Ein Sanftanlaufgerät für Gleichstrommotoren.

Sanftanlaufgerät – Definition, Prinzip und Funktionsweise

Die Steuerung von Motoren kann durch ein Sanftanlaufgerät unterstützt werden.

Ein Sanftanlaufgerät für Gleichstrommotoren.

Ein Sanftanlaufgerät oder Sanftanlasser ist eine Vorrichtung, die die Beschleunigung eines Elektromotors durch die Steuerung der angelegten Spannung steuert.

Erinnern wir uns nun kurz an die Notwendigkeit, für jeden Motor einen Starter zu haben.

Ein Induktionsmotor hat die Fähigkeit zum Selbstanlauf aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Magnetfeldfluss und dem Fluss der Rotorwicklung, wodurch bei Erhöhung des Drehmoments ein hoher Rotorstrom entsteht. Infolgedessen nimmt der Stator einen hohen Strom auf, und wenn der Motor die volle Drehzahl erreicht, wird eine große Strommenge (größer als der Nennstrom) aufgenommen, was zu einer Erwärmung des Motors führen und ihn schließlich beschädigen kann. Um dies zu verhindern, sind Motorstarter erforderlich.

Der Motorstart kann auf 3 Arten erfolgen:

  • Das Anlegen der Vollastspannung in Zeitintervallen: Direktes Einschalten
  • Schrittweises Anlegen einer reduzierten Spannung: Stern-Dreieck-Anlaufschaltung und Softstarter
  • Anwenden von Teilwicklungsstart: Anlassspartransformator

Definition des Softstarts

Nun wollen wir unser besonderes Augenmerk auf den Sanftanlauf richten.

Technisch gesehen ist ein Sanftanlaufgerät jede Vorrichtung, die das auf den Elektromotor ausgeübte Drehmoment reduziert. Er besteht in der Regel aus Festkörperbauelementen wie Thyristoren, die das Anlegen der Versorgungsspannung an den Motor steuern. Der Starter arbeitet mit der Tatsache, dass das Drehmoment proportional zum Quadrat des Anlaufstroms ist, der wiederum proportional zur angelegten Spannung ist. Somit kann das Drehmoment und der Strom durch Reduzierung der Spannung zum Zeitpunkt des Motorstarts eingestellt werden.

Es gibt zwei Arten der Steuerung mit dem Softstarter:

  1. Offene Steuerung: Unabhängig von der Stromaufnahme oder der Drehzahl des Motors wird eine Startspannung mit der Zeit angelegt. Für jede Phase werden zwei SCRs Rücken an Rücken geschaltet und die SCRs werden zunächst mit einer Verzögerung von 180 Grad während der jeweiligen Halbwellenzyklen (für die jeder SCR leitet) geführt. Diese Verzögerung wird mit der Zeit allmählich reduziert, bis die angelegte Spannung auf die volle Versorgungsspannung hochfährt. Dies wird auch als Time Voltage Ramp System bezeichnet. Diese Methode ist nicht relevant, da sie die Motorbeschleunigung nicht wirklich kontrolliert.
  2. Geschlossener Regelkreis: Jede der Motor Kennzahlen, wie z.B. die Stromaufnahme oder die Drehzahl, wird überwacht und die Anfahrspannung wird entsprechend modifiziert, um die gewünschte Reaktion zu erhalten. Der Strom in jeder Phase wird überwacht und wenn er einen bestimmten Sollwert überschreitet, wird die zeitliche Spannungskurve angehalten.

Das Grundprinzip des Sanftanlassers oder Sanftanlaufgerät ist also, dass durch die Steuerung des Leitungswinkels der SCRs das Anlegen der Versorgungsspannung gesteuert werden kann.

2 Basis-Komponenten eines Sanftanlaufgerät

  • Leistungsschalter die phasengesteuert sein müssen, so dass sie für jeden Teil des Zyklus eingesetzt werden. Bei einem 3-Phasen-Motor werden für jede Phase zwei SCRs Rücken an Rücken geschaltet. Die Schaltgeräte müssen mindestens dreimal höher als die Netzspannung ausgelegt sein.
  • Steuerlogik mit Hilfe von PID-Reglern oder Mikrocontrollern oder einer anderen Logik zur Steuerung des Anlegens der Gatespannung an den SCR, d.h. zur Steuerung des Zündwinkels der SCRs, um den SCR bei dem erforderlichen Teil des Versorgungsspannungszyklus leitend zu machen.

