Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung von Halbleiter-Sanftanlaufgeräten für Motoren in der Motoranlaufsteuerung. Er behandelt die Anlaufverfahren mit anfänglicher Spannungsrampe und Spannungsrampe mit zusätzlicher Impulsauslösung sowie mit Stromrampe und Drehmomentrampe. Der Artikel erörtert die Fortschritte in der Halbleiter-Anlaufgerätetechnologie. Die Anlaufsteuerungstechnologie hat sich schrittweise weiterentwickelt. Anfänglich wurden Spannungsrampen oder Spannungsrampen mit Anlaufspannung ohne Stromrückführung eingesetzt. Später kamen Stromrampen mit Stromrückführung und geschlossenen Reglern zum Einsatz, und in jüngster Zeit sind geschlossene Regler mit Drehmomentrückführung aufgetaucht. Schlüsselwörter: Sanftanlaufgerät , Halbleiter-Motorsteuerung, Motoranlaufsteuerung. Gemäß der nationalen Norm GB14048.6-1998 (entspricht IEC947-4-2:1995) „Niederspannungs-Schalt- und Steuergeräte – Schütze und Motorstarter – Teil 2: AC-Halbleiter-Motorsteuerungen und -Starter“ ist eine AC-Halbleiter-Motorsteuerung ein Halbleiter-Schaltgerät, das Start- und Stoppfunktionen für Wechselstrommotoren bereitstellt. Es gibt drei Typen. Typ 1 wird als Halbleiter-Motorsteuerung bezeichnet. Die Anlauffunktion kann jede vom Hersteller spezifizierte Anlaufmethode umfassen. Zu den Steuerungsfunktionen gehören die Motorsteuerung, die kontrollierte Beschleunigung, der laufende Betrieb oder die kontrollierte Verzögerung. Auch der Betrieb mit voller Spannung ist möglich. Typ 2 wird als Halbleiter-Sanftanlauf-Motorsteuerung bezeichnet. Seine Anlauffunktion beschränkt sich auf die Steuerung des Spannungs- und/oder Stromanstiegs und kann auch eine kontrollierte Beschleunigung umfassen. Zusätzliche Steuerungsfunktionen beschränken sich auf den Betrieb mit voller Spannung. Das heißt, Steuerungen des Typs 2 verfügen nicht über Steuerungsfunktionen für den Motorlauf und -stopp. Typ 3 ist eine Halbleiter-Direktstart-Motorsteuerung. Seine Anlauffunktion beschränkt sich auf den direkten Vollspannungsstart, der Spannungsanstieg ist unkontrolliert, und zusätzliche Steuerungsfunktionen beschränken sich auf den Betrieb mit voller Spannung. Tatsächlich handelt es sich um einen aus Halbleitern gefertigten Schütz. Durch die Ausstattung einer AC-Halbleiter-Motorsteuerung mit geeigneten Überlastschutzvorrichtungen entsteht ein Halbleiter-Motorstarter (auch bekannt als Solid-State-Sanftanlaufgerät). Aktuell basieren alle diese Halbleiter-Motorsteuerungen auf AC-Spannungsregelungsschaltungen aus Thyristoren. Für Solid-State-Sanftanlaufgeräte ist die Steuerung des Motoranlaufs ihre Hauptfunktion. Da Halbleiter-Sanftanlaufgeräte auf Thyristor-Wechselspannungsregelungsschaltungen basieren, ist das Anlaufen des Motors mit einer linearen Spannungsrampe die naheliegendste Wahl. Abbildung 1 veranschaulicht dieses Anlaufverfahren. Es beginnt mit einer Anlaufspannung U_ini und steigt dann mit einer bestimmten Steigung auf die Nennspannung U_rat an. Die Steigung wird durch die Rampenzeit t_ramp eingestellt. Die Ausgangsspannung des Sanftanlaufgeräts steigt nur mit der angelegten Spannung; da keine Spannungsregelung im geschlossenen Regelkreis erfolgt, schwankt die tatsächliche Ausgangsspannung mit der Netzspannung. Die Anfangsspannung U_ini muss so gewählt werden, dass das zum Anlaufen des Motors benötigte Drehmoment erzeugt wird. Die Rampenzeit t_ramp wird anhand des Trägheitsmoments von Motor und Last sowie der gewünschten Beschleunigungszeit bestimmt. Manche Lasten, wie z. B. Förderbänder, weisen im Stillstand ein hohes Widerstandsmoment auf, das ein hohes Antriebsmoment erfordert, um dieses zu überwinden und den Motor zu beschleunigen. Sobald sich das Förderband dreht, wandelt sich die statische Reibung in dynamische Reibung um, wodurch das erforderliche Antriebsmoment sinkt. Um dem entgegenzuwirken, kann zu Beginn der linearen Spannungsrampe eine Anlaufspannung U_kic überlagert werden, deren Wert zwischen 0,3 und 0,9 der Nennspannung einstellbar ist. Ihre Dauer t_kic ist sehr kurz und typischerweise zwischen 0,1 und 10 Sekunden einstellbar. Der Nachteil des linearen Anlaufs mit Spannungsrampe besteht darin, dass der Strom im offenen Regelkreis geregelt wird (jedoch mit Überstromschutz). Da der Strom nicht nur von der Spannung, sondern auch von der aktuellen Motordrehzahl und den Schaltungsparametern abhängt, können Schwankungen der Versorgungsspannung, Anlaufschwierigkeiten des Motors oder Änderungen der Schaltungsparameter dazu führen, dass der Strom den Sollwert überschreitet. Dies kann erhebliche Spannungseinbrüche im Netz und weitere Probleme verursachen. Um die Nachteile des Anlaufs mit Spannungsrampe zu überwinden, verwendet der Halbleiter-Sanftanlauf der zweiten