Sanftanlaufgeräte

Schaltet man einen Drehstrom-Asynchronmotor direkt ans Netz (die sogenannte Direkteinschaltung, kurz DOL für „direct on line“), passieren zwei Dinge gleichzeitig: Der Motor zieht einen Anlaufstrom, der typisch beim Fünf- bis Achtfachen des Nennstroms liegt, und er entwickelt sofort sein volles Anzugsmoment.

Der hohe Strom belastet das Netz. Bei großen Motoren sackt die Spannung am Anschlusspunkt kurz ab – Lampen flackern, empfindliche Geräte in der Nähe können aussteigen. Die Energieversorger schreiben deshalb ab bestimmten Motorleistungen vor, dass der Anlaufstrom begrenzt werden muss.

Das schlagartige Anzugsmoment ist die zweite Baustelle. Eine Pumpe, die aus dem Stand sofort mit vollem Drehmoment hochgerissen wird, schickt einen Druckstoß durch die Rohrleitung. Ein Förderband ruckt an und überlastet Kupplung und Getriebe. Riementriebe rutschen oder verschleißen schneller. Mechanisch ist der harte Anlauf oft schädlicher als der Strom.

Es gibt mehrere Wege, den Anlauf zu entschärfen. Die Stern-Dreieck-Schaltung schaltet den Motor zuerst in Stern und reduziert so Strom und Moment in festen Stufen. Der Frequenzumrichter regelt Spannung und Frequenz gemeinsam und kann den Motor auch im Betrieb in der Drehzahl verstellen. Das Sanftanlaufgerät sitzt dazwischen: Es senkt die Spannung stufenlos ab, lässt die Frequenz aber unverändert. Damit ist es einfacher und günstiger als ein Frequenzumrichter, aber feiner und schonender als die starre Stern-Dreieck-Umschaltung. Für alles, was nur sanft anlaufen und auslaufen soll – ohne Drehzahlverstellung im Betrieb – ist der Softstarter die passende Lösung.

Das Herz eines Sanftanlaufgeräts sind Thyristoren – steuerbare Halbleiterschalter, die Strom erst durchlassen, wenn man sie über einen Zündimpuls am Steueranschluss („Gate“) einschaltet. Ein einzelner Thyristor leitet nur in eine Richtung. Für Wechselstrom braucht man deshalb pro Phase zwei Thyristoren, die antiparallel geschaltet sind – also gegeneinander, sodass einer die positive und der andere die negative Halbwelle übernimmt.

Der Trick heißt Phasenanschnittsteuerung. Statt die Spannung früh in jeder Halbwelle durchzulassen, zündet die Steuerelektronik die Thyristoren erst später – ein Stück nach dem Nulldurchgang. Je später der Zündzeitpunkt, desto kleiner das durchgelassene Spannungsstück, desto kleiner die effektive Spannung am Motor. Fährt die Elektronik den Zündzeitpunkt während des Anlaufs langsam nach vorne, steigt die effektive Spannung von einem niedrigen Startwert stufenlos bis zur vollen Netzspannung. Diesen Anstieg nennt man die Spannungsrampe.

So entsteht der sanfte Anlauf: Der Motor bekommt am Anfang nur einen Bruchteil der Spannung, dadurch wenig Strom und wenig Moment, und wird dann gleichmäßig „hochgefahren“, bis er bei voller Spannung seine Nenndrehzahl erreicht hat.

2-phasige und 3-phasige Steuerung

Nicht jeder Softstarter steuert alle drei Phasen an. Man unterscheidet zwei Bauarten:

Beim 3-phasig gesteuerten Gerät sitzt in jeder der drei Phasen ein antiparalleles Thyristorpaar. Alle drei Phasen werden gleichmäßig angeschnitten, der Motor bekommt ein symmetrisches Drehspannungssystem mit reduzierter Amplitude.

