Stern-Dreieck-Schaltung

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Stern-Dreieck-Schaltung
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Eine Stern-Dreieck-Schaltung (kurz YD-Schaltung) dient dazu, größere Drehstrommotoren mit Kurzschlussläufer (ab 5,5 kW) anlaufen zu
lassen. Dies vermeidet das Auslösen von Sicherungen und eventuelle Spannungseinbrüche aufgrund des sonst hohen Anlaufstroms bei
direkter Einschaltung.
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
Grundlagen
Ausführung
Anwendungsbedingungen
Umschaltstromspitze bei Stern-Dreieck-Umschaltung
4.1 Praxisbeobachtung
4.2 Spannungsvektoren
4.3 Verbindung Außenleiter zu Motorwicklungen
4.4 Schaltung Laststromkreis
5 Quellen
6 Siehe auch
Grundlagen
Zur Realisierung der Stern-Dreieck-Schaltung wird ein im Normalbetrieb in Dreieckschaltung (Bild 2)
arbeitender Motor während des Anlaufs vorübergehend in Sternschaltung (Bild 1) 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 Strang der drei Wicklungen des Motors an einen Außenleiter des
Dreiphasennetzes geschaltet (siehe Bild), die verbleibenden drei Stränge werden im Sternpunkt
elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch den Verkettungsfaktor ergibt sich an jedem
Wicklungsstrang die reduzierte (Strang-)Spannung:
Anlauf: Sternschaltung der
Motorwicklungen (Bild 1)
Nach dem ohmschen Gesetz reduziert sich deshalb der Strom in jedem Wicklungsstrang auf:
Dauerbetrieb: Dreieckschaltung der
Motorwicklungen (Bild 2)
Die Leistung jedes einzelnen Wicklungsstrangs bei Sternschaltung ist darum:
Daraus ergibt sich, dass auch die Gesamtleistung des Motors und der Strom in den Außenleitern auf ein Drittel reduziert wird.
Ausführung
In der Praxis wird die Stern-Dreieck-Schaltung mit einer Schützschaltung ausgeführt, die das Umschalten der Motorwicklungsanschlüsse
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
15.07.2009 17:43
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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-DreieckUmschaltung nur bei leichten Anlaufbedingungen, z. B. 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.
Stern-Dreieck-Schaltung mit
Schützkontakten, vereinfachte
Darstellung ohne Steuer- und
Sicherungseinrichtungen (Bild 3)
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 üblicherweise 400 V
beträgt. Entsprechende Bezeichnungen auf dem Typenschild von Motoren, die sich am üblichen 230/400V-Netz für die SternDreieck-Schaltung eignen, sind beispielsweise „∆400V“ und „400/690V“. Wenn zwei Spannungen angegeben werden, ist der kleinere Wert die
maximal zulässige Spannung bei Dreieckschaltung und damit die maximal zulässige Spannung an jeder Motorwicklung. Motoren, auf deren Typenschild
„230/400V“ angegeben ist, sind am üblichen 230/400-V-Netz nur für die Sternschaltung geeignet und würden bei Stern-Dreieck-Anlauf zerstört.
Umschaltstromspitze bei Stern-Dreieck-Umschaltung
Die Stern-Dreieck-Schaltung ( engl.: Star-Delta, Y∆, ([1] (http://en.wikipedia.org/wiki/AC_motor) )
Wye-Delta ([2] (http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_group) ) ) 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
Stromverlauf des
Als Antrieb eines Kompressors wird ein Asynchronmotor mit 315 kW, In 544 A, betrieben. Der Motor
Einschaltvorgangs (Bild 4)
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=630A,
Ik-Auslösung = 8kA, 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
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 DreieckDirekteinschaltung liegen [1] [2]. 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 ∆U wesentlich größer ist.
Zeigerdiagramm Ständer- /
Läuferfeld-Spannungen (Bild 5)
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 wird min. 50 ms empfohlen [3] [4].
Ein pausenfreies Umschalten ist mit einer speziellen Anlaufelektronik möglich oder einem
zusätzlichen Schütz und Transitionswiderständen möglich [5].
Verbindung Außenleiter zu Motorwicklungen
Zeigerdiagramm Ständer- /
Läuferfeld-Spannungen (Bild 6)
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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, für zur „ungünstige“
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 Laststromkreis
Bei Verwendung der günstigen Verschaltung ergeben sich die folgenden Hauptstromkreise.
günstige und ungünstige
Schaltungen für Rechts- u.
Linkslauf (Bild 7)
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.
Stern-Dreieck-Wendeschaltung, Dreieck-Rechtslauf eingefärbt (Bild 8)
Stern-Dreieck-Wendeschaltung, Dreieck-Linkslauf eingefärbt (Bild 9)
Zur Übersichtlichkeit wurde ein Hauptstromkreis mit 5 Schützen gewählt. Es sind auch andere Schaltungen mit weniger Schützen möglich .
[6] [7]
Quellen
1. Fachzeitschrift "Elektrotechnik" (CH) 2/1978, Seite 53, "Rechts und Linkslauf der Motoren bei YD-Anlauf", L. Vercelli, Fa. Sprecher & Schuh AG, CH-5000
Aarau
2. Siemens, Funktionsbeispiel Nr. CD_FE_III_001_DE.pdf, "Stern-Dreieck-Schalten von Drehstrommotoren Verringern der Umschaltstromspitze"
3. Moeller, Datenblatt DIL-Leistungsschütze
4. Siemens, "Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen", 4. Auflage, Seite 572
5. Siemens, "Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen", 4. Auflage, Seite 574, Bild 9.3/3
6. Moeller, „Moeller-Schaltungsbuch 2006“, Seite 8-45
7. Siemens, "Schalten, Schützen, Verteilen in Niederspannungsnetzen", 4. Auflage, Seite 571
Siehe auch
Stern-Dreieck-Transformation
Stern-Polygon-Transformation
Teilwicklungsanlauf
Moeller-Schaltungsbuch (Download (http://www.moeller.net/de/support/wiring_manual.jsp) )
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Kategorie: Elektromotor
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