Schaltung polumschaltbarer Motoren mit getrennten Wicklungen

Im Stator des Motors sitzen zwei elektrisch unabhängige Wicklungen mit jeweils eigener Polpaarzahl. Eine Wicklung erzeugt die niedrigere, die andere die höhere Drehzahl. Aufbau, Funktion und Auslegung des Motors sind im Beitrag zum Motortyp selbst beschrieben — hier konzentrieren wir uns auf das Schalten.

Für die Schaltung wichtig sind nur die Klemmen am Klemmenbrett:

Jeder Klemmensatz wird über ein eigenes Hauptschütz mit dem Drehstromnetz verbunden. Die jeweils nicht gespeise Wicklung bleibt vollständig offen — daran hängt die ganze folgende Schaltungslogik.

Der Hauptstromkreis muss zwei Aufgaben erfüllen: jede Wicklung getrennt mit Drehstrom versorgen und jede Wicklung einzeln gegen Überlast schützen. Daraus ergibt sich der Aufbau mit zwei parallelen Strängen.

Die zentralen Bauteile sind:

• eine Sicherung F1 (drei Pole) als Kurzschlussschutz für die gesamte Anlage
• Hauptschütz K1 für die langsame Wicklung
• Hauptschütz K2 für die schnelle Wicklung
• Motorschutzrelais F2 im Strang von K1, eingestellt auf den Bemessungsstrom der langsamen Wicklung
• Motorschutzrelais F3 im Strang von K2, eingestellt auf den Bemessungsstrom der schnellen Wicklung

Die Phasenfolge L1/L2/L3 wird an beiden Wicklungen so verdrahtet, dass der Motor in beide Drehzahlstufen die gleiche Drehrichtung zeigt. Ein Vertauschen von zwei Phasen an einer der Wicklungen würde sonst dazu führen, dass der Motor bei der einen Stufe rechts- und bei der anderen linksherum läuft.

Die beiden Hauptschütze K1 and K2 dürfen unter keinen Umständen gleichzeitig anziehen. Würden beide Wicklungen zugleich am Netz hängen, liefen zwei unterschiedliche Drehfelder im Stator gegeneinander. Die Folge sind hohe Ausgleichsströme, ein starkes inneres Bremsmoment und im schlimmsten Fall ein Wicklungsschaden. Genau deshalb wird die Schaltung doppelt abgesichert.

Die elektrische Verriegelung erfolgt über Hilfskontakte im Steuerstromkreis: Im Strompfad der Spule von K1 sitzt ein Öffner-Kontakt von K2. Zieht K2 an, öffnet dieser Kontakt und unterbricht die K1-Spule — K1 kann jetzt nicht mehr einschalten. Umgekehrt sitzt im Strompfad von K2 ein Öffner-Kontakt von K1. Solange das eine Schütz angezogen ist, kann das andere elektrisch nicht versorgt werden.

Die mechanische Verriegelung kommt zusätzlich dazu. An den beiden Schützen wird ein gemeinsamer Verriegelungsbügel oder ein Verriegelungsmodul montiert. Ein bereits angezogener Schütz blockiert mechanisch den Schaltweg des zweiten — selbst wenn dessen Spule durch einen Defekt unter Spannung käme, könnten die Hauptkontakte nicht schließen.

Warum doppelt? Der elektrische Pfad könnte durch einen verschweißten Hilfskontakt, einen Drahtbruch oder einen Verdrahtungsfehler ausfallen. Die mechanische Verriegelung bleibt davon unberührt — und umgekehrt. Erst die Kombination aus beiden macht die Schaltung im Praxisbetrieb sicher.

Der Steuerstromkreis verarbeitet die Bedienbefehle und schaltet die beiden Schützspulen. In der österreichischen Praxis wird der Steuerkreis nach ÖNORM EN 60204-1 ausgelegt: er ist vom Hauptstromkreis galvanisch getrennt — typischerweise über einen Steuertransformator auf 230 V AC oder über ein Netzgerät auf 24 V DC. Auf der Sekundärseite sitzt eine eigene Steuerstromkreis-Sicherung, und die Steuerspannung wird gegen Erde abgesichert, sodass bei einem Körperschluss in der Verdrahtung kein unerwünschtes Schalten möglich ist.

