Dahlander-Schützschaltung

Stell dir einen Kühlturmlüfter vor: im Sommer dreht er voll, im Winter reicht die halbe Drehzahl. Oder einen Aufzug, der sich vor dem Halt langsam an die Etage heranfährt. In beiden Fällen brauchst du zwei feste Drehzahlen — und genau dafür gibt es den Dahlandermotor mit einer geschickt aufgebauten gemeinsamen Wicklung, die sich elektrisch zwei verschiedenen Polzahlen aufprägen lässt.

Die Dahlander-Schützschaltung ist die elektromechanische Steuerung für diese Polumschaltung. Sie verschaltet die Motorwicklung in der ersten Stufe als Dreieck, in der zweiten Stufe als Doppelstern. Das halbiert die wirksame Polzahl und verdoppelt damit die Drehzahl. Drei Schütze erledigen die Umschaltung.

Zur klaren Abgrenzung: Die Stern-Dreieck-Schaltung wechselt nicht die Drehzahl, sondern dient dem Anlauf — sie senkt den Anlaufstrom, und der Motor läuft danach im Dreieck mit einer einzigen Drehzahl weiter. Die Dahlander-Schaltung liefert dagegen zwei dauerhafte Betriebsdrehzahlen.

Eine weitere Variante sind polumschaltbare Motoren mit zwei getrennten Wicklungen. Die schalten ebenfalls die Drehzahl um, brauchen aber eine andere Schützanordnung — und einen anderen Motor. Diese Variante wird in einem eigenen Beitrag behandelt.

Bevor wir die Schaltung im Detail anschauen, brauchst du ein klares Bild vom Motor, den sie ansteuert. Der Dahlandermotor wird in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt — hier nur die für die Schützschaltung wesentlichen Punkte.

Der Motor hat sechs Klemmen statt der üblichen drei. Üblich werden sie als 1U, 1V, 1W (Wicklungsanfänge) und 2U, 2V, 2W (Mittelanzapfungen) bezeichnet. Eine gemeinsame Stator-Wicklung lässt sich von außen zwei verschiedenen Verschaltungen aufprägen — je nachdem, wie die sechs Klemmen mit dem Netz verbunden werden.

In der niedrigen Drehzahlstufe wird das Netz an die Klemmen 1U/1V/1W gelegt, die Klemmen 2U/2V/2W bleiben offen. Die Wicklung arbeitet im Dreieck.

In der hohen Drehzahlstufe wird das Netz an 2U/2V/2W gelegt, und 1U/1V/1W werden gegeneinander kurzgeschlossen. Das ergibt eine Doppelstern-Schaltung — kurz YY.

Beim Wechsel von Dreieck auf Doppelstern halbiert sich die wirksame Polzahl, und die Synchrondrehzahl verdoppelt sich:

Die Polpaarzahl p ist die Polzahl geteilt durch 2. Ein Dahlandermotor mit 8/4 Polen hat in Stufe 1 also p = 4 und in Stufe 2 p = 2. Bei f = 50 Hz ergibt das 750 1/min synchron in Stufe 1 und 1500 1/min synchron in Stufe 2. Die tatsächliche Drehzahl liegt durch den Schlupf etwas darunter.

Der Hauptstromkreis ist der Teil der Schaltung, der den Motor mit dem Netz verbindet. Drei Drehstromschütze K1, K2 und K3 übernehmen das Umverschalten der Wicklung.

K1 — Niedrige Drehzahl (Dreieck):
K1 legt die Netzphasen L1, L2, L3 an die Motorklemmen 1U, 1V, 1W. Die Klemmen 2U, 2V, 2W bleiben offen, weil weder K2 noch K3 angezogen sind. Die Wicklung arbeitet als Dreieck — der Motor läuft mit der niedrigen Drehzahl.

K2 und K3 — Hohe Drehzahl (Doppelstern):
K2 legt die Netzphasen an die Klemmen 2U, 2V, 2W. K3 schließt die Klemmen 1U, 1V, 1W gegeneinander kurz und bildet damit einen künstlichen Sternpunkt. So entsteht die Doppelstern-Schaltung YY. K2 und K3 ziehen immer gemeinsam an — K2 ohne K3 würde keinen geschlossenen Strompfad ergeben, K3 ohne K2 ebenfalls nicht.

Was niemals passieren darf:
K1 darf unter keinen Umständen gleichzeitig mit K2 oder K3 anziehen. Würden K1 und K3 zusammen schalten, hätte das einen Phasenkurzschluss zur Folge: K1 legt die Netzphasen an 1U/1V/1W, K3 schließt genau diese Klemmen gegeneinander kurz. Die Folge wäre bestenfalls eine Sicherungsauslösung, schlimmstenfalls ein schwerer Schaden an Motor und Schaltschrank. Genau deshalb ist die im Steuerstromkreis verankerte Verriegelung kein nettes Extra, sondern Pflicht.

