Das umfassende Handbuch für Ingenieure
Wenn Sie schon einmal Motorsteuerungsgeräte spezifiziert haben, sind Sie sicher schon einmal auf Sanftanlasser gestoßen. Aber wie genau funktionieren sie – und warum sind sie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen besser geeignet als die Alternativen? Dieser Leitfaden erläutert das Funktionsprinzip, die beteiligten Komponenten und was tatsächlich im Inneren eines Sanftanlaufgeräts geschieht – vom Drücken der Starttaste bis zum Erreichen der vollen Drehzahl des Motors.
Das Problem beim Direktstart
Um zu verstehen, warum es Sanftanlasser gibt, sollte man sich zunächst das Problem vor Augen führen, das sie lösen.
Wenn ein dreiphasiger Wechselstrom-Asynchronmotor beim Direktstart (DOL) direkt an das Netz angeschlossen wird, zieht er in den ersten Sekunden der Beschleunigung einen Einschaltstrom von 600–800 % seines Volllaststroms (FLA). Bei einem 90-kW-Motor mit einem FLA von 160 A bedeutet dies, dass bis zu 8 Sekunden lang ein Einschaltstrom von 960–1.280 A durch Ihre Kabel, Schaltanlagen und den Transformator fließt. Gleichzeitig wirkt auf die Motorwelle ein momentanes Drehmoment ein – ein mechanischer Stoß, der über die Kupplung auf die angetriebene Last übertragen wird.
Die Folgen:
- Spannungseinbrüche an der Sammelschiene, die andere empfindliche Geräte auslösen
- Thermische Belastung der Motorwicklungen und Starterkontakte
- Mechanische Ermüdung an Kupplungen, Riemen, Getrieben und Pumpenlaufrädern
- Wasserschlag in den Rohrleitungen bei plötzlichem Stillstand der Pumpen
- Durch hohe Spitzenströme ausgelöste Grundgebühren der Energieversorger
Die Softstarter-Lösung: Thyristor-Spannungsregelung
Ein Sanftanlasser löst diese Probleme mithilfe von Thyristoren, genauer gesagt von siliziumgesteuerten Gleichrichtern (SCRs). Ein typischer dreiphasiger Sanftanlasser enthält drei SCR-Paare – ein Paar pro Phase –, die antiparallel geschaltet sind (ein SCR übernimmt die positive Halbwelle, der andere die negative). Dies ermöglicht eine vollständige bidirektionale Steuerung der Spannung jeder Phase.
Die wesentliche Eigenschaft eines SCR besteht darin, dass er nur während des Teils des Wechselstromzyklus Strom leitet, nachdem er durch einen Gate-Impuls gezündet wurde. Durch die Anpassung des Zeitpunkts dieses Gate-Impulses, des „Zündwinkels“ (α), steuert der Sanftanlasser, wie viel von jedem Halbzyklus an den Motor abgegeben wird.
Der Startvorgang – Schritt für Schritt
Schritt 1: Anfangsspannung (Pedestal)
Zum Zeitpunkt des Starts wird der Zündwinkel auf einen hohen Wert eingestellt (spät im Halbzyklus), wodurch nur ein kleiner Teil der Versorgungsspannung an den Motor abgegeben wird. Diese Anfangsspannung wird als „Spannungssockel“ oder „Anlaufspannung“ bezeichnet und liegt typischerweise zwischen 20 und 40 % der vollen Versorgungsspannung. Bei diesem Wert beginnt der Motor, Drehmoment zu entwickeln, doch der Strom wird auf ein benutzerdefiniertes Maximum begrenzt (typischerweise 2–4× FLA statt 6–8× FLA wie beim Direktstart).
Schritt 2: Spannungsrampe
Während der programmierten Rampenzeit (typischerweise 5–30 Sekunden) wird der Zündwinkel schrittweise verringert, was bedeutet, dass die Thyristoren über einen immer größeren Teil jedes Halbzyklus leitend sind. Die an den Motor abgegebene Effektivspannung steigt gleichmäßig vom anfänglichen Sockelwert auf die volle Versorgungsspannung an. Mit steigender Spannung nimmt das verfügbare Drehmoment zu, und der Motor beschleunigt die Last sanft, ohne den mechanischen Ruck eines Direktstarts (DOL) oder eines Stern-Dreieck-Starts.
Schritt 3: Bypass und Betrieb bei voller Drehzahl
Wenn der Motor die volle Drehzahl erreicht (erkennbar daran, dass der Strom auf das Niveau des Betriebsstroms abfällt), aktiviert der Sanftanlasser seinen Bypass. Bei den meisten modernen Sanftanlassern handelt es sich dabei um ein internes Bypass-Schütz, das schließt, um einen direkten Strompfad um die SCRs herum herzustellen, die daraufhin vollständig aufhören zu zünden. Bei einigen Ausführungen kommt ein physikalisches Bypass-Schütz zum Einsatz, das den Motor direkt an die Versorgungsspannung anschließt und die Thyristoren vollständig aus dem Strompfad entfernt.
In beiden Fällen ist das Ergebnis dasselbe: Der Motor läuft bei voller Spannung und Frequenz, ohne dass im stationären Betrieb Verluste durch die Thyristoren entstehen. Der Stromverbrauch des Sanftanlaufgeräts während des Betriebs ist vernachlässigbar.