Beim 2-phasig gesteuerten Gerät sind nur in zwei Phasen Thyristoren verbaut. Die dritte Phase ist direkt durchverbunden. Das spart ein Thyristorpaar und damit Kosten. Der Nachteil: Während der Anschnittphase fließen in den drei Phasen unterschiedlich große Ströme – das System läuft asymmetrisch. Das erzeugt zusätzliche Oberschwingungen und eine ungleichmäßige Erwärmung im Motor. Sobald der Hochlauf abgeschlossen ist und volle Spannung anliegt, verschwindet die Asymmetrie wieder.

Welche Bauart sinnvoll ist, hängt vom Einsatz ab – darauf kommen wir in Kapitel 5 zurück.

Jetzt zum Kern der Sache – und zu der Eigenschaft, die man beim Auslegen verstehen muss. Wenn der Softstarter die Spannung absenkt, ändern sich Strom und Moment nicht im gleichen Verhältnis.

Der Anlaufstrom des Asynchronmotors ist näherungsweise proportional zur Spannung:

Das Anlaufmoment dagegen ist proportional zum Quadrat der Spannung:

Das ist der entscheidende Punkt. Senkt man die Spannung beispielsweise auf 70 % der Nennspannung, sinkt der Strom auf 70 %, das Moment aber auf 0,7² = 49 %, also rund die Hälfte. Bei 50 % Spannung bleiben 50 % Strom, aber nur 25 % Moment übrig.

Daraus folgt die zentrale Praxisregel: Wer den Anlaufstrom stark begrenzt, verliert überproportional viel Anlaufmoment. Wenn die Last ein hohes Losbrechmoment hat – also viel Moment braucht, um überhaupt loszukommen –, kann es passieren, dass der Motor bei zu niedriger Startspannung gar nicht anläuft. Er „hängt“, zieht Strom, kommt aber nicht in Fahrt. Deshalb funktioniert der Sanftanlauf gut bei Lasten, die leicht losbrechen (Pumpen, Lüfter), und schlecht bei Lasten mit hohem Anfahrwiderstand.

Eingestellt wird der Anlauf über drei Hauptgrößen: die Startspannung (wie hoch die Spannung beim Losfahren ist), die Hochlaufzeit (über welche Zeit die Rampe bis zur vollen Spannung läuft) und optional eine Strombegrenzung (eine Obergrenze, die der Anlaufstrom nicht überschreiten darf).

Über die reinen Anlaufgrößen hinaus bieten Sanftanlaufgeräte eine Reihe von Funktionen, die in der Praxis den Unterschied machen.

Die Startspannung legt fest, mit wie viel Spannung der Motor losfährt. Sie wird so hoch eingestellt, dass der Motor sicher losbricht, aber nicht höher als nötig. Die Hochlaufzeit (oft 1 bis 30 Sekunden) bestimmt, wie lange die Rampe bis zur vollen Spannung dauert – ein langsamer Hochlauf ist schonender, belastet den Motor thermisch aber länger. Die Strombegrenzung kappt den Anlaufstrom auf einen Maximalwert; sie ist wichtig, wenn das Netz oder eine vorgeschaltete Sicherung den Strom nicht hergibt.

Viele Geräte können nicht nur sanft anlaufen, sondern auch sanft auslaufen. Dabei wird die Spannung beim Abschalten kontrolliert heruntergefahren, statt den Motor einfach abzuschalten. Das ist besonders bei Pumpen wertvoll: Beim harten Abschalten einer Pumpe entsteht in der Rohrleitung ein Druckstoß (Wasserschlag), der Leitungen und Armaturen beschädigen kann. Der sanfte Auslauf lässt den Volumenstrom langsam abklingen und vermeidet das.

