Pumpen gehören zu den anspruchsvollsten Lasten, die von einem Mittelspannungsnetz in Betrieb genommen werden. Wenn eine große Kreiselpumpe direkt an die Netzspannung angeschlossen wird, kann sie innerhalb des ersten Bruchteils einer Sekunde das Sechs- bis Achtfache ihres Nennstroms aufnehmen. Gleichzeitig verursacht das plötzliche Auftreten des Drehmoments einen mechanischen Stoß, der sich auf die Pumpe, die Rohrleitungen, die Ventile und die zugehörigen Anlagen auswirkt.

Für Betreiber von Wasseraufbereitungsanlagen, Kläranlagen, Entsalzungsanlagen, Bewässerungsnetzen und Bergbaubetrieben sind diese plötzlichen Kräfte weit mehr als nur ein elektrisches Problem. Sie können zu Wasserschlägen, Rohrbrüchen, beschädigten Rückschlagventilen, vorzeitigem Verschleiß von Lagern und Dichtungen sowie kostspieligen außerplanmäßigen Wartungsarbeiten führen.

Ein Mittelspannungs-Sanftanlasser für Pumpen bewältigt sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Herausforderungen beim Anlaufen des Motors. Durch die schrittweise Erhöhung der Motorspannung und des Drehmoments begrenzt er den Einschaltstrom, entlastet das Stromnetz und ermöglicht eine sanfte Beschleunigung des Hydrauliksystems, wodurch Druckstöße minimiert und kritische Infrastrukturen geschützt werden.

In diesem Leitfaden erläutern wir, warum ein kontrollierter Anlauf für Pumpenanwendungen unerlässlich ist, was Wasserschläge verursacht, warum ein kontrollierter Sanftstopp genauso wichtig ist wie ein Sanftanlauf und wie Sie die richtige Mittelspannungs-Anlauftechnologie für Ihre Anwendung auswählen.

1. Warum Pumpen einen kontrollierten Anlauf benötigen

Kreiselpumpen verhalten sich anders als fast alle anderen motorgetriebenen Verbraucher.

Im Moment des Anlaufs beschleunigt die Pumpe aus dem Stillstand auf volle Drehzahl, während sich das Medium in der Rohrleitung noch weitgehend in Ruhe befindet. Der Motor muss sowohl die rotierende Masse der Pumpe und des Laufrads als auch die Flüssigkeitssäule in der Druckleitung beschleunigen – und dies gegen ein System, das sich gegen plötzliche Veränderungen wehrt.

Das direkte Anlaufen eines Mittelspannungs-Pumpenmotors am Netz verursacht mehrere Probleme gleichzeitig:

• Elektrischer Einschaltstrom. Der Blockierstrom eines Mittelspannungsmotors kann 600 bis 800 Prozent des Volllaststroms erreichen, was Transformatoren, Schaltanlagen und den vorgelagerten Netzanschluss stark belastet.
• Spannungseinbruch. Dieser Einschaltstrom senkt die Sammelschienenspannung im gesamten Betrieb, was empfindliche Verbraucher auslösen, Schutzrelais stören oder die Beleuchtungskreise, die an dieselbe Versorgung angeschlossen sind, dimmen kann.
• Mechanischer Schock am Motor. Der Anlauf bei voller Spannung übt ein nahezu sofortiges Drehmoment auf die Welle, die Kupplung und die Lager aus, was den Verschleiß von Komponenten beschleunigt, deren Austausch im Mittelspannungsbereich kostspielig und zeitaufwendig ist.
• Hydraulischer Stoß im Rohrleitungssystem. Die Flüssigkeitssäule wird gezwungen, fast augenblicklich zu beschleunigen, was die Hauptursache für die im Folgenden behandelten Drucktransienten ist.
  

Abbildung 1. Typischer Vergleich der Anlaufcharakteristiken von Direktstart und Mittelspannungs-Sanftanlaufgeräten. Die tatsächlichen Strom- und Drehmomentprofile variieren je nach Motorkonstruktion, Lastcharakteristik, Startereinstellungen und Anwendung.

Ein Sanftanlasser erhöht Spannung, Drehmoment und Drehzahl schrittweise über einen festgelegten Zeitraum, der je nach Anwendung typischerweise zehn bis sechzig Sekunden beträgt. Der Motor erreicht sanft seine volle Drehzahl, die Flüssigkeitssäule beschleunigt entsprechend mit, und das gesamte System – sowohl elektrisch als auch mechanisch – ist nur einem Bruchteil der Belastung ausgesetzt, die bei einem Direkt- oder Stern-Dreieck-Anlauf auftreten würde.

