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In industriellen Produktionsstätten schlägt der Amperemeterzeiger von Wechselstrommotoren (insbesondere Asynchronmotoren) beim Anlauf oft sprunghaft aus und zeigt einen Anlaufstrom an, der den Nennstrom deutlich übersteigt. Der Anlaufstrom mancher kleiner und mittelgroßer Motoren kann das 5- bis 7-Fache des Nennwerts erreichen, bei großen Hochspannungsmotoren ist er sogar noch höher. Dieses Phänomen bereitet nicht nur dem Betriebs- und Wartungspersonal Probleme, sondern birgt auch potenzielle Sicherheitsrisiken. Um diese Frage zu beantworten, müssen wir vom Funktionsprinzip von Wechselstrommotoren ausgehen und die Gefahren und Gegenmaßnahmen in Verbindung mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen analysieren.
1. Hauptursachen für übermäßigen Anlaufstrom
Das Anlaufverhalten von AC-Asynchronmotoren hängt eng mit dem rotierenden Magnetfeld und dem Schlupfverhältnis zusammen. Im Stillstand beträgt die Rotordrehzahl null und das Schlupfverhältnis s = 1 (Schlupfverhältnis s = (Synchrondrehzahl – Rotordrehzahl) / Synchrondrehzahl). In diesem Moment erreicht die Drehzahl, bei der der Rotorleiter das rotierende Magnetfeld schneidet, ihren Maximalwert, wodurch auch die induzierte elektromotorische Kraft und der induzierte Strom im Rotor maximal sind. Gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion interagiert das vom Rotorstrom erzeugte Magnetfeld mit dem Statormagnetfeld. Um das Magnetfeldgleichgewicht aufrechtzuerhalten, erhöht der Stator automatisch den Strom, um den Einfluss des Rotormagnetfelds auszugleichen, was schließlich zu einem sprunghaften Anstieg des Statoranlaufstroms führt.
Aus Sicht des Schaltkreises ist die extrem niedrige äquivalente Impedanz des Motors beim Anlauf ein weiterer Schlüsselfaktor. Im Ruhezustand kann die Statorwicklung des Motors als Reihenschaltung aus Widerstand und Streureaktanz betrachtet werden. Da der Rotor stillsteht, ist die induktive Reaktanz der Wicklung minimal, und der Widerstand selbst ist gering. Gemäß dem Ohmschen Gesetz I = U/Z führt die Abnahme der Impedanz Z unter Nennspannung direkt zu einem deutlichen Anstieg des Stroms I. Da die Rotorstäbe von Käfigläufer-Asynchronmotoren aus Aluminiumguss oder Kupfer gefertigt sind und der Rotorwiderstand beim Anlauf gering ist, wird der Stromverstärkungseffekt zusätzlich verstärkt.
2. Hauptschäden durch hohe Anlaufströme
Ein zu hoher Anlaufstrom hat negative Auswirkungen auf das Stromnetz, den Motor selbst und angeschlossene Geräte. Im Stromnetz führt der kurzzeitige Stromstoß zu einem plötzlichen Spannungsabfall, was zu Fehlfunktionen anderer Geräte im selben Netz (z. B. Präzisionsinstrumente, SPS-Steuerungen) und sogar zu Abschaltungen und Stromausfällen führen kann. Im Motor selbst wird die Statorwicklung durch den zu hohen Strom einer enormen elektrischen Kraft ausgesetzt. Häufiges Anlaufen über einen längeren Zeitraum kann die Alterung und Beschädigung der Wicklungsisolierung und damit Windungsschlüsse verursachen. Gleichzeitig führt die durch den Strom erzeugte Joulesche Wärme zu einem starken Anstieg der Wicklungstemperatur und verkürzt die Lebensdauer des Motors.
In der industriellen Fertigung kann der Anlaufstrom die Stabilität des mechanischen Systems beeinträchtigen. Die mit dem hohen Anlaufstrom einhergehende Drehmomentschwankung führt zu Stoßbelastungen der Verbindungen zwischen Motor und Last (z. B. Lüfter, Wasserpumpen, Förderbänder), was mechanische Ausfälle wie lockere Kupplungen und Getriebeverschleiß zur Folge haben und die Wartungskosten erhöhen kann. In explosionsgefährdeten Bereichen (z. B. in der chemischen Industrie, im Kohlebergbau) kann der Anlaufstrom elektrische Funken erzeugen und somit ein Sicherheitsrisiko darstellen.