Nach Abschluss des Hochlaufs läuft der Motor mit voller Netzspannung. Die Thyristoren müssten dann ständig den vollen Motorstrom führen und würden dabei Verlustwärme erzeugen. Deshalb haben many Softstarter ein Bypass-Schütz: Sobald die volle Spannung erreicht ist, überbrückt ein Schütz die Thyristoren und führt den Betriebsstrom direkt. Die Thyristoren sind dann stromlos, das Gerät bleibt kühl, und der Wirkungsgrad steigt. Für den nächsten Sanftauslauf wird das Bypass-Schütz wieder geöffnet.

Schließlich integrieren viele Geräte einen Motorschutz: Überlast, Phasenausfall, zu lange Anlaufzeit (festgefahrener Motor) werden überwacht und führen zur Abschaltung.

Sanftanlaufgeräte sind überall dort sinnvoll, wo ein Motor schonend hochlaufen soll, die Drehzahl im Betrieb aber konstant bleibt. Typische Anwendungen sind Pumpen, Lüfter, Förderbänder, Kompressoren und Zentrifugen – also Lasten mit moderatem Losbrechmoment, bei denen der harte Direktanlauf entweder das Netz oder die Mechanik überfordern würde.

Schaltungsart: In-Line und Inside-Delta

Beim Einbau gibt es zwei grundsätzliche Verschaltungen, und die Wahl entscheidet maßgeblich über die Kosten.

Bei der In-Line-Schaltung sitzt das Sanftanlaufgerät einfach in der Netzzuleitung, in Reihe vor dem Motor. Durch das Gerät fließt der volle Motorstrom. Das Gerät muss also für den vollen Motornennstrom ausgelegt sein. Diese Variante ist die einfachste und funktioniert mit jedem Motor.

Bei der Inside-Delta-Schaltung (auch Wurzel-3- oder √3-Schaltung) wird das Sanftanlaufgerät nicht in die Zuleitung, sondern in die einzelnen Dreieckstränge des Motors geschaltet. Voraussetzung ist ein Motor, der alle sechs Wicklungsenden auf dem Klemmenbrett herausführt – wie bei einer Stern-Dreieck-Schaltung. Der Vorteil: Durch die Wicklungsstränge fließt nur der Strangstrom, und der beträgt beim Dreieck nur das 1/√3-Fache des Außenleiterstroms, also rund 58 % des Motornennstroms. Das Sanftanlaufgerät kann dadurch deutlich kleiner und günstiger dimensioniert werden.

Für große Motoren ist das ein erheblicher Kostenfaktor. Auch bestehende Stern-Dreieck-Schaltungen lassen sich oft auf einen Inside-Delta-Softstarter umrüsten, weil die nötige Sechs-Klemmen-Verdrahtung schon vorhanden ist.

2-phasig oder 3-phasig wählen

Die in Kapitel 2 beschriebene Bauart ist ebenfalls ein Auswahlkriterium. 2-phasig gesteuerte Geräte sind günstiger, weil ein Thyristorpaar entfällt. Sie eignen sich für kleinere Antriebe und unkritische Anwendungen, bei denen die kurzzeitige Stromasymmetrie und die zusätzlichen Oberschwingungen während des Hochlaufs nicht stören. 3-phasig gesteuerte Geräte laufen symmetrisch, belasten Motor und Netz gleichmäßiger und sind die Wahl für größere Leistungen und empfindlichere Netze.

Abgrenzung: Was ein Softstarter nicht kann

Der wichtigste Punkt zum Schluss: Ein Sanftanlaufgerät verändert nur die Spannung, nicht die Frequenz. Es kann den Motor sanft anlaufen und auslaufen lassen – die Drehzahl im laufenden Betrieb kann es nicht verstellen. Sobald der Hochlauf abgeschlossen ist, läuft der Motor mit Netzfrequenz auf seiner normalen Drehzahl. Wer die Drehzahl im Betrieb regeln will, braucht einen Frequenzumrichter. Und wo ein sehr hohes Losbrechmoment gefragt ist, stößt der Sanftanlauf an seine Grenze, weil das Moment mit der Spannung quadratisch wegbricht.