Verbesserter Sanftanlauf im System 1

DS7, die neue Softstarterreihe von Eatons Geschäftsfeld Moeller, deckt den Leistungsbereich von 4 bis 200 A ab. Sie löst Stern-Dreieck-Starter als vollwertige Lösung ab. Dies gilt sowohl für den Austauschfall wie auch bei der Neuplanung einer Anlage. Darüber hinaus reduzieren DS7 sowohl die Kosten als auch den Platzbedarf.

Als einfachste Lösung für den sanften Motorstart, der nicht drehzahlgeregelt sein muss, hat der Low-cost-Softstarter bei vielen Anwendern hohe Anerkennung erworben, da die Anschaffungskosten jenen einer Stern-Dreieck-Lösung entsprechen. Sind keine variablen Drehzahlen gefordert, ist der Softstarter die erste Wahl, weswegen sich in den vergangenen Jahren kostengünstige Softstarter am Markt weitgehend durchgesetzt haben.

Sie bieten gegenüber dem Stern-Dreieck-Start zwei fundamentale Vorteile: An erster Stelle ist das deutlich bessere Drehmomentverhalten zu nennen. Softstarter starten den Motor auf sanfte Weise und ohne Drehmomentsprünge; anders als beim Stern-Dreieck-Start, wo diese im Umschaltpunkt unvermeidlich sind. Zum zweiten unterdrücken Softstarter die dabei entstehenden Stromspitzen wirkungsvoll. Neben einer reduzierten mechanischen Belastung kommt eine Maschine auch mit geringerem Spitzenstrom aus, was bei hohen Energiekosten einen essentiellen Faktor darstellt. Die geringere mechanische Belastung resultiert zudem in einer längeren Lebensdauer, außerdem lassen sich Serviceintervalle einer Maschine verlängern – dies senkt insgesamt und langfristig betrachtet die Betriebskosten deutlich.

Softstarter sind heute zu äußerst attraktiven Preisen erhältlich, da sie nur zweiphasig gesteuert sind. Der reduzierte Hardwareaufwand geht jedoch mit einem Nachteil einher, denn durch die zweiphasige Steuerung ergeben sich beim Start Drehmomentoszillationen, die sich gerade bei mittleren bis großen Leistungen in erheblichem Maße bemerkbar machen. Viele Antriebe laufen nicht mehr linear hoch, der Motorschutz wird durch die asymmetrischen Ströme erheblich erschwert.

Eaton Moeller hat bereits vor gut zehn Jahren mit dem DS4 eine Lösung vorgestellt, die diese Probleme wirksam und elegant umgeht. Zur asymmetrischen Zündsteuerung später mehr. Softstarter bieten neben den Vorteilen des kontinuierlichen Drehmoments und der Beseitigung von Stromspitzen noch eine weitere Stärke: Im Gegensatz zu Schaltgerätelösungen benötigen Anwender lediglich ein Gerät, zudem ist die Gerätebreite auf die zugeordneten Schutzschalter abgestimmt, das heißt der Softstarter DS7 beansprucht deutlich weniger Platz als seine mechanische Alternative.

Der DS4 hat sich am Markt bereits etabliert und integriert viele zum Patent angemeldete Lösungen, so unter anderem die asymmetrische Zündsteuerung (EU-Patent EP1240706B1) für ein überlegenes Drehmomentverhalten. Die DS4-Reihe wurde später um die Reihe DS6 im Leistungsbereich bis 200 A erweitert. Neben der Zündsteuerung berücksichtigen DS6-Geräte auch noch weitergehende Kundenwünsche. Die DS7-Reihe schließlich kombiniert einheitlich alle Erfahrungen, sie steht als durchgängige Reihe von 4 bis 200 A zur Verfügung.

Darüber hinaus passte Eaton Moeller insbesondere Geräte bis 32 A an sein Schütz-Programm an. So besitzen Softstarter DS7 identische Anschlüsse wie Schütze gleicher Leistung. Für Anwender heißt das, dass ihnen das gesamte Programm an Erweiterungen für die Schütze auch beim DS7 als Angebot offen steht.

DS7 bis 12 A lassen sich über einen steckbaren Verbinder mit dem Motorschutzschalter PKZ verbinden. Neben der rein elektrischen Verbindung wird damit eine Motorstarterkombination aufgebaut, die auch ohne weitere Verschraubungen eine stabile Einheit bildet. Der rastende elektrische Verbinder stellt darüber hinaus die Funktion für eine sichtbare Trennstrecke (nach EN 60947-1 Kapitel 7.1.6) her und kann nur bei ausgeschaltetem PKZ entfernt werden, was eine unbeabsichtigte Demontage unmöglich macht.

Auch für Geräte bis 32 A gibt es einen Verbinder, der sowohl für Schütze als auch für DS7 anwendbar ist. Er bietet dank seines Schraubanschlusses eine sichere elektrische Verbindung, so insbesondere für Startströme während der Rampenzeit. Der Adapter ist fingersicher ausgelegt und schützt Anwender bei unbeabsichtigtem Berühren.

Bis 12 A ist der Motor auch über einen Motorstecker anschließbar. Ohne die ansonsten noch übliche zusätzliche Klemmleiste im Schaltschrank kann die Motorleitung direkt bis zum Softstarter DS7 geführt werden. Die steckbar ausgeführten Geräte vermeiden praktisch jeden Fehler beim Anschluss, dies gilt ebenso für den Fall eines Geräteaustauschs.

Ab 41 A erfolgt der Motorschutz über Leistungsschalter NZM. Auch hier ist DS7 auf die Gehäusebreite des zugeordneten Schalters abgestimmt und verfügt über identische Leistungsklemmenanschlüsse. Somit ist das Optionsprogramm der Leistungsschalter ebenso für Softstarter DS7 verwendbar, Anwender sparen sich spezielles Zubehör ein. Dank der Optionen lässt sich unter anderem eine höhere Schutzart wählen oder Anwender entscheiden sich für andere Anschlussvarianten statt den ab Werk verbauten Rahmenklemmen.