2. Was ist ein Wasserschlag?

Ein Wasserschlag, auch als hydraulische Transiente oder Druckstoß bezeichnet, tritt auf, wenn eine sich bewegende Flüssigkeitssäule gezwungen wird, ihre Geschwindigkeit abrupt zu ändern. Die kinetische Energie des fließenden Wassers muss irgendwohin geleitet werden, und wenn sie nicht sanft abgeleitet werden kann, wandelt sie sich in einen Druckspitzenausbruch um, der sich mit nahezu Schallgeschwindigkeit im Wasser – oft über tausend Meter pro Sekunde – durch das Rohrleitungsnetz ausbreitet.

Zu den Folgen eines unkontrollierten Wasserschlags gehören:

• Versagen von Rohrverbindungen und Rohrbrüche, insbesondere an Bogen, T-Stücken und Reduzierstücken, wo sich Druckwellen reflektieren und verstärken
• Beschädigte oder zuschlagende Rückschlagventile, was den Verschleiß der Ventile beschleunigt und zum Versagen des Ventils selbst führen kann
• Durch wiederholte Stoßbelastungen gelockerte Rohrhalterungen und Aufhängungen
• Kavitationsschäden an Laufrädern und Spiralgehäusen, wenn der lokale Druck während des Druckstoßes unter den Dampfdruck fällt
• Ermüdungsrisse in geschweißten Stahlrohrleitungen nach monatelanger oder jahrelanger wiederholter Druckzyklierung

Da sich die Druckwelle durch das gesamte angeschlossene System ausbreitet, tritt der Schaden nicht immer an der Pumpe auf. Ein sanfter Start- oder Stoppvorgang kann eine Verbindung in Hunderten von Metern Entfernung zum Bersten bringen, was mit ein Grund dafür ist, dass Wasserschläge häufig fälschlicherweise als Problem der Rohrqualität oder der Verlegung diagnostiziert werden, anstatt als Start- und Stopp-Problem an der Quelle.

Erfahren Sie mehr über zuverlässige Motorsteuerung für Wasser- und Abwassersysteme

Abbildung 2: Wasserschlag in einem Pumpensystem; Vergleich der beim Direktstart (DOL) entstehenden Druckstöße mit dem gleichmäßigen Durchfluss, der durch den Einsatz eines Mittelspannungs-Sanftanlaufgeräts erreicht wird.

3. Warum das sanfte Abbremsen genauso wichtig ist wie das sanfte Anlaufen

Betriebe, die in einen Sanftanlasser investieren, konzentrieren sich oft ausschließlich auf die Anlaufphase und betrachten das Abschalten als Nebensache, indem sie die Pumpe entweder auslaufen lassen oder einfach die Stromversorgung unterbrechen. Dies ist ein Fehler, der insbesondere bei Pumpen einen Großteil der auf der Anlaufseite erzielten Vorteile zunichte machen kann.

Wird ein Pumpenmotor direkt abgeschaltet, kommt die Pumpe nicht sofort zum Stillstand. Sie bremst gemäß ihrer eigenen Trägheitskurve ab, was bei vielen Kombinationen aus Pumpe und Rohrleitungen schnell genug ist, dass sich die Flüssigkeitssäule noch weiterbewegt, obwohl die Pumpe bereits aufgehört hat, sie voranzutreiben. Das Ergebnis ist das klassische Anzeichen eines Wasserschlags: ein Knall oder dumpfer Schlag in der Rohrleitung unmittelbar nach dem Abschalten, der vor allem in langen Druckleitungen und Systemen mit Höhenunterschieden deutlich zu hören ist.

