Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anlaufmethoden und -nachteile von Drehstrom-Käfigläufermotoren und konzentriert sich dabei auf das Funktionsprinzip, die Vorteile und die Anwendungen der Sanftanlauftechnik. Schlüsselwörter: Käfigläufermotor; Anlauftechnik; Sanftanlauftechnik; Wasserpumpe. 1. Aktueller Stand des Motoranlaufs: Drehstrom-Käfigläufermotoren werden aufgrund ihrer Vorteile wie einfacher Bauweise, zuverlässiger Betrieb, einfacher Wartung, geringer Trägheit und niedriger Preis häufig in der landwirtschaftlichen Bewässerung und Entwässerung als Hauptantriebskraft zur Umwandlung elektrischer in mechanische Energie eingesetzt. Aufgrund ihres hohen Anlaufstroms sind die Auswirkungen auf das Stromnetz und die Stoßkräfte auf die Betriebsmaschinen (z. B. Wasserpumpen und Schieber) jedoch erheblich. Daher müssen während des Anlaufvorgangs technische Maßnahmen ergriffen werden, um den Anlaufstrom und die Stoßkraft (Anlaufdrehmoment) angemessen und effektiv zu steuern und so einen relativ stabilen Anlauf zu erreichen. Dies verbessert die Betriebsbedingungen der Systemkomponenten, verlängert die Systemlebensdauer und reduziert die Ausfallrate. Das Anlaufproblem von Asynchronmotoren stellt seit jeher eine Herausforderung für Fachleute in der Branche dar. Prinzipiell gibt es nur zwei Anlaufverfahren für Asynchronmotoren: Direktanlauf und Anlauf mit reduzierter Spannung. Beim Direktanlauf wird die Nennspannung direkt an den stehenden Motor angelegt, sodass dieser direkt unter dieser Spannung anläuft. Vorteile des Direktanlaufs sind beispielsweise ein hohes Drehmoment, kurze Anlaufzeiten, einfache Steuerung und geringe Investitionskosten. Daher wird er häufig zum Anlaufen kleiner und mittelgroßer Motoren eingesetzt. Der Direktanlauf hat jedoch auch einige Einschränkungen, insbesondere in drei Punkten: (1) Der Anlaufstrom kann das 4- bis 7-Fache des Nennstroms des Motors erreichen. Bei einigen Motoren für den Hausgebrauch kann der tatsächlich gemessene Anlaufstrom sogar das 8- bis 12-Fache betragen. Wird ein großer Motor direkt angelaufen, verursacht der hohe Anlaufstrom einen signifikanten Spannungsabfall im Netz. Dies beeinträchtigt den normalen Betrieb anderer elektrischer und elektronischer Geräte im selben Netz. Im Extremfall kann es zu Geräteausfällen aufgrund der Unterspannung oder sogar zum Auslösen des Überstromschutzes des Netzrelais und damit zu einem Stromausfall kommen. (2) Direktstarts setzen die angetriebenen Maschinen mechanischen Stößen aus. Bei Pumpenlasten kann ein zu hohes Anlaufdrehmoment zu Materialermüdung (mechanische Verformung, Materialermüdung) und Beschädigung (Risse, Brüche usw.) an Schaufeln, Lagern, Klappenventilen usw. führen. Dies ist ein häufiges Problem. Tatsächlich kann es aufgrund der hohen Stoß- und Reaktionskraft des Wasserstroms in der Rohrleitung zu Wasserschlag kommen, der die Anlage beschädigen kann. (3) Direktstarts erfordern einen Transformator mit hoher Leistung. Die Transformatorleistung für die Stromversorgung von Pumpstationen zur Bewässerung und Entwässerung landwirtschaftlicher Flächen reicht jedoch oft nicht aus, um die Netzkapazitätsanforderungen für Direktstarts zu erfüllen. Ist ein Direktstart nicht zulässig, sollte ein Anlaufverfahren mit reduzierter Spannung angewendet werden, d. h. der Anlauf erfolgt durch Reduzierung der Spannung an den Motorklemmen. Zu den Anlaufverfahren mit reduzierter Spannung gehören im Allgemeinen Stern-/Dreieck-Anlauf, Anlauf mit Vorwiderständen und Drosseln im Statorkreis, Anlauf mit Spartransformatoren und das in diesem Artikel empfohlene Sanftanlaufverfahren. Stern-Dreieck-Anlasser sind die einfachsten und kostengünstigsten Abwärtsstarter. Ihre Leistungsfähigkeit ist jedoch hauptsächlich aus folgenden Gründen eingeschränkt: (1) Strom- und Drehmomentreduzierung sind nicht steuerbar, da diese Werte auf