Arbeitsbeispiel eines elektronischen Sanftanlaufsystems für einen 3-Phasen-Induktionsmotor

Das System besteht aus den folgenden Komponenten.

  • Zwei Back to Back SCRs für jede Phase, d.h. insgesamt 6 SCRs.
  • Steuerlogik in Form von zwei Komparatoren – LM324 und LM339 zur Erzeugung der Pegel- und Rampenspannung und einem Opto-Isolator zur Steuerung des Anlegens der Gate-Spannung an jeden SCR in jeder Phase.

Eine Stromversorgungsschaltung zur Bereitstellung der erforderlichen Gleichstrom-Versorgungsspannung.

Schaltung eines Sanftanlaufgerätes.

Block Diagramm von Edgefx Kits.

Die Pegelspannung wird mit dem Komparator LM324 erzeugt, dessen invertierender Anschluss über eine feste Spannungsquelle und der nicht invertierende Anschluss über einen Kondensator, der mit dem Kollektor eines NPN-Transistors verbunden ist, gespeist wird. Durch das Laden und Entladen des Kondensators ändert sich der Ausgang des Komparators entsprechend und der Spannungspegel wechselt von hoch nach niedrig.

Diese Ausgangspegelspannung wird an den nichtinvertierenden Anschluss eines weiteren Komparators LM339 angelegt, dessen invertierender Anschluss mit einer Rampenspannung gespeist wird. Diese Rampenspannung wird mit Hilfe eines weiteren Komparators LM339 erzeugt, der die an seinem invertierenden Anschluss anliegende pulsierende Gleichspannung mit der reinen Gleichspannung an seinem nicht-invertierenden Anschluss vergleicht und ein Nullspannungs-Referenzsignal erzeugt, das durch Laden und Entladen eines Elektrolytkondensators in ein Rampensignal umgewandelt wird.

Der 3. Komparator LM339 erzeugt für jede Hochspannung ein High-Pulsbreitensignal, das mit abnehmender Pegelspannung allmählich abnimmt. Dieses Signal wird invertiert und an den Optokoppler angelegt, der Gate Impulse an die SCRs liefert. Wenn der Spannungspegel sinkt, nimmt die Impulsbreite des Optokopplers zu und je größer die Impulsbreite, desto geringer ist die Verzögerung und desto langsamer wird der SCR ohne jede Verzögerung ausgelöst. Durch die Steuerung der Dauer zwischen den Impulsen oder der Verzögerung zwischen den Impulsen wird der Zündwinkel des SCRs und die Zuführung des Versorgungsstroms gesteuert, wodurch das Ausgangsdrehmoment des Motors kontrolliert wird.

Der gesamte Prozess des Sanftanlaufgerät ist eigentlich ein offener Regelkreis, bei dem die Zeit der Zuführung von Gate-Auslöseimpulsen zu jedem SCR gesteuert wird, je nachdem, wie früher die Rampenspannung von der Pegelspannung abfällt.

Vorteile von Sanftanlaufgeräten

Nachdem wir nun gelernt haben, wie ein elektronisches Sanftanlaufsystem funktioniert, wollen wir uns einige Gründe ins Gedächtnis rufen, warum es anderen Methoden vorgezogen wird.

  • Verbesserte Effizienz: Der Wirkungsgrad eines Sanftanlassersystems mit Festkörperschaltern ist eher auf die niedrige Einschaltspannung zurückzuführen.
  • Kontrolliertes Anfahren: Der Anlaufstrom kann durch einfache Änderung der Anfahrspannung stufenlos gesteuert werden, wodurch ein ruckfreies Anfahren des Motors gewährleistet wird.
  • Kontrollierte Beschleunigung: Die Beschleunigung des Motors wird sanft gesteuert.
  • Geringe Kosten und Größe: Dies wird durch den Einsatz von Halbleiterschaltern gewährleistet.
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