3. Effektive Bekämpfungsstrategien in industriellen Szenarien
Je nach Leistungsstufe und Betriebsbedingungen lassen sich die in der Industrie üblicherweise verwendeten Anlaufverfahren in zwei Kategorien einteilen: „Absenkanlauf“ und „Sanftanlauf“. Für kleine und mittelgroße Asynchronmotoren (üblicherweise unter 55 kW) ist der Absenkanlauf eine wirtschaftliche und praktische Wahl. Das Grundprinzip besteht darin, die Statorspannung beim Anlauf zu reduzieren, um den Anlaufstrom zu senken. Gängige Verfahren sind der Stern-Dreieck-Anlauf (Y-Δ), der Spartransformator-Absenkanlauf und der Drosselspulen-Absenkanlauf. Der Stern-Dreieck-Anlauf ist dabei am weitesten verbreitet. Beim Anlauf wird die Statorwicklung in Sternschaltung angeschlossen, sodass die Spannung jeder Phasenwicklung auf 1/√3 des Nennwerts abfällt und der Anlaufstrom auf 1/3 des Anlaufstroms beim Direktanlauf reduziert wird. Sobald die Motordrehzahl erreicht ist, wird auf Dreieckschaltung umgeschaltet, um den Betrieb mit Nennspannung wiederherzustellen.
Für große Motoren (über 100 kW) oder Anwendungen mit hohen Anforderungen an einen sanften Anlauf (z. B. Aufzüge, Präzisionswerkzeugmaschinen) sind Sanftanlaufgeräte und Frequenzumrichter die bessere Lösung. Der Sanftanlaufgerät nutzt die Phasenanschnittsteuerung von Thyristoren (SCR), um die Statorspannung sanft von niedrig auf hoch ansteigen zu lassen. Der Anlaufstrom kann auf das 2- bis 3-Fache des Nennstroms begrenzt werden, wodurch plötzliche Spannungsspitzen und -abfälle vermieden werden. Gleichzeitig bietet er Schutz vor Überstrom und Überlast und eignet sich für verschiedene Lastcharakteristiken. Der Frequenzumrichter steuert den Motoranlauf durch Änderung der Netzfrequenz. Beim Anlauf steigt die Frequenz allmählich von null an, und die Drehzahl erhöht sich synchron und gleichmäßig. Der Anlaufstrom kann auf den Nennstrom begrenzt werden, und er ermöglicht zudem die Drehzahlregelung. Dies schlägt zwei Fliegen mit einer Klappe in Anwendungen, die einen Betrieb mit variabler Drehzahl erfordern (z. B. Drehzahlregelung von Lüftern durch Frequenzumrichter und Energieeinsparung).
Zusätzlich können für bestimmte Lasten Hilfsmaßnahmen wie „stufenweises Anfahren“ oder „Anfahren mit Lastentlastung“ eingesetzt werden. Beispielsweise wird bei Anlagen mit hoher Last, wie z. B. Förderbändern, die Last vor dem Anfahren mittels einer Kupplung abgekoppelt und erst wieder zugeschaltet, nachdem der Motor die Nenndrehzahl erreicht hat. Bei Kompressoren kann ein Bypassventil verwendet werden, um den Zylinderdruck zu reduzieren, den Anlaufwiderstand zu senken und indirekt den Anlaufstrom zu verringern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der übermäßige Anlaufstrom von Wechselstrommotoren ein systembedingtes Phänomen ist, das durch ihre elektromagnetischen Eigenschaften bedingt ist. Seine schädlichen Auswirkungen können jedoch durch wissenschaftliche Anlaufverfahren wirksam kontrolliert werden. In industriellen Anwendungen müssen Faktoren wie Motorleistung, Lastcharakteristik und Netzkapazität berücksichtigt werden, um ein wirtschaftliches und praktikables bzw. präzises und kontrollierbares Unterdrückungsverfahren auszuwählen. Dies gewährleistet die Anlagensicherheit und verbessert die Produktionsstabilität.