ein Drittel des Nennwerts festgelegt sind. (2) Beim Umschalten von Stern- auf Dreieckschaltung treten üblicherweise große Strom- und Drehmomentschwankungen auf. Dies führt zu mechanischer und elektrischer Belastung und damit zu häufigen Ausfällen. Spartransformator-Anlasser bieten mehr Steuerungsmöglichkeiten als Stern-Dreieck-Anlasser, da die Anlaufspannung der ersten Stufe über Transformatorstufen (typischerweise 65 % und 80 % zweistufige Anlaufstufen) verändert werden kann. Da die Spannung jedoch stufenweise erhöht wird, ist ihre Leistungsfähigkeit wie folgt eingeschränkt: (1) Die sprunghafte Spannungsänderung (verursacht durch das stufenweise Umschalten) verursacht große Strom- und Drehmomentschwankungen, die – ähnlich wie die Leistungsbeschränkung „2“ bei Stern-Dreieck-Anlassern – zu häufigen mechanischen und elektrischen Ausfällen führen. (2) Der begrenzte Bereich der Ausgangsspannungen (begrenzte Anzahl an Anlaufspannungsabgriffen) schränkt die Wahl des idealen Anlaufstroms ein. Da Spartransformator-Anlasser für den Abwärtsanlauf eine Spannung unterhalb der Nennspannung verwenden, steuern sie die Spannung und nicht den Strom. Daher weicht die Anlaufstromkurve bei Netzspannungsschwankungen und Laständerungen (z. B. bei Änderungen des Wasserstands in Bewässerungs- und Entwässerungsanlagen) deutlich von der idealen Auslegungskurve ab, was das Anlaufverhalten verschlechtert. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen verkürzt sich die Lebensdauer der Anlage erheblich, und die Wartungskosten steigen. Widerstandsstarter bieten zwar eine bessere Anlaufsteuerung als Stern-/Dreieck-Anlasser, weisen aber ebenfalls Leistungs- und Anwendungsbeschränkungen auf: (1) Die Anlaufcharakteristik lässt sich nur schwer optimieren. Der Grund dafür ist, dass der Widerstandswert bei der Herstellung des Anlassers festgelegt ist und sich im Betrieb nur schwer ändern lässt. Zwar ist ein stufenweiser Anlauf durch Umschalten der Abgriffe möglich, doch bei vielen Stufen steigt die Komplexität des Steuerungssystems zwangsläufig an, und auch die Herstellungskosten und die Ausfallrate erhöhen sich deutlich. Widerstandsanlasser arbeiten daher üblicherweise mit 2 bis 5 Stufen. Dadurch schwanken die wichtigsten elektrischen Parameter wie Spannung und Strom an der Statorwicklung des Motors während des stufenweisen Anlaufs weiterhin stark. (2) Bei häufigem Anlaufverhalten sind die Anlaufeigenschaften nicht optimal. Dies liegt daran, dass sich der Widerstandswert während des Anlaufvorgangs mit der Temperatur des Widerstands ändert und beim Anhalten und Wiederanfahren ein langer Kühlprozess erforderlich ist. (3) Die Betriebseigenschaften verschlechtern sich bei hohen Lasten oder langen Anlaufzeiten, da sich der Widerstandswert mit der Temperatur des Widerstands ändert. (4) In Anwendungen mit häufig wechselnder Last (z. B. bei großen Wasserstandsschwankungen in Bewässerungs- und Entwässerungsanlagen) bietet der Widerstandsanlasser keinen idealen Anlaufeffekt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass herkömmliche Abwärtsanlaufgeräte viele Leistungs- und Anwendungsbeschränkungen aufweisen und es zunehmend schwierig ist, den Anlaufanforderungen der sich ständig weiterentwickelnden komplexen Anwendung von Elektromotoren gerecht zu werden. 2. Funktionsprinzip der Sanftanlauftechnik Die Sanftanlauftechnik basiert auf der Thyristor-Chopper-Technologie. Das Prinzip der Netzfrequenzregelung mittels Thyristor-Chopper-Technologie ist in Abbildung 1 dargestellt. Innerhalb jeder Halbperiode einer 50-Hz-Sinuswelle wird dem Gate des Thyristors VT1 zu einem festen Zeitpunkt (Nulldurchgangsverzögerung t1) ein Triggerimpuls angelegt. Gemäß den Eigenschaften des Thyristors bleibt dieser nach Ende des Triggerimpulses für die verbleibende Dauer der Halbperiode eingeschaltet (siehe schattierter Bereich in Abbildung 1(b)), bis die