Schritt 4: Sanftes Anhalten
Wenn der Stoppbefehl erteilt wird, kehrt der Sanftanlasser den Vorgang um. Der Bypass wird geöffnet, die Thyristoren übernehmen wieder die Steuerung, und der Zündwinkel wird schrittweise erhöht, wodurch die an den Motor gelieferte Spannung über die programmierte Verzögerungsrampenzeit hinweg reduziert wird. Der Motor bremst sanft ab, der Pumpendurchfluss nimmt allmählich ab, und das Rückschlagventil schließt bei einem Durchfluss nahe Null – wodurch Wasserschläge vollständig vermieden werden.
Strombegrenzung vs. Spannungsrampe
Moderne Sanftanlasser bieten zwei Steuerungsmodi für den Anlauf:
- Spannungsanstiegsmodus: Die Spannung wird über die Anstiegszeit hinweg vom Anfangswert auf die volle Spannung hochgefahren. Einfach und effektiv für die meisten Anwendungen.
- Strombegrenzungsmodus: Der Zündwinkel wird kontinuierlich angepasst, um den Motorstrom auf oder unter einem festgelegten Grenzwert (z. B. 350 % FLA) zu halten. Die Spannung steigt so schnell an, wie es die Last zulässt, ohne den Strombegrenzungswert zu überschreiten. Besser geeignet für Anwendungen mit variabler Last während des Anlaufs (z. B. beladene Förderbänder).
- Option 1 – Anlaufen mit Strombegrenzung: Spannungund Strom steigen gemeinsam an, bis der Strom den programmierten Schwellenwert für die Strombegrenzung erreicht (typischerweise 3–4× FLA). An diesem Punkt bleibt die Spannung konstant, und die Thyristoren stellen die Erhöhung des Zündwinkels ein; dieser Zustand bleibt bestehen, bis der Motor auf die Nenndrehzahl beschleunigt und der Strom von selbst abfällt. Erst dann setzt die Spannung ihren Anstieg auf die volle Versorgungsspannung fort. Dieser Modus ermöglicht die präziseste Regelung der Spitzenstromaufnahme und ist die bevorzugte Wahl für Anwendungen, bei denen die Versorgungskapazität begrenzt ist oder bei denen andere empfindliche Lasten die Sammelschiene mitbenutzen.
- Option 2 – Anlaufen ohne Strombegrenzung: Der Parameter für die Strombegrenzung wird auf einen hohen Wert eingestellt, sodass dieser während des Anlaufs niemals erreicht wird. Der Strom steigt mit zunehmender Spannung frei an und folgt dabei der natürlichen Drehmoment-Drehzahl-Kurve von Motor und Last. Der Sanftanlasser reduziert den Einschaltstrom im Vergleich zu einem Direktstart zwar immer noch erheblich, doch die Beschleunigung erfolgt schneller und das Anlaufprofil ist gleichmäßiger, was diese Option zur besseren Wahl für leichte Lasten oder unbelastete Anläufe macht, bei denen die Beschleunigungsgeschwindigkeit wichtiger ist als die Steuerung des Spitzenstroms.
Was der Sanftanlasser nicht leisten kann
Ein Sanftanlasser regelt die Spannung, nicht die Frequenz. Da die Ausgangsfrequenz immer der Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) entspricht, kann der Motor nur mit seiner Nenn-Synchrondrehzahl laufen und unter normalen Betriebsbedingungen nicht mit reduzierter Drehzahl betrieben werden. Wenn Ihre Anwendung eine variable Drehzahl erfordert, benötigen Sie einen Frequenzumrichter (VFD). Für Anwendungen mit fester Drehzahl ist ein Sanftanlasser die kostengünstigere und zuverlässigere Lösung.
Motorschutzfunktionen des Sanftanlaufgeräts
Über das Starten und Stoppen hinaus verfügen moderne Sanftanlasser über eine umfassende Palette an Motorschutzfunktionen, die den Einsatz eines separaten Schutzrelais überflüssig machen:
- Überstromschutz und elektronisches Überlastrelais
- Blockierter Rotor-/Blockierschutz (erkennt, wenn der Motor nicht innerhalb der erwarteten Zeit beschleunigt)
- Schutz vor Phasenausfall, Phasenumkehr und Phasenunsymmetrie
- Thermistor-Eingang zur direkten Messung der Motorwicklungstemperatur
- Unterstromschutz (Lastverlust) – erkennt Pumpenkavitation oder Kupplungsausfall
- Überspannungs- und Unterspannungsschutz
- Begrenzung der Starts pro Stunde zur Vermeidung von Schäden durch thermische Zyklen
Durch diese Integration wird der Sanftanlasser zu einer umfassenden Motormanagementlösung und ist nicht mehr nur ein reines Sanftanlaufgerät. Dadurch entfällt ein separates Schutzrelais, und der Aufbau des gesamten Schaltschranks wird vereinfacht.
Auswahl des richtigen Sanftanlaufgeräts für Ihre Anwendung
Der grundlegende Auslegungsparameter für einen Sanftanlasser ist der Volllaststrom (FLA) des Motors, nicht seine Nennleistung in kW. Wählen Sie einen Sanftanlasser mit einem Nennstrom, der dem FLA des Motors entspricht oder darüber liegt. Für Hochleistungsanwendungen mit langen Beschleunigungszeiten (Brecher, Mühlen, beladene Förderbänder) sollten Sie die nächstgrößere Baugröße wählen, um thermischen Spielraum zu gewährleisten.
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