Im eigentlichen Logik-Teil arbeiten drei Taster:

• S0 als Aus-Taster (Öffner)
• S1 als Start-Taster für die langsame Stufe (Schließer)
• S2 als Start-Taster für die schnelle Stufe (Schließer)

Dazu kommen die Selbsthaltekontakte der beiden Schütze, die Verriegelungs-Öffner und die Hilfskontakte der Motorschutzrelais.

Bedienlogik:

• Anlauf langsam: Druck auf S1 schließt den Pfad zur K1-Spule. K1 zieht an, Hauptkontakte schließen, Wicklung 1 ist am Netz. Ein Schließer-Hilfskontakt K1 hält den Strompfad nach Loslassen von S1 (Selbsthaltung). Der Öffner-Kontakt von K2 im selben Pfad ist geschlossen, weil K2 nicht angezogen ist.
• Wechsel auf schnell: Druck auf S2 schließt den Pfad zur K2-Spule — vorausgesetzt, K1 ist vorher abgefallen, denn nur dann ist der K1-Öffner im K2-Pfad geschlossen. Wird S2 ohne vorheriges S0 gedrückt, passiert dank Verriegelung nichts; in der Praxis wird daher meist erst S0 gedrückt und dann S2.
• Aus: Druck auf S0 unterbricht den gemeinsamen Pfad. Beide Schütze fallen ab, beide Wicklungen sind spannungsfrei.

Die Hilfsöffner der Motorschutzrelais F2 und F3 sitzen so im Steuerstromkreis, dass eine Auslösung des jeweiligen Relais den zugehörigen Strang abschaltet — bei einigen Schaltungen werden beide Öffner in den gemeinsamen Bus gelegt, sodass eine Überlastung egal welcher Wicklung den ganzen Antrieb stillsetzt.

Beim Wechsel von einer Drehzahlstufe in die andere muss man wissen, was im Motor passiert. Der Rotor dreht durch sein eigenes Trägheitsmoment weiter, auch wenn die aktive Wicklung gerade abgeschaltet wird. Schaltet man jetzt sofort auf die zweite Wicklung um, treffen Rotor und das neue Drehfeld mit einem deutlich anderen Drehzahlniveau aufeinander.

Beim Wechsel von schnell auf langsam ist das besonders kritisch: der Rotor läuft noch mit etwa der schnellen Drehzahl, das neue Drehfeld dreht aber nur halb so schnell oder noch langsamer. Im Motor wirkt der Schlupf jetzt riesig — mit den entsprechend hohen Strömen und einem starken Bremsmoment. Es entsteht ein Stoß, der Mechanik, Lager und Wicklung belastet.

Bei der direkten Umschaltung ohne Pause werden diese Effekte hingenommen — bei kleinen Antrieben und unkritischen Lasten ist das vertretbar. Bei größeren Antrieben oder hohen Massenträgheiten baut man ein Zeitrelais ein, das zwischen dem Abfall des einen Schützes und dem Anziehen des anderen eine kurze Aus-Pause erzwingt. Typische Werte liegen zwischen 0,5 und 2 Sekunden — gerade so lang, dass der Rotor in Richtung der Zieldrehzahl auspendelt und der Stoß spürbar geringer ausfällt.

Polumschaltbare Motoren mit getrennten Wicklungen kommen überall dort zum Einsatz, wo zwei feste, aber nicht im Verhältnis 1:2 stehende Drehzahlstufen gebraucht werden. Typische Beispiele:

• Werkzeugmaschinen mit zwei Arbeitsdrehzahlen, etwa 1000 und 1500 1/min
• Lüfter und Ventilatoren mit Tag- und Nachtbetrieb
• Hebezeuge und Förderanlagen mit Eil- und Feinpositionierung
• Mischer und Rührwerke mit zwei Geschwindigkeitsstufen

Gegenüber der Dahlander-Schaltung ist der zentrale Unterschied das Drehzahlverhältnis. Beim Dahlander-Motor sitszt eine einzige Wicklung im Stator, die durch Umverschalten der Anschlüsse zwei Polzahlen ergibt — das Verhältnis ist konstruktiv fest 1:2. Bei getrennten Wicklungen ist jede Stufe frei wählbar. Der Preis dafür: zwei getrennte Wicklungen brauchen mehr Bauraum, der Motor wird teurer, und im Betrieb sitzt immer eine ungenutzte Wicklung mit im Stator. Die schaltungstechnische Behandlung der Dahlander-Variante ist im eigenen Beitrag dazu beschrieben.