Der Sanftstopp ist besonders wichtig für:

• Lange Rohrleitungen und Anwendungen mit hoher statischer Förderhöhe, bei denen die Flüssigkeitssäule einen erheblichen Impuls mitführt
• Systeme mit Rückschlagventilen, die zum Anschlagen neigen, da eine kontrollierte Verzögerung ein sanftes Schließen des Ventils ermöglicht, anstatt dass es gegen den Rückstrom zuschlägt
• Vertikale Turbinen- und Wellenpumpen, bei denen ein unkontrolliertes Anhalten zudem die Welle und die Lagerbaugruppe belasten kann
• Jede Anlage, bei der es bereits zu Rohrverbindungsbrüchen, Ventilschäden oder unerklärlichen Knallgeräuschen beim Abschalten gekommen ist

Bei Pumpenanwendungen löst ein Sanftanlasser, der nur einen sanften Anlauf, aber keinen kontrollierten sanften Stopp bietet, nur die Hälfte des Problems. Ein beim Stopp entstehender Wasserschlag kann genauso schädlich sein wie ein beim Anlaufen entstehender Wasserschlag, und in Systemen mit langen Rohrleitungen ist er oft noch schlimmer.

Abbildung 3: Vergleich zwischen kontrollierter Motorverzögerung und unkontrolliertem Stopp, mit Schwerpunkt auf der Vermeidung von Ventilschlägen und Wasserschlägen.

4. Anforderungen an das Anlaufdrehmoment für verschiedene Pumpentypen

Nicht alle Pumpen stellen die gleichen Herausforderungen beim Anlaufen dar, und die richtige Konfiguration des Sanftanlaufgeräts hängt stark vom Pumpentyp und der Konfiguration des Systems beim Anlaufen ab.

Hier kommt es ebenso sehr auf die richtige Dimensionierung eines Sanftanlaufgeräts an wie auf die Wahl der Technologie selbst. Ein Sanftanlasser, der ausschließlich anhand des auf dem Typenschild des Motors angegebenen Stroms ausgewählt wird, ohne die Drehmomentkurve der jeweiligen Pumpe und deren Anlaufbedingungen zu berücksichtigen, wird entweder nicht genügend Drehmoment entwickeln, um die Last sanft zu beschleunigen, oder mehr Strom als nötig aufnehmen, wodurch die Reduzierung der elektrischen Belastung untergraben wird, die den Einsatz des Sanftanlassers ursprünglich gerechtfertigt hat.

5. Typische Anwendungsbereiche

Wasseraufbereitung

Rohwasserentnahme-, Förder- und Hochdruckpumpen in Wasseraufbereitungsanlagen werden häufig an langen Druckleitungen betrieben, in denen Druckstöße erhebliche Entfernungen zurücklegen können. Ein Mittelspannungs-Sanftanlasser sorgt für eine kontrollierte Beschleunigung und einen sanften Stopp, wodurch Wasserschläge minimiert, kritische Rohrleitungsinfrastruktur geschützt und die Belastung von Pumpen, Ventilen und dem Stromnetz reduziert werden. Ein geringerer Einschaltstrom trägt zudem dazu bei, dass Versorgungsunternehmen die Grenzen von Angebot und Nachfrage einhalten können.

Abwasser

Abwasserpumpensysteme arbeiten unter einigen der härtesten Bedingungen: häufige Starts, abrasive Feststoffe, schwankende Durchflussmengen und Rückschlagventile, die ständigem Verschleiß ausgesetzt sind. Ein Mittelspannungs-Sanftanlasser reduziert das Zuschlagen der Ventile beim Abschalten, minimiert die mechanische Belastung beim Anlaufen und verlängert die Lebensdauer von Pumpen, Dichtungen, Lagern und den zugehörigen Rohrleitungen, während gleichzeitig der Wartungsaufwand verringert wird.

Entsalzung

Hochdruck-Förderpumpen in Entsalzungsanlagen arbeiten gegen eine erhebliche statische Förderhöhe und reagieren äußerst empfindlich auf hydraulische Drucktransienten. Ein kontrollierter Anlauf und ein Soft-Stop reduzieren die mechanische Belastung der Pumpen und tragen zum Schutz von Rohrleitungen, Energierückgewinnungsvorrichtungen und Hochdruckanlagen bei. In vielen Entsalzungsanlagen gilt ein ordnungsgemäß konfigurierter Soft-Stop als unverzichtbar für die langfristige Zuverlässigkeit des Systems.

Bewässerung

Große Bewässerungssysteme nutzen häufig lange, unterirdisch verlegte Rohrleitungen, die besonders anfällig für Wasserschläge sind. Druckstöße können sich über beträchtliche Entfernungen ausbreiten, bevor sie Rohrbrüche verursachen, deren Ortung schwierig und kostspielig ist. Ein Mittelspannungs-Sanftanlasser trägt zum Schutz des Verteilungsnetzes bei, indem er für eine sanfte Beschleunigung und kontrollierte Verzögerung sorgt und gleichzeitig den elektrischen Spitzenbedarf reduziert, wenn mehrere Pumpen nacheinander gestartet werden.