Generation keine Spannungsrampenregelung im offenen Regelkreis, sondern einen Anlauf mit Stromrampe im geschlossenen Regelkreis. Der Sanftanlaufschalter der zweiten Generation mit Stromrampenanlauf weist den in Abbildung 2 dargestellten Anlaufstromverlauf auf. I_ini ist der anfängliche Anlaufstrom, der durch das zum Anfahren des Motors aus dem Stillstand erforderliche Drehmoment bestimmt wird. I_max ist der gewählte maximale Anlaufstrom. Anlaufstrom I_ini: 50 %–400 % FLA (FLA ist der Gesamtstrom des Motors), einstellbar; Maximaler Anlaufstrom I_max: 100 %–600 % FLA, einstellbar; Rampenzeit t_ramp: 0–120 s, einstellbar; Impulsgesteuerter Strom I_Kic: 100 %–600 % FLA, einstellbar; Impulsgesteuerte Zeit t_Kic: 0,1–10 s, einstellbar. Einige Hochleistungs-Halbleiter-Sanftanlaufgeräte verfügen über zwei wählbare Anlaufstromrampen mit jeweils pulsgesteuertem Strom (siehe Abbildung 3), deren Parameter individuell eingestellt werden können. Durch Anlegen einer Steuerspannung an den entsprechenden Steueranschluss mittels eines Steuerrelaiskontakts kann der Halbleiter-Sanftanlaufgerät den Motor mit Rampe 2 anlaufen lassen. Beispielsweise kann bei geringer Last Rampe 1 und bei hoher Last Rampe 2 verwendet werden. Alternativ lassen sich mit einem Sanftanlaufgerät zwei Motoren anlaufen, wobei der erste Motor mit Rampe 1 und der zweite mit Rampe 2 gestartet wird. Sobald der Motor seinen normalen Betriebsbereich erreicht, steigt sein Wirkungsgrad deutlich an. Da die Last nun nicht mehr beschleunigt werden muss, sinkt der Motorstrom naturgemäß. In Systemen mit Stromregelung im geschlossenen Regelkreis zwingt der PI-Regler den Ausgangsstrom jedoch weiterhin, dem vorgegebenen Wert zu folgen. Dadurch erhöht der Regler die Ausgangsspannung rapide, um den Motorstrom zu steigern. Aufgrund des raschen Anstiegs der Ausgangsspannung und des plötzlichen Anstiegs des Motorwirkungsgrades steigt auch das Ausgangsdrehmoment beim Erreichen der Nenndrehzahl rapide an, was zu einem Drehmomentüberschwingen führt (auch die Spannungsrampenregelung ist von Drehmomentüberschwingen betroffen). Dieses Drehmomentüberschwingen kann mitunter unerwünschte Auswirkungen wie Schwingungen im Antriebssystem verursachen. In den letzten Jahren haben einige Unternehmen verschiedene Verfahren zur Reduzierung dieser Drehmomentspitzen entwickelt. Da Halbleiter-Sanftanlaufgeräte jedoch für verschiedene Motortypen (z. B. gibt es gemäß NEMA-Normen Motoren der Typen A, B, C und D) und verschiedene Lasten (z. B. verschiedene Ventilatoren, Wasserpumpen, Kompressoren, Werkzeugmaschinen, Förderbänder usw.) geeignet sein müssen, ist eine gleichmäßige und präzise Drehmomentregelung mit einem einfachen Verfahren schwierig zu realisieren. Die Benshaw Corporation in den USA entwickelte ein Programm zur Motordrehmomentregelung namens Tru Torque. Dessen Grundprinzip lässt sich wie folgt kurz beschreiben: Das elektromagnetische Drehmoment des Motors ist gegeben durch , wobei PEM die elektromagnetische Leistung des Motors und Ω0 die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds ist. Die Eingangsleistung P₁ des Drehstrom-Asynchronmotors beträgt: P₁ = 3U₁I₁cos₁. Die elektromagnetische Leistung P_EM = ηP₁, wobei η der Wirkungsgrad des Motors ist. Abbildung 4 zeigt daher ein auf den obigen Gleichungen basierendes Blockschaltbild der Regelung. Die Drehmomentregelungssoftware Tru Torque berechnet das tatsächliche Drehmoment (die tatsächliche Leistung) des Motors anhand des vom Stromwandler erfassten Drehstroms und Leistungsfaktors, der anhand des Zündwinkels des Thyristors berechneten Ausgangsspannung und des berechneten Wirkungsgrads des Motors. Dieses berechnete Drehmoment wird dann als Rückkopplungssignal verwendet, mit dem Drehmoment-Sollwert verglichen und vom PID-Regler zur Regelung der Ausgangsspannung gesteuert. Abbildungen 5 und 6 zeigen die zeitlichen Verläufe von Drehmoment und Drehzahl des Motors bei Verwendung von Strom- bzw. Drehmomentregelung (die Drehmomentrichtung in den Abbildungen ist abnehmend, was eine Zunahme anzeigt, die Drehzahlrichtung hingegen zunehmend). Es ist ersichtlich, dass der Sanftanlauf mit Drehmomentregelung kein Drehmomentüberschwingen aufweist, wenn der Motor sich seiner Nenndrehzahl nähert, während die Stromregelung einen Drehmomentanstieg verursacht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Technologie von Halbleiter-Sanftanlaufgeräten drei Entwicklungsstufen durchlaufen hat: von der Spannungsrampenregelung mit offenem Stromregelkreis über die Stromrampenregelung mit geschlossenem Stromregelkreis bis hin zur aktuellen Drehmomentregelung. (Li Wujiu, Shanghai Jieyi General Electric Co., Ltd.; Du Yingzhi, Northwest Design Institute of China Municipal Engineering)