Schaltungsvarianten in der Praxis:
Die hier gezeigte Variante Dreieck → Doppelstern eignet sich für Lasten mit konstantem Drehmoment (z.B. Hubantriebe, Förderbänder, Werkzeugmaschinen). Daneben existieren zwei weitere Dahlander-Verschaltungen, die im Aufbau ähnlich, aber auf andere Lastarten optimiert sind:

• Stern → Doppelstern für Lasten mit quadratisch fallendem Gegenmoment wie Lüfter, Pumpen oder Gebläse. Die Leistung steigt mit der dritten Potenz der Drehzahl.
• Doppelstern → Dreieck für Lasten mit konstanter Leistung, etwa bei Werkzeugmaschinen mit Drehzahl-Drehmoment-Tausch.

In welcher Variante die Schaltung ausgeführt ist, hängt also vom angetriebenen Arbeitsgerät ab. Wird die falsche Variante gewählt, kann der Motor in einer Stufe entweder nicht anlaufen oder thermisch überlastet werden.

Hier liegt ein Detail versteckt, das viele beim ersten Aufbau einer Dahlander-Schaltung übersehen: Beim Wechsel von Dreieck auf Doppelstern dreht sich der Motor rückwärts, wenn man nichts dagegen unternimmt.

Der Grund liegt in der internen Wicklungsführung. Wenn die Netzphasen erst an die Anfänge (1U/1V/1W) und dann an die Mittelanzapfungen (2U/2V/2W) gelegt werden, ändert sich aus Sicht der Wicklungsabschnitte die elektrische Phasenfolge. Aus L1-L2-L3 wird effektiv eine umgekehrte Reihenfolge — und damit dreht sich das Drehfeld in die andere Richtung.

Die Lösung ist einfach und gehört zu jeder Dahlander-Schaltung dazu: An einem der beiden Schütze K2 oder K3 werden zwei Phasen vertauscht angeklemmt. Üblicherweise erfolgt dieser Phasentausch am K2-Schütz, also dort, wo die Klemmen 2U/2V/2W gespeist werden. Damit dreht sich das Drehfeld in der hohen Stufe wieder in die gleiche Richtung wie in der niedrigen Stufe.

In der Praxis: Wer die Schaltung das erste Mal aufbaut und den Phasentausch vergisst, sieht beim Umschalten von Langsam auf Schnell den klassischen Effekt: Der Förderer fährt plötzlich rückwärts, der Lüfter bläst in die falsche Richtung, das Hubwerk senkt sich anstatt zu heben. Vor dem Probelauf gehört darum bei der Inbetriebnahme genau dieser Test dazu — zuerst niedrige Stufe einschalten, Drehrichtung prüfen, dann hohe Stufe, Drehrichtung erneut prüfen.

Der Hauptstromkreis trägt die Last, der Steuerstromkreis sorgt für die richtige Logik: Welcher Schütz darf wann ziehen, was passiert beim Tastendruck, wie wird das ungewollte gleichzeitige Anziehen sicher verhindert.

Die typische Anordnung verwendet drei Taster:

• S0 — AUS-Taster (Öffner), trennt die ganze Steuerung.
• S1 — Taster für die niedrige Drehzahl (Schließer), zieht K1 an.
• S2 — Taster für die hohe Drehzahl (Schließer), zieht K2 und K3 gemeinsam an.

Jedem Schütz ist ein Hilfskontakt für die Selbsthaltung zugeordnet. Nach kurzem Tastendruck bleibt das Schütz angezogen, bis es entweder über S0 oder durch die Verriegelung wieder abfällt.

Das Herzstück ist die gegenseitige Verriegelung: In der Linie für K1 liegt ein Öffner-Hilfskontakt von K2, in der Linie für K2 ein Öffner-Hilfskontakt von K1. Zieht eines der beiden Schütze an, öffnet sich der zugehörige Verriegelungskontakt im anderen Strompfad — der andere Schütz kann dann nicht mehr anziehen. Diese elektrische Verriegelung wird in sicherheitskritischen Anwendungen durch eine mechanische Verriegelung der Schütze ergänzt: Die Schütze are so verbaut, dass selbst bei verschweißten Kontakten kein Doppelanzug möglich ist.

Eine Direktumschaltung zwischen den Stufen ist möglich, läuft aber in der Praxis fast immer über AUS: zuerst wird der laufende Schütz abgeschaltet, dann der andere eingeschaltet. So kommen sich die beiden Schütze sicher nicht in die Quere. Optional kann ein Zeitrelais einen kurzen, definierten Pausenmoment zwischen den Stufen erzwingen — sinnvoll, wenn Schwungmomente erst abklingen sollen, bevor die andere Stufe übernimmt.

