert:

Für einen 0,55-kW-Motor landet man damit bei rund 33 bis 39 µF. Üblich ist, den nächstliegenden handelsüblichen Kondensatorwert zu wählen. Die Regel ist ein Startwert, kein exakter Rechenwert — der genaue Bedarf hängt von Wicklungsauslegung und Belastung ab und wird im Zweifel durch Messen des Wicklungsstroms feinjustiert.

Mindestens ebenso wichtig wie die Kapazität ist die Spannungsfestigkeit. Über dem Kondensator liegt im Betrieb nicht nur die Netzspannung, sondern durch die Phasenverschiebung eine deutlich höhere Spannung. Man wählt daher Kondensatoren mit reichlich Reserve — bei einem 230-V-Netz typischerweise Bauformen mit einer Bemessungsspannung von 400 V oder mehr. Ein Kondensator, der nur knapp für die Netzspannung ausgelegt ist, fällt im Dauerbetrieb schnell aus.

Die Steinmetzschaltung funktioniert, aber sie ist ein Kompromiss. Das nachgebildete Drehfeld ist nicht so sauber wie das echte Drehstromfeld, und das wirkt sich auf Leistung und Anlaufverhalten aus.

Abgabeleistung: Ein Motor in Steinmetzschaltung gibt typischerweise nur etwa 60 bis 70 % seiner Drehstrom-Nennleistung ab. Wer die volle Leistung braucht, muss den Motor entsprechend größer wählen oder kommt um einen echten Drehstromanschluss nicht herum.

Anlaufmoment: Der Anlauf ist die Schwachstelle. Das Anlaufmoment ist gering — gegen eine hohe Last läuft der Motor oft gar nicht an. Bei Anwendungen, die unter Last starten müssen, schaltet man zusätzlich einen Anlaufkondensator parallel zum Betriebskondensator. Dieser wird nur für die ersten Sekunden zugeschaltet und nach dem Hochlaufen wieder getrennt, etwa über ein Zeitrelais oder einen Fliehkraftschalter. Für Anwendungen, die im Leerlauf anlaufen, genügt meist der Betriebskondensator allein.

Drehrichtung: Die Drehrichtung hängt davon ab, an welche der beiden Wicklungen der Kondensator die Hilfsphase legt. Vertauscht man die Anschlüsse des Kondensators — also schließt ihn an die jeweils andere freie Ecke an —, dreht der Motor in die Gegenrichtung. Ein Umklemmen am Klemmbrett genügt; ein Tausch von L und N bewirkt dagegen keine Drehrichtungsänderung.

In der Praxis: Die Schaltung lohnt sich überall dort, wo nur ein 230-V-Anschluss verfügbar ist und kein großes Anlaufmoment gebraucht wird — etwa bei kleinen Werkstattmaschinen, Lüftern, Pumpen oder einer Bandsäge im Leerlaufanlauf. Sobald die Maschine unter Last anlaufen muss oder dauerhaft die volle Leistung gefordert ist, stößt die Steinmetzschaltung an ihre Grenzen; dann ist ein Frequenzumrichter oder ein echter Drehstromanschluss die bessere Wahl.

Ein Sicherheitspunkt darf nicht vergessen werden: Ein Betriebskondensator bleibt nach dem Abschalten geladen und kann eine gefährliche Restspannung halten. Vor Arbeiten an der Schaltung wird der Kondensator über einen geeigneten Widerstand entladen. Viele Kondensatoren haben dafür einen internen Entladewiderstand, doch verlassen sollte man sich darauf nicht.