Bergbau

Anwendungen im Bergbau stellen außergewöhnliche Anforderungen an Pumpensysteme, insbesondere bei der Entwässerung von Bergwerken und beim Schlammtransport. Diese Pumpen arbeiten häufig mit hohem Anlaufdrehmoment, unter rauen Betriebsbedingungen und mit abgelegenen oder schwachen Stromversorgungen. Ein richtig dimensionierter Mittelspannungs-Sanftanlasser reduziert die mechanische Belastung des gesamten Pumpenstrangs und begrenzt gleichzeitig die elektrische Belastung von Generatoren, Transformatoren und langen Zuleitungskabeln, wodurch die allgemeine Systemzuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen verbessert wird.

6. Auswahl der richtigen Technologie

Nicht jede Pumpenanwendung erfordert dieselbe Anlauftechnologie. Die richtige Wahl hängt vom erforderlichen Anlaufdrehmoment, dem Arbeitszyklus, der Versorgungsspannung und davon ab, wie entscheidend eine präzise Drehzahlregelung für den Prozess ist.

Mittelspannungs-Sanftanlasser HRVS-DN

Für die meisten Pumpenanwendungen mit konstanter Drehzahl ist der Mittelspannungs-Sanftanlasser HRVS-DN die ideale Lösung. Er sorgt für eine kontrollierte Beschleunigung und Verzögerung, reduziert den Einschaltstrom, minimiert hydraulische Stöße und schützt sowohl das Stromnetz als auch das Rohrleitungssystem.

Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:

• Kommunale Wasseraufbereitungsanlagen
• Abwasseraufbereitungsanlagen
• Entsalzungsanlagen
• Bewässerungsnetze
• Entwässerungssysteme für den Bergbau
• Industrielles Prozesswasser

Erfahren Sie mehr über den Mittelspannungs-Sanftanlasser HRVS-DN

DriveStart-Mittelspannungs-Sanftanlasser

Einige Pumpenanwendungen erfordern ein höheres Anlaufdrehmoment, eine ausgefeiltere Motorsteuerung oder müssen unter anspruchsvollen Netzbedingungen betrieben werden. In diesen Fällen bietet DriveStart eine IGBT-basierte Mittelspannungs-Anlauflösung mit verbesserter Leistung und Flexibilität.

DriveStart eignet sich besonders für:

• Pumpensysteme mit hoher Trägheit
• Pumpenanwendungen mit hoher Förderhöhe
• Komplexe industrielle Pumpprozesse
• Projekte mit anspruchsvollen netzseitigen Einschränkungen
• Anwendungen, die eine verbesserte Anlaufleistung erfordern

Erfahren Sie mehr über den Mittelspannungs-Sanftanlasser DriveStart

Welche Technologie eignet sich für Ihre Pumpenanwendung?

Die folgende Tabelle bietet eine allgemeine Orientierungshilfe bei der Auswahl der am besten geeigneten Anlassertechnologie. Bei der endgültigen Auswahl sollten stets die spezifischen hydraulischen und elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Anwendung berücksichtigt werden.

