Stern-Dreieck-Schaltung

Ein Drehstrom-Asynchronmotor verhält sich im Moment des Einschaltens wie ein kurzgeschlossener Transformator. Der Läufer steht still, in den Läuferstäben fließt ein hoher induzierter Strom, und im Ständer zieht der Motor das Fünf- bis Achtfache seines Bemessungsstroms aus dem Netz. Dieser Wert wird als Anlaufstrom bezeichnet.

Bei kleinen Motoren ist das harmlos. Sobald die Motorleistung aber im Bereich einiger Kilowatt liegt, hat der hohe Strom Folgen: Spannungseinbrüche im Versorgungsnetz, Stress für Sicherungen und Leitungen, mechanische Stöße im Antrieb. In vielen Versorgungsbedingungen verlangen die Netzbetreiber daher, dass größere Motoren nicht mehr per Direkteinschaltung (siehe eigener Beitrag) ans Netz gehen.

Die Idee der Stern-Dreieck-Schaltung ist einfach: Wenn man die Strangspannung des Motors beim Anlauf absenkt, wird auch der Anlaufstrom kleiner. Im Stern liegt an jeder Wicklung nur die Strangspannung – die ist um den Faktor √3 kleiner als die Außenleiterspannung. Nach ein paar Sekunden, wenn der Motor fast Betriebsdrehzahl hat, schaltet die Steuerung auf Dreieck um, und der Motor läuft mit voller Spannung weiter.

Stern-Dreieck-Anlauf funktioniert nicht mit jedem Motor an jedem Netz. Es gibt eine klare Grundregel, und die ergibt sich aus dem Typenschild.

Auf einem Drehstrommotor stehen immer zwei Spannungen, z. B. „230/400 V Δ/Y“ oder „400/690 V Δ/Y“. Die niedrigere Zahl ist die Bemessungsspannung der Dreieckschaltung – also die Spannung, für die jede einzelne Wicklung ausgelegt ist. Die höhere Zahl ist die Außenleiterspannung, an der der Motor in Sternschaltung betrieben werden darf.

Grundregel: Ein Stern-Dreieck-Anlauf am Netz ist möglich, wenn die kleinere Spannung am Typenschild (die Dreieck-Bemessungsspannung) gleich der Netz-Außenleiterspannung ist.

Konkrete Beispiele am 400-V-Drehstromnetz:

Beim Motor 400/690 V passt im Dreieck genau die Netzspannung an jeder Wicklung an, im Stern liegen rund 230 V pro Wicklung. Der Y-Δ-Anlauf ist hier Standardverfahren.

Beim Motor 230/400 V dagegen ist die Wicklung nur für 230 V ausgelegt. Würde man ihn in Dreieck ans 400-V-Netz schalten, läge an jeder Wicklung 400 V statt 230 V an – die Wicklung würde überhitzen und verbrennen. Dieser Motor läuft am 400-V-Netz nur in Stern und damit dauerhaft – ein Stern-Dreieck-Anlauf ist ausgeschlossen.

Zusätzlich gilt eine technische Voraussetzung: Am Klemmbrett müssen alle sechs Wicklungsenden einzeln zugänglich sein – U1, V1, W1 oben und U2, V2, W2 unten. Bei Motoren mit nur drei herausgeführten Klemmen is die Stern- oder Dreieckschaltung bereits intern fest verdrahtet, und ein Y-Δ-Anlauf ist nicht möglich. Details zu Brückenlagen am Klemmbrett werden im Beitrag „Motoranschluss und Klemmenbrett“ behandelt.

Warum genau senkt die Stern-Dreieck-Schaltung den Anlaufstrom auf ein Drittel? Die Antwort liegt in der Strangspannung und in einer einfachen Rechnung.

In Sternschaltung liegt an jeder Wicklung die Strangspannung, die sich aus der Außenleiterspannung mit dem Faktor 1/√3 ergibt:

Bei einer Netzspannung von 400 V sind das in Stern rund 230 V pro Wicklung, in Dreieck dagegen 400 V. Die Impedanz der Wicklung bleibt gleich, also wird der Strangstrom im Stern um genau diesen Faktor 1/√3 kleiner.

Beim Strom, den man im Außenleiter misst, kommt noch eine geometrische Eigenheit dazu: In Sternschaltung ist der Außenleiterstrom gleich dem Strangstrom, in Dreieckschaltung ist der Außenleiterstrom um den Faktor √3 größer als der Strangstrom. Beides zusammengenommen ergibt:

Der Anlaufstrom im Stern ist also genau ein Drittel des Anlaufstroms im Dreieck. Das ist die zentrale Aussage der Stern-Dreieck-Schaltung.

Beim Drehmoment passiert etwas Ähnliches, allerdings noch ausgeprägter. Das Drehmoment des Asynchronmotors hängt quadratisch von der Strangspannung ab:

Das Anzugsmoment im Stern ist damit ebenfalls nur ein Drittel des Anzugsmoments in Dreieck. Das hat einen wichtigen praktischen Effekt: Der Motor kann im Stern nur dann auf Drehzahl kommen, wenn das anliegende Lastmoment deutlich kleiner ist als sein Drittel-Anzugsmoment.

Der Hauptstromkreis einer Stern-Dreieck-Schaltung besteht im Kern aus drei Schützen, die die Wicklungen entsprechend zusammenschalten. Jeder Schütz hat dabei eine klare Aufgabe.

Netzschütz K1 verbindet die Außenleiter L1, L2 und L3 mit den Wicklungsanfängen U1, V1 und W1 des Motors. K1 ist im Betrieb sowohl in der Stern- als auch in der Dreieckphase eingeschaltet – nur er trennt den Motor vom Netz, wenn die Anlage abgeschaltet wird.