In den Linien beider Schütze liegen außerdem die Öffnerkontakte der Motorschutzrelais F1 und F2 in Reihe — löst eines der beiden Relais aus, fällt die ganze Steuerung ab. Mehr dazu im nächsten Kapitel.

Ein einzelnes Motorschutzrelais reicht für eine Dahlander-Schaltung nicht aus. Der Grund ist einfach: In den beiden Drehzahlstufen fließen unterschiedliche Nennströme durch die Wicklung. Wer das Relais auf den niedrigen Nennstrom einstellt, riskiert ständige Fehlauslösungen in der hohen Stufe. Wer auf den hohen Nennstrom einstellt, schützt den Motor in der niedrigen Stufe nicht mehr ausreichend.

Die Lösung ist eine Anordnung mit zwei thermischen Überstromrelais:

• F1 sitzt im Hauptstromkreis hinter dem Schütz K1 und schützt den Motor in der niedrigen Drehzahlstufe.
• F2 sitzt im Hauptstromkreis hinter dem Schütz K2 und schützt den Motor in der hohen Drehzahlstufe.

Jedes Relais wird auf den Nennstrom seiner zugehörigen Drehzahlstufe eingestellt — die beiden Stromwerte stehen auf dem Motortypenschild. Im Steuerstromkreis liegen die Öffnerkontakte beider Relais in Reihe vor den Schützspulen. Löst eines der beiden Relais aus, fällt die ganze Steuerung ab und beide Schütze gehen in Ruhe.

In der Praxis: Beim Motortypenschild eines Dahlandermotors findest du zwei Zeilen, etwa 7,5/4,5 kW und 14,2/9,6 A bei 400 V. Das bedeutet: in der hohen Stufe zieht der Motor 14,2 A, in der niedrigen 9,6 A. F2 wird also auf 14,2 A eingestellt, F1 auf 9,6 A. Werden die Werte vertauscht, schützt die Anlage nicht zuverlässig — bei stundenlangem Betrieb in der niedrigen Stufe würde der Motor unbemerkt thermisch überlastet werden können.

Mehr zu Aufbau und Funktion der Motorschutzrelais selbst findest du in einem eigenen Beitrag zum Thema Motorschutz.

Die Dahlander-Schützschaltung findet man überall dort, wo zwei feste Drehzahlen ausreichen, der Aufbau einfach bleiben soll und ein Frequenzumrichter zu teuer wäre. Typische Einsatzfälle in Österreich:

• Lüfter und Gebläse mit zwei Leistungsstufen — etwa Kühltürme, Kühlräume, Wärmetauscher-Ventilatoren, Maschinenkühlungen. Im Volllastbetrieb hohe Stufe, im Teillastbetrieb die niedrige.
• Aufzüge mit Notbetrieb oder mit Einfahrgeschwindigkeit vor dem Stockwerkshalt. Schnellfahrt für die Strecke, Langsamfahrt für das genaue Anhalten.
• Hubwerke und Krananlagen mit Schnell- und Feinpositionierung.
• Werkzeugmaschinen mit Eilgang und Arbeitsgang — etwa Bohrwerke, Fräsen, Schleifmaschinen.
• Kreissägen und Bandsägen mit zwei Schnittgeschwindigkeiten je nach Werkstoff.

Die Vorteile der Schaltung sind ihre Einfachheit und Robustheit: Sie kommt mit drei Schützen, zwei Motorschutzrelais und ein paar Tastern aus, braucht keine Leistungselektronik, ist günstig in der Anschaffung und unkompliziert in der Wartung. Bei Standardanwendungen mit klar definierten Drehzahlbereichen ist sie schwer zu schlagen.

Die Grenzen sind ebenfalls klar: Es gibt nur zwei Drehzahlen, das Verhältnis liegt fest bei 1:2, und der Motor ist eine Sonderbauform — teurer als ein normaler Käfigläufer und nur über bestimmte Hersteller verfügbar. Sobald die Anwendung mehr Drehzahlen, einen weichen Anlauf oder eine drehzahlabhängige Regelung verlangt, wird heute meist ein Frequenzumrichter mit einem Standardmotor verwendet. Der Frequenzumrichter bietet stufenlose Verstellung, Anlauf- und Bremsrampen und Diagnosemöglichkeiten — kostet aber deutlich mehr und braucht Wartung der Leistungselektronik.

In der Praxis: Eine klassische Faustregel bei der Auslegung neuer Anlagen lautet: Sind genau zwei Drehzahlen ausreichend und die Lastart bekannt, lohnt sich die Dahlander-Schaltung wirtschaftlich oft auch heute noch. Sobald mehr Flexibilität, Energieoptimierung oder Drehzahlregelung gefragt ist, geht der Weg zum Frequenzumrichter.