Spannung erneut den Nulldurchgang durchläuft. Durch Anpassen des Zeitpunkts des VT1-Triggerimpulses lässt sich die Ausgangsspannung u0 im Bereich von 0–100 % der Eingangsspannung (ui) einstellen. Durch Anwendung der Thyristor-Chopper-Spannungsregelung auf ein Drehstromnetz und die Integration moderner Elektronik wie einer Mikrocontroller-Steuerung kann ein Sanftanlaufgerät realisiert werden, mit dem sich große Drehstrom-Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer anlaufen lassen. Die Spannungs- und Stromkennlinien eines Sanftanlaufmotors sind in Abbildung 2 dargestellt. Aus der Spannungskennlinie u = f(t) ist ersichtlich, dass der Sanftanlaufmotor dem Wechselstrom-Asynchronmotor zu Beginn des Anlaufs eine Anfangsspannung Ust (Ust ist üblicherweise zwischen 10 % und 60 % von Ue frei einstellbar) bereitstellt und die Lastspannung innerhalb der vom Benutzer eingestellten Anlaufzeit Tst (Tst ist üblicherweise zwischen 1 und 60 Sekunden frei einstellbar) gleichmäßig auf die Nennspannung Ue des Motors anhebt. Dank der Strombegrenzungsfunktion des Sanftanlaufs überschreitet der Anlaufstrom während des Anlaufs niemals den Anlaufgrenzstrom ILIM (ILIM ist üblicherweise zwischen 2 und 5Ie frei einstellbar). Zum Vergleich der externen Anlaufcharakteristik sind hier die Spannungs- und Stromkennlinien des in der Anwendung gebräuchlichsten traditionellen Anlaufverfahrens – des Abwärtsanlaufs mit Spartransformator – dargestellt (siehe Abbildung 3). Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, erzeugen beide Phasen des zweistufigen Anlaufs hohe Anlaufströme, die das Stromnetz belasten. Die beiden großen Abwärtsspannungen 0→Ust und Ust→Ue verursachen ebenfalls sehr große, abrupte Drehmomentänderungen und damit mechanische Stöße. Durch den Sanftanlauf des Motors werden die elektrischen und mechanischen Stöße jedoch minimiert, wie die Strom- und Spannungskennlinien zeigen. 3. Anwendung der Sanftanlauftechnik. Sanftanlauf-Steuerungssysteme, die aus Sanftanlaufgeräten bestehen, lassen sich in zwei Typen unterteilen: (1) Online-Sanftanlaufsysteme und Bypass-Sanftanlaufsysteme (siehe Abbildungen 4 und 5). In den Abbildungen sind K0, K1–Kn Leistungsschalter; RQ, RQ1–RQn Sanftanlaufgeräte; KM11–KMn1, KM12–KMn2 Wechselstromschütze; M1–Mn Motoren. Das Online-Sanftanlaufsystem arbeitet nach dem Prinzip „1:1“, d. h. der Anlauf jedes Lastmotors erfolgt durch das entsprechende Sanftanlaufgerät. Durch die Wahl eines Sanftanlaufgeräts mit Langzeit-Einschaltdauer lässt sich der Motor während des gesamten Anlauf-, Betriebs- und Stoppvorgangs steuern, und die Hauptverdrahtung sowie das Steuerungssystem sind sehr einfach. Bei einem Bypass-Sanftanlaufgerät teilen sich mehrere Motoren dasselbe Gerät. Nach dem Anlaufen eines Motors schaltet der Bypass-Schütz den Motor auf Netzspannung um und trennt ihn vom Sanftanlaufgerät für den Direktbetrieb. Dadurch kann das Sanftanlaufgerät den Anlauf eines weiteren Motors steuern. Bypass-Sanftanlaufgeräte können die Systemkosten bei der Steuerung einer großen Anzahl von Motoren deutlich senken. Darüber hinaus arbeiten Sanftanlaufgeräte mit einer Kurzzeit-Einschaltdauer, was ihre Ausfallrate erheblich reduziert. Der einzige Nachteil ist die erhöhte Komplexität der Hauptverdrahtung und des Gesamtsystems. Mit dem technologischen Fortschritt steigen die Anforderungen an Motorsteuerungsmechanismen und technische Spezifikationen stetig, sodass herkömmliche Niederspannungs-Anlaufgeräte für viele Branchen nicht mehr ausreichen. In den letzten Jahren hat die schrittweise Lokalisierung von Sanftanlaufgeräten dazu geführt, dass die Sanftanlauftechnologie zur gängigen Anlaufmethode für große Kurzschlussläufer-Asynchronmotoren geworden ist, die traditionellen Anlaufmethoden schließlich ersetzt hat und in der Steuerung von Bewässerungs- und Entwässerungspumpen weite Verbreitung gefunden hat.