Stern-Dreieck-Schaltung

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Eine Stern-Dreieck-Schaltung (kurz YΔ-Schaltung) dient dazu, größere Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer ab einer Leistung von 4 kW anlaufen zu lassen. Dies vermeidet das Auslösen von Sicherungen und eventuelle Spannungseinbrüche aufgrund des sonst hohen Anlaufstroms bei direkter Einschaltung.

Die Verteilnetzbetreiber schreiben vor, dieses Anlassverfahren zur Vermeidung großer Blindströme (induktive Einschaltströme) bei Motoren mit einer aufgenommenen Leistung (Scheinleistung) ab 5,2 kVA anzuwenden.

Grundlagen[Bearbeiten]

Dauerbetrieb: Dreieckschaltung der Motorwicklungen (Bild 1)
Anlauf: Sternschaltung der Motorwicklungen (Bild 2)

Zur Realisierung der Stern-Dreieck-Schaltung wird ein im Normalbetrieb in Dreieckschaltung (Bild 1) arbeitender Motor während des Anlaufs vorübergehend in Sternschaltung (Bild 2) betrieben. Die Höhe der Werte der Anzugsleistung und des Anzugsmoments in Sternschaltung beträgt nur ein Drittel der Werte, die bei einer direkten Inbetriebnahme in Dreieckschaltung auftreten.

Bei einer Sternschaltung wird je ein Leiter der drei Wicklungen des Motors an einen Außenleiter des Dreiphasennetzes geschaltet (siehe Bild), die verbleibenden drei Leiter werden im Sternpunkt elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch den Verkettungsfaktor ergibt sich an jedem Wicklungsstrang die reduzierte (Leiter-)Spannung:

U_\mathrm{Stern} = \frac {U_\mathrm{Dreieck}}{\sqrt 3}

Nach dem ohmschen Gesetz reduziert sich deshalb der Strom in jedem Wicklungsstrang auf:

I_\mathrm{Stern} = \frac {I_\mathrm{Dreieck}}{\sqrt 3}

Die Leistung jedes einzelnen Wicklungsstrangs bei Sternschaltung ist darum:

P_\mathrm{Stern} = U_\mathrm{Stern} \cdot I_\mathrm{Stern} = \frac {U_\mathrm{Dreieck}}{\sqrt 3} \cdot \frac {I_\mathrm{Dreieck}}{\sqrt 3} = \frac {P_\mathrm{Dreieck}} {3}

Daraus ergibt sich, dass die Gesamtleistung des Motors auf ein Drittel reduziert wird.

Ausführung[Bearbeiten]

In der Praxis wird die Stern-Dreieck-Schaltung mit einer Schützschaltung ausgeführt, die das Umschalten der Ständerwicklung (auch Statorwicklung genannt) zwischen den Außenleitern und dem Sternpunkt ermöglicht sowie diese beiden Schaltzustände im Betrieb gegeneinander verriegelt. (Bild 3) Mit zusätzlichen Steuerrelais ist eine automatische Umschaltung möglich. Anstelle der Schützschaltung können auch handbetätigte spezielle Stern-Dreieck-Schalter Verwendung finden.

Anwendungsbedingungen[Bearbeiten]

Stern-Dreieck-Schaltung mit Schützkontakten, vereinfachte Darstellung ohne Steuer- und Sicherungseinrichtungen (Bild 3)
  • Das Umschalten von Sternschaltung auf Dreieckschaltung darf erst nach dem Hochlauf des Motors erfolgen. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein starker Stromstoß und der Zweck der Umschaltung wird nicht erreicht.
  • Wegen der Verringerung des Anzugsmoments auf ein Drittel kann die Stern-Dreieck-Umschaltung nur bei leichten Anlaufbedingungen, beispielsweise beim Anlaufen von leerlaufenden Werkzeugmaschinen, erfolgen. Sie wird von den Energieversorgungsunternehmen bis 11 kW (zum Teil auch höher) allgemein zugelassen.
  • Die Stern-Dreieck-Schaltung kann nur bei Drehstrommotoren angewendet werden, deren Wicklungsanschlüsse nicht intern verbunden, sondern einzeln nach außen geführt sind.
  • Die Stern-Dreieck-Schaltung kann nur bei Motoren angewendet werden, die bei der verfügbaren Spannung eine Dreieckschaltung zulassen. Jede der Motorwicklungen muss dazu der Spannung zwischen zwei Außenleitern standhalten können, die in Europa üblicherweise 400 V beträgt. Die entsprechende Bezeichnung auf dem Typenschild von Motoren, die sich am üblichen Netz für die Stern-Dreieck-Schaltung eignen ist „400/690 V“, „Δ400/Y690 V“ oder „400/400 V“.