7. Häufige Fehler

• Die Dimensionierung des Softstarters ausschließlich anhand des Motors. Die Auswahl eines Softstarters allein auf der Grundlage der Motorleistung in kW oder des Nennstroms, ohne das Drehmoment zu prüfen, das die jeweilige Pumpe beim Anlaufen benötigt, führt dazu, dass Softstarter bei hohen Förderhöhen oder Verdrängungslasten überlastet werden.
• Die Stopp-Rampe wird ignoriert. Die Installation eines Sanftanlaufgeräts, das auf „Auslaufen bis zum Stillstand“ oder „Sofortstopp“ konfiguriert bleibt, macht einen Großteil des Wasserschlagschutzes zunichte, den die Investition eigentlich gewährleisten sollte.
• Einstellung der Rampenzeiten ohne Berücksichtigung des Rohrleitungssystems. Eine Rampenzeit, die für den Motor gut geeignet ist, kann für eine lange Rohrleitung mit erheblicher Flüssigkeitsträgheit dennoch zu schnell sein. Rampenzeiten sollten unter Berücksichtigung des hydraulischen Systems und nicht nur des elektrischen Systems festgelegt werden.
• Das Verhalten von Rückschlagventilen übersehen. Selbst bei einem sanften Stopp kann ein verschlissenes, überdimensioniertes oder schlecht auf das Durchflussprofil abgestimmtes Rückschlagventil immer noch zuschlagen. Sanftes Anfahren und Stoppen verringert zwar die Notwendigkeit korrekt ausgelegter Ventile, beseitigt sie jedoch nicht vollständig.
• Strombegrenzung und Drehmomentsteuerung als dasselbe betrachten. Die Strombegrenzung schützt die Stromversorgung, garantiert jedoch für sich genommen keinen sanften mechanischen Anlauf. Eine Drehmoment- oder Anlaufsteuerung im geschlossenen Regelkreis sorgt für ein gleichmäßigeres, wiederholbares Start- und Stoppverhalten bei wechselnden Leitungs- und Lastbedingungen.
• Das Überspringen der Feinabstimmung bei der Inbetriebnahme. Sanftanlasser werden häufig auf den werkseitigen Standard-Anlaufparameter-Einstellungen belassen, anstatt sie auf das tatsächliche Pumpen- und Rohrleitungssystem abzustimmen, wodurch die Leistung weit hinter dem zurückbleibt, wozu die Anlage fähig ist.

8. Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Mittelspannungs-Sanftanlasser für Pumpen?

Es handelt sich um ein Halbleitergerät, das zwischen einer Mittelspannungsversorgung und einem Pumpenmotor installiert wird und Spannung, Strom und Drehmoment beim Anlaufen und Stoppen regelt, sodass die Pumpe allmählich beschleunigt und abgebremst wird, anstatt direkt ein- und ausgeschaltet zu werden.

Wie verhindert ein Sanftanlasser einen Wasserschlag?

Indem der Softstarter die Motordrehzahl über einen kontrollierten Zeitraum hinweg hoch- und herunterfährt, ermöglicht er es der Flüssigkeitssäule in der Leitung, zusammen mit der Pumpe allmählich zu beschleunigen und abzubremsen, anstatt gezwungen zu sein, ihre Geschwindigkeit fast augenblicklich zu ändern – was die Druckspitzen verursacht, die zum Wasserschlag führen.

Ist ein Sanftanlauf wirklich notwendig, oder reicht ein Sanftanlauf aus?

Ein Sanftanlauf ist für die meisten Pumpenanwendungen genauso wichtig wie ein Sanftanlauf. Ein Motor, der sanft anläuft, aber abrupt stoppt, kann beim Abschalten dennoch einen erheblichen Wasserschlag verursachen, insbesondere in langen Rohrleitungen und Systemen mit hoher statischer Förderhöhe.

Was ist der Unterschied zwischen einem Sanftanlasser und einem Frequenzumrichter für Pumpen?

Ein Sanftanlasser regelt den Übergang vom Stillstand zur vollen Drehzahl, lässt die Pumpe nach dem Anlaufen jedoch mit einer festen Drehzahl laufen. Ein Frequenzumrichter ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung während des gesamten Betriebs. Sanftanlasser sind in der Regel die wirtschaftlichere Wahl, wenn die Pumpe nur mit einer Drehzahl betrieben werden muss, während Frequenzumrichter für Anwendungen geeignet sind, die einen variablen Durchfluss erfordern oder durch den Betrieb bei Teildrehzahl Energie einsparen sollen.

Kann ein Sanftanlasser in eine bestehende Pumpenanlage nachgerüstet werden?

In den meisten Fällen ja. Mittelspannungs-Sanftanlasser werden häufig im Rahmen von Modernisierungsprojekten in bestehende Motoren und Schaltanlagen nachgerüstet, um Wasserschläge zu reduzieren, den Stromverbrauch zu senken oder veraltete Stern-Dreieck- oder Direktstartvorrichtungen zu ersetzen.

Wie wird die richtige Größe eines Sanftanlaufgeräts für eine Pumpe ermittelt?

Bei der Dimensionierung sollten die Volllast und der Blockierstrom des Motors, die Anlaufmomentkurve der Pumpe unter den tatsächlichen Anlaufbedingungen (Ventil offen oder geschlossen, Förderhöhe vorhanden oder nicht) sowie der im Betrieb zu erwartende Einschaltzyklus berücksichtigt werden – und nicht nur der auf dem Typenschild des Motors angegebene Nennstrom.