Steinmetzschaltung

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Die Steinmetzschaltung, benannt nach Charles P. Steinmetz, ist eine elektrische Schaltung zum Betrieb von Drehstrom-Asynchronmotoren an einem einphasigen Wechselstromnetz. Die Schaltung wird nur bei kleineren Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer bis 2 kW angewendet.

Grundlagen[Bearbeiten]

Damit bei einem Drehstrommotor der Rotor eine Drehbewegung vollzieht, muss der Stator mit Drehstrom versorgt werden. Die drei Außenleiter erzeugen im Stator ein Drehfeld, das um 120° phasenverschoben ist. Fällt ein Außenleiter aus oder ist nur ein Außenleiter und der Neutralleiter vorhanden (alle Haushaltssteckdosen), kann der Motor nicht aus eigener Kraft anlaufen, er müsste von Hand angeworfen werden. Mit der Steinmetzschaltung kann man einen Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlussläufer selbsttätig anlaufen lassen.

Formel für den Betriebskondensator in der Steinmetzschaltung[Bearbeiten]

Zur Realisierung der Steinmetzschaltung muss die Schaltung des Motors, Stern- oder Dreieckschaltung, entsprechend der vorhandenen Netzspannung vorgenommen werden, in Europa sind das üblicherweise 230 V. Als Betriebskondensator ist ein Metallpapierkondensator entsprechend DIN EN 60252-1 (VDE 0560-8:2011-10) zulässig, der an den dritten noch freien Anschluss des Motors und je nach gewünschter Drehrichtung an den Außenleiter oder den Neutralleiter angeschlossen wird. Wird der Kondensator mit dem Außenleiter verbunden, dreht sich der Motor nach rechts, bei Verbindung des Kondensators mit dem Neutralleiter nach links. In diversen Fachbüchern und Foren wird mit Bezug auf die vor Jahren zurückgezogene DIN 48501 ein Richtwert von ca. 70 µF je 1 kW Motorleistung für eine Betriebsspannung von 230 V empfohlen. Die allgemeine Formel für die Berechnung des Betriebskondensators mit der Kapazität C und einer Leistung P des Elektromotors an der Nennspannung U lautet:[1]

C = \frac {2 P} {\sqrt{3} \, \omega \, U^2}

mit \omega der Kreisfrequenz.

Durch den Kondensator wird eine Hilfsphase erzeugt. Diese hat allerdings anstatt 120° nur eine Phasenverschiebung von weniger als 90°. Es wird also nur ein elliptisches Drehfeld erzeugt, das jedoch ausreicht, um dem Motor eine Drehrichtung vorzugeben, so dass er selbstständig anlaufen kann.[2] Allerdings hat der Motor dadurch elliptische Betriebseigenschaften. Bei der Steinmetzschaltung kann der Motor, je nach Spulenspannung, sowohl im Dreieck als auch im Stern betrieben werden. Die Dreieckschaltung wird bevorzugt verwendet.[3]

Der Kondensator und die Spule des Motors bilden zusammen einen Reihenschwingkreis. Im Betrieb entsteht am Kondensator bei 230V Netzspannung eine Spitzenspannung von bis zu 330 V. Damit er nicht zerstört wird, muss er für die größte auftretende Spannung bemessen sein. Da die verwendeten Metallpapierkondensatoren im Laufe der Jahre altern, wird ein Sicherheitszuschlag von 70 V – 80 V zugerechnet. Bei einer Netzspannung von 230 V wird somit ein Kondensator mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 400 V verwendet. Bedingt durch den Kondensator, sind die Ströme in den einzelnen Strängen unterschiedlich groß. Der Anlaufstrom des Motors ist vom erforderlichen Drehmoment abhängig und beträgt ein Mehrfaches des Nennstromes. Da es durch den Betrieb größerer Motoren zu verstärkten einphasigen Belastungen kommt, ist der Betrieb von Motoren mit Steinmetzschaltung je nach Versorger auf 1,5 kW bis maximal 2 kW begrenzt.

Drehmoment und Leistung[Bearbeiten]

Aufgrund des elliptischen Drehfeldes ist das Anzugsmoment eines Motors mit Steinmetzschaltung deutlich geringer als bei Drehstrommotoren, die mit echtem Drehstrom versorgt werden. Je nach Größe des Betriebskondensators liegt das Anzugsmoment M_A zwischen 10 % und 50 % – im Durchschnitt bei etwa 30 % – des Nennmoments M_N. Die Leistung eines in Steinmetzschaltung betriebenen Drehstrommotors liegt bei etwa 70 % der normalen Motorleistung. Soll das Drehmoment höher liegen, schaltet man während der Hochlaufphase einen Anlaßkondensator C_A parallel zum Betriebskondensator C_B. Die Kapazität des Anlaufkondensators kann doppelt so hoch sein wie die Kapazität des Betriebskondensators. Nach dem Hochlaufen muss der Anlaufkondensator mittels Fliehkraftschalter oder Zeitrelais abgeschaltet werden, da ansonsten die Wicklung des Motors überhitzen würde. Durch den Anlaufkondensator kann das Anzugsmoment auf nahezu 100 % gesteigert werden.[4] In der Regel wird er so bemessen, dass das Anlaufmoment bei 90 % liegt. Drehstrommotoren in Steinmetzschaltung sind aufgrund des geschwächten Anlaufmoments auch mit Anlaufkondensator nicht für Schweranlauf geeignet.

Anwendung der Steinmetzschaltung[Bearbeiten]

Die Steinmetzschaltung ist als eine Art Notlösung für Haushalte ohne Drehstrom-Anschluss gedacht oder für Maschinen, bei denen man sich den Aufwand für die Verkabelung mit drei Außenleitern ersparen will. Das dritte Anwendungsgebiet sind Maschinen, bei denen so günstig wie möglich eine Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit erzeugt werden soll.

Der Nachteil der Steinmetzschaltung ist, dass das Anlaufdrehmoment auf ⅓ des Motor-Nennmomentes begrenzt wird. Um die gleiche Leistung zu erreichen, muss man einen größeren Motor einsetzen, was mehr kostet und mehr Platz beansprucht. Zudem ist der Wirkungsgrad mit ca. 70 % ziemlich gering.

Die Steinmetzschaltung war aus ökonomischen Gründen immer auf Motoren mit einer Leistung von weniger als zwei Kilowatt beschränkt. Mit dem Aufkommen der Drehstrom-Frequenzumrichter wurde das Anwendungsgebiet weiter eingeschränkt, denn dieser kann aus einer Gleich- oder Wechselspannung den für einen Drehstrommotor benötigten 3-Phasen-Drehstrom erzeugen. Damit ist es ohne Einschränkungen möglich, einen Drehstrommotor an nur einem Außenleiter zu betreiben.

Drehstrommotoren in Steinmetzschaltung verwendet man z. B. zum Antrieb von Betonmischern, älteren Waschmaschinen und an Umwälzpumpen von Heizungsanlagen. Vielfach werden dort jedoch aufgrund der Einfachheit Kondensatormotoren verwendet.[5]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Andreas Kremser: Elektrische Maschinen und Antriebe, Grundlagen, Motoren und Anwendungen. 2. Auflage. Teubner Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-519-16188-5.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Nolle E.: Manuskript zur Vorlesung: Elektrische Maschinen (Teil 1 und 2). Universität Esslingen; Fakultät: Mechatronik und Elektrotechnik, 2007, S. 74, abgerufen am 14. September 2013 (PDF; 1,9 MB, Abschnitt 3.6.2.6 Steinmetzschaltung).
  2. A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
  3. Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
  4. Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9
  5. Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9