In der ersten Stufe wird der Motor vom Schalter in Stern geschaltet. Hierdurch ist die Wicklung für die Spannung 690 V geschaltet, es liegen am Motor aber nur 400 V an. Hierdurch wird der Anlaufstrom in Grenzen gehalten. Nach dem Anlauf wird der Motor dann in der zweiten Stufe in Dreieck geschaltet. Hiermit wird der Motor für 400 V geschaltet, die dann am Motor auch anliegen. Nun darf der Motor mit seinem vollen Moment belastet werden.[1]

Umschaltstromspitze bei Stern-Dreieck-Umschaltung[Bearbeiten]

Stromverlauf des Einschaltvorgangs (Bild 4)

Die Stern-Dreieck-Schaltung (engl.: Star-Delta, YΔ, AC motor[2] / Wye-Delta, Vector group[3]) wird eingesetzt um den Anlaufstrom eines Asynchronmotors in Dreieckschaltung zu begrenzen. Dabei wird der Motor in der Sternschaltung auf Drehzahl gebracht. Beim Umschalten wird dann theoretisch nur noch der Dreieckstrom benötigt, der der aktuellen Drehzahl entspricht. Somit wird der Einschaltstrom auf 1/3 gegenüber dem Strom bei Dreieck-Direkteinschaltung reduziert. Jedoch kann beim Umschalten von Stern auf Dreieck die Netzphasen und Motorfeld in Opposition zueinander stehen. Dies führt zu Ausgleichsvorgängen, was zu einer sehr hohen Umschaltstromspitze führen kann.

Praxisbeobachtung[Bearbeiten]

Als Antrieb eines Kompressors wird ein Asynchronmotor mit 315 kW, In 544 A, betrieben. Der Motor startet den entlasteten Kompressor in einer Y-D-Schaltung. Als Energieversorgung wird ein 20/0,4 kV Transformator mit 800 kVA, Ik ~ 19 kA verwendet. Der Anschluss erfolgt trafonah über 2 Leistungsschalter. Q1 in der Hauptverteilung mit In = 1250 A, Ik-Auslösung bei 18 kA, Charakteristik = Anlageschutz. Q2 mit In = 630 A, Ik-Auslösung = 8 kA, Charakteristik = Anlageschutz. Bei Verwendung der ungünstigen Verschaltung lösen beide Schalter beim Umschalten von Stern nach Dreieck unverzögert aus. Bei Verwendung der günstigen Verschaltung löst keiner der Schalter aus.

Spannungsvektoren[Bearbeiten]

Zeigerdiagramm Ständer- / Läuferfeld-Spannungen (Bild 5)

Die Umschaltstromspitze ist abhängig von der Lage des neuen Ankerfeldes (L1, L2, L3) zum neu aufzubauenden (L1’, L2’, L3’) und zur Spannung des zusammenbrechenden Läuferfeldes (L1’–N). Bei ungünstiger Verschaltung können Stromspitzen entstehen, die über dem Anlaufstrom bei Dreieck-Direkteinschaltung liegen.[4] [5] [6] Die Folge ist das Ansprechen der korrekt ausgewählten Kurzschließeinrichtungen. Weitere Folgen sind das Verschweißen bzw. Kontaktabbrand an den Kontakten des Dreieckschützes und hohe dynamische Belastungen des Motors.