Sternschütz K2 verbindet die Wicklungsenden U2, V2 und W2 miteinander und bildet damit den Sternpunkt. Während der Anlaufphase ist K2 geschlossen, in der Dreieckphase offen.

Dreieckschütz K3 verbindet die Wicklungsenden so, dass jede Wicklung von Anfang zu Ende eines anderen Strangs durchgeschaltet wird. Konkret schließt K3 die Verbindungen W2–U1, U2–V1 und V2–W1 und macht damit aus den drei Strängen einen Ring. In der Dreieckphase ist K3 geschlossen, in der Sternphase offen.

Aus diesen Funktionen folgt die wichtigste Schaltbedingung: K2 und K3 dürfen niemals gleichzeitig anziehen. Wären beide gleichzeitig geschlossen, würden U2, V2 und W2 sowohl untereinander verbunden (Stern) als auch quer mit U1, V1, W1 zusammengelegt (Dreieck) – das ergibt einen zweipoligen Kurzschluss zwischen jeweils zwei Außenleitern. Im Hauptstromkreis sichert man das durch eine mechanische Verriegelung der beiden Schütze ab, im Steuerstromkreis zusätzlich elektrisch (Kapitel 5).

Eine wichtige Frage in Kapitel 4 ist die Auslegung des Motorschutzschalters (siehe eigener Beitrag). Der lässt sich an zwei Positionen verbauen, und die Position bestimmt den Einstellwert.

Variante 1 – Motorschutz vor K1: Der Bimetall-Auslöser sits zwischen Sicherung und Netzschütz und misst damit den vollen Außenleiterstrom. Eingestellt wird auf den Bemessungsstrom I_N des Motors.

Variante 2 – Motorschutz im Strang: Der Auslöser sits direkt zwischen den Schützen und dem Motor in den Zuleitungen zu U1/V1/W1. In Dreieckschaltung fließt durch ihn nicht der Außenleiterstrom, sondern der Strangstrom. Da der Strangstrom im Dreieck nur 1/√3 des Außenleiterstroms beträgt, muss der Schutz auf den entsprechenden Wert eingestellt werden:

Diese Einstellung ist ein klassischer Stolperstein in der Inbetriebnahme.

Der Steuerstromkreis sorgt dafür, dass die drei Schütze in der richtigen Reihenfolge anziehen und abfallen. Der Ablauf folgt einem festen Muster.

Die Bedienelemente sind ein Aus-Taster S0 (Öffner) und ein Ein-Taster S1 (Schließer). Sobald S1 gedrückt wird, zieht Netzschütz K1 an und hält sich über einen eigenen Hilfskontakt selbst (siehe Beitrag „Selbsthaltung“). Gleichzeitig zieht Sternschütz K2 an – der Motor ist nun in Stern geschaltet – und das Zeitrelais startet.

Während der Anlaufphase muss verhindert werden, dass K3 anzieht. Das passiert durch einen Öffner-Hilfskontakt von K2 in der Zuleitung zur K3-Spule. Solange K2 angezogen ist, ist dieser Hilfskontakt offen und K3 kann nicht einschalten. Umgekehrt liegt ein Öffner-Hilfskontakt von K3 in der Zuleitung zu K2 – das ist die gegenseitige Verriegelung.

Nach Ablauf der eingestellten Zeit – typisch 5 bis 10 Sekunden, je nach Hochlaufverhalten – schaltet das Zeitrelais. Ein Öffner trennt die K2-Spule, K2 fällt ab, und damit öffnet auch die Sternpunktverbindung im Hauptstromkreis. Erst danach, mit einer kleinen Verzögerung, schließt ein anderer Kontakt des Zeitrelais den Stromweg zu K3, der nun anzieht und die Dreieckschaltung herstellt. K3 hält sich über einen eigenen Hilfskontakt selbst.

Diese kurze stromlose Sektion zwischen Abfallen von K2 und Anziehen von K3 wird Umschaltpause genannt – auch „offener Übergang“. Sie ist wichtig, damit K2 mechanisch sicher offen ist, bevor K3 schließt, sonst wäre der gefährliche Gleichzeitig-Zustand wieder möglich. Im Steuerstromkreis liegen die Umschaltpausen typischerweise im Bereich von 30 bis 100 Millisekunden.

Die Stern-Dreieck-Schaltung ist seit Jahrzehnten Standard und hat einen klaren Anwendungsbereich. Sie funktioniert gut, wenn das Lastmoment beim Anlauf gering ist. Typische Beispiele aus dem österreichischen Anlagenbau:

• Lüfter und Ventilatoren – das Lastmoment steigt quadratisch mit der Drehzahl, beim Anlauf ist es klein.
• Kreiselpumpen – ebenfalls geringes Anlaufmoment, da der Druck erst mit der Drehzahl aufgebaut wird.
• Werkzeugmaschinenspindeln – im Leerlauf, also ohne eingespanntes Werkstück, fast lastfrei.
• Bandsägen und Kreissägen vor dem Sägeschnitt.

Sie ist dagegen ungeeignet für alle Antriebe, die mit hohem Lastmoment anfahren müssen: beladene Förderbänder, Hebezeuge, Mühlen, Verdichter mit hohem Anlaufmoment. In Stern fehlt schlicht das Drehmoment, der Motor bleibt stehen oder kommt nicht auf Drehzahl.

Ein zweiter Nachteil ist der Stromstoß beim Umschalten. Während der Umschaltpause läuft der Motor als Generator weiter, wenn dann das Netz wieder zugeschaltet wird (jetzt in Dreieck), kann ein kurzer Stoßstrom entstehen, der durchaus den fünffachen Bemessungsstrom erreicht. Das ist mechanisch unschön – Riementriebe und Kupplungen leiden.