Auch der Aufbau auf DIN-Schienen oder Sammelschienenadapter ist problemlos realisierbar. Dies erlaubt die Vormontage von kompletten Motorstarterkombinationen, welche dann mühelos im Schaltschrank zu installieren sind. Sie bieten Anwendern die gleichen Vorteile, die sie bereits von den mechanischen Motorstarterkombinationen her kennen: Ein zügiger Austausch der Starter, etwa, wenn ein mechanischer durch einen Softstarter ersetzt werden soll.

Bei Softstartern im sehr günstigen Kostensegment werden aus monetären Erwägungen zumeist nur zwei der drei Netzphasen gesteuert, die dritte Phase wird direkt durchverbunden. Diese Lösung nimmt die Stromasymmetrie während des Hochlaufs in Kauf. Dies zieht zwei nachteilige  Auswirkungen nach sich: Einerseits die asymmetrische Strombelastung selbst, denn durch den ungleichen Strom wird im Motor kein rundes Drehfeld erzeugt. Andererseits erzeugen die asymmetrischen Ströme ein elliptisches Drehfeld im Motor, wodurch netzfrequente Pendelmomente entstehen, die die elektrischen und mechanischen Teile des Motors zusätzlich belasten und oft auch die angetriebene Maschine ungünstig beeinflussen oder gar einen Start unmöglich machen.

Durch die entstehenden Pendelmomente wird der Gesamt-Drehmomentverlauf des Motors derart verschoben, dass ein DC-Anteil entsteht. Üblicherweise werden DC-Ströme aber zum Bremsen eines Motors benutzt und sind daher während des Starts eigentlich unerwünscht.

n der Stelle nun einige Anmerkungen zur Problematik beim Schutz größerer Leistungen, konkret der Stromasymmetrie in den drei Phasen. Wie die Grafik auf der vorhergehenden Seite veranschaulicht, sind die ungleichmäßig verteilten Ströme deutlich erkennbar. Der Strom in einer der gesteuerten Phasen kommt in markanter Weise erst spät zum Fluss, in der ungesteuerten Phase fließt Summenstrom. Dieser ist deutlich größer als die Ströme in den gesteuerten Phasen und alle drei Ströme zeigen unterschiedliche Formen auf. Dies führt zu Pendelmomenten, da diese Ungleichverteilung im Zeitverlauf durch die Phasen wandert. Es ist also keine konstante Schieflast in einer Phase feststellbar, sondern das ganze System befindet sich sozusagen kontinuierlich in Bewegung.

Da zweiphasig gesteuerte Softstarter üblicherweise in Antrieben mit geringen Anforderungen des Lastmoments eingesetzt werden, wirkt sich dies vornehmlich auf die Antriebseigenschaften aus. Mit der Folge, dass der Motor unrund läuft und starke Geräusche von sich gibt. Sie fallen, im Vergleich zum Direktstart oder dem Start mit einem dreiphasig gesteuerten Softstarter, ungewohnt heftig aus. Bei höheren Anforderungen an den Drehmomentverlauf führt dies sogar dazu, dass eine Maschine mit diesem Verfahren nicht mehr startbar ist. Derartige Fälle zwingen zum Einsatz von dreiphasig gesteuerten Softstartern, was allerdings im finanziellen Aufwand spürbar zu Buche schlägt.

Jeder, der den Stromverlauf in den einzelnen Phasen miteinander vergleicht, stellt schnell fest, dass – bezogen auf einen Direktstart am Netz – ständig eine Phase überlastet wird, während eine andere beständig unter dem Durchschnitt verläuft. Zwar gleicht sich die Belastung in der Summe aus, pro Phase betrachtet gilt dies jedoch keineswegs. Konventionelle Schutzorgane erfassen diesen Verlauf nur ungenügend und elektronische Schutzorgane sind – bei erheblichem Kostenaufwand  - nur dann sinnvoll, wenn Anwender sie aus anderen Gründen sowieso einsetzen wollen oder müssen.

Für den Schutz eines mit einem zweiphasig gesteuerten Softstarter betriebenen Motors ist daher eine leichte Überdimensionierung empfehlenswert oder der Motorschutz muss in seiner Wirksamkeit eingeschränkt werden. Letzteres ist nicht ratsam, da früher oder später ein Motor-ausfall droht, was jede vorschnelle Kostenersparnis dahin schmelzen lässt.

Normale Ansteuerverfahren basieren auf der einfachen Beziehung „Zündwinkel ist proportional zur Ausgangsspannung“; sie steuern beide Thyristorzweige mit dem gleichen Zündwinkel an (symmetrisch). Als Resultat ergeben sich die bereits beschriebenen Effekte – mit asymmetrischem Strom und oszillierendem Drehmomentverlauf im Motor.

Die einfache Schlussfolgerung, beide Phasen nicht symmetrisch anzusteuern, führt auch schon prinzipiell zur Lösung des Problems. Während in den Endpunkten der Rampe, nämlich bei Nullspannung und hundertprozentiger Spannung, die symmetrische Ansteuerung (die Ansteuerung beider Phasen mit dem gleichen Zündwinkel) korrekte Ergebnisse liefert, muss bei allen Zwischenstufen eine Korrektur aufgebracht werden. Durch richtig gewählte Korrekturwinkel, die auch von den Motorgrößen abhängig sind, lässt sich die Unsymmetrie kompensieren und ein gleichmäßiger Verlauf der Ströme in den gesteuerten Phasen erzeugen.