Je nach der äußeren Beschaltung der Außenleiter zu den Wicklungen kann die Umschaltstromspitze bis zum 2-fachen des Stromes bei Direkteinschaltung auf Dreieck betragen. Dieser Umschaltstrom wird vermindert, wenn die Vorzugsschaltung für Stern-Dreieck-Starter verwendet wird (Bild 5). Bei ungünstiger Wahl der Außenleiter zu den Motorwicklungen ergibt sich folgendes Zeigerdiagramm (Bild 6). Es wird deutlich, dass ΔU wesentlich größer ist.

Zeigerdiagramm Ständer- / Läuferfeld-Spannungen (Bild 6)

Die Lage der Spannungs-Vektoren ist auch von der Dauer der Umschaltpause abhängig und somit ebenso die Höhe der Umschaltstromspitze. Eine Umschaltpause ist jedoch notwendig um den ungelöschten Lichtbogen (Ausschaltfunken) des Y-Schützes zusammenbrechen zu lassen, bis das D-Schütz zuschaltet. Als Umschaltzeit werden mindestens 50 ms empfohlen.[7] [8]

Ein pausenfreies Umschalten ist mit einer speziellen Anlaufelektronik oder einem zusätzlichen Schütz und Transitionswiderständen möglich.[9]

Verbindung des Außenleiters zu den Motorwicklungen[Bearbeiten]

günstige und ungünstige Schaltungen für Rechts- und Linkslauf (Bild 7)

Eine Auswahl von möglichen Beschaltungen zeigt in Bild 7 obere Reihe, Mitte die Vorzugsschaltung für den Rechtslauf. Die Gedankenstütze für die Verdrahtung bei Rechtslauf, mit dem Sternschütz einfach die Sternbrücken am Motorklemmbrett nachzubilden, führt zur „ungünstigen“ Verdrahtungsvariante (Bild 7, obere Reihe, rechts).

Bei einer Umverdrahtung von Rechts nach Linkslauf ist es nicht ausreichend, zwei beliebige Phasen zu tauschen. Es würde die „ungünstige“ Verdrahtungsvariante für Linkslauf entstehen. Für den Linkslauf kann die Gedankenstütze „Sternschütz ersetzt Sternbrücken“ (Bild 7, untere Reihe, rechts) verwendet werden.

Schaltung des Laststromkreises[Bearbeiten]

Bei Verwendung der günstigen Verschaltung ergeben sich die folgenden Hauptstromkreise.

Bild 8 zeigt die Vorzugsschaltung für den Rechtslauf. Die stromführenden Leiter (Spannung steht in der gesamten Schaltung an) sind, zugehörig zu den Außenleitern, farbig gekennzeichnet.

Bild 9 zeigt die Vorzugsschaltung für den Linkslauf.

Zur Übersichtlichkeit wurde ein Hauptstromkreis mit 5 Schützen gewählt. Es sind auch andere Schaltungen mit weniger Schützen möglich.[10] [11]

Schaltplan eines Stern-Dreieck-Schalters (DDR)[Bearbeiten]

Bei vielen DDR-Produkten ist die Belegung des Schalters folgendermaßen:

R→1 U→2 Z→4
S→5 V→6 X→8
T→9 W→10 Y→12

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Stern-Dreieck-Anlauf von Drehstrommotoren (abgerufen am 25. November 2011)
  2. AC motor in der englischsprachigen Wikipedia
  3. Vector group in der englischsprachigen Wikipedia
  4. Fachzeitschrift Elektrotechnik. (CH) 2/1978, Seite 53.
  5. L. Vercelli: Rechts und Linkslauf der Motoren bei YD-Anlauf. Fa. Sprecher & Schuh AG, CH-5000 Aarau
  6. Siemens: Funktionsbeispiel Nr. CD_FE_III_001_DE.pdf, Stern-Dreieck-Schalten von Drehstrommotoren – Verringern der Umschaltstromspitze
  7. Moeller: Datenblatt DIL-Leistungsschütze
  8. Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen. 4. Auflage, Siemens, Seite 572
  9. Siemens, "Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen", 4. Auflage, Seite 574, Bild 9.3/3
  10. Moeller: EATON-(Moeller)-Schaltungsbuch 2011. Seite 8–47
  11. Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen. 4. Auflage, Siemens, Seite 571

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]