Motoransteuerung

Andreas Mühlbauer,

Softstarter oder Frequenzumrichter?

Der effiziente Betrieb von Elektromotoren wird zunehmend wichtiger. Neben einem reibungslosen Ablauf spielen auch Umweltvorschriften sowie Energiekosten eine Rolle. Projektplaner und Ingenieure müssen sich für die beste Technologie zur Drehzahlregelung eines Motors entscheiden. Zur Wahl stehen Softstarter und Frequenzumrichter. Doch für welche Anwendung eignet sich was? 

Ob sich ein Frequenzumrichter oder ein Softstarter besser zur Regelung eines Motors eignet, hängt entscheidend von der jeweiligen Anwendung ab. © WEG

Die Entscheidung zwischen Frequenzumrichtern und Softstartern ist oft nicht einfach. Zudem müssen Anwender eine Reihe von Faktoren beachten, damit eine effektive Steuerung der eingesetzten Motoren gewährleistet ist. Zu den Faktoren, die es zu beachten gilt, zählen neben der Anwendung auch mechanische Anforderungen an das System sowie die Kosten. Auch sollten die Einhaltung der Normen, die Zuverlässigkeit des Antriebssystems sowie die Verbesserung der Energieeffizienz mit in den Entscheidungsprozess einbezogen werden.

Ob sich der Einsatz von Softstartern oder Frequenzumrichtern lohnt, lässt sich nur anwendungsspezifisch entscheiden. Geht es um eine Anwendung mit hohen Leistungen, stellt ein Softstarter oftmals die wirtschaftlichere Lösung dar, falls hierbei keine durchgängige Steuerung von Beschleunigung, Drehmoment und Drehzahl benötigt wird. Weitere Vorteile liegen in der Kompaktheit der Geräte sowie deren geringe Anschaffungskosten. Diese Aspekte machen Softstarter in vielen Branchen und Einsatzgebieten so beliebt.

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Im Gegensatz dazu stellt ein Frequenzumrichter zwar zunächst die teurere Option dar, bewirkt jedoch auf lange Sicht eine deutlich größere Senkung der Energiekosten, falls der Produktionsprozess variable Verfahrensparameter voraussetzt. Er unterstützt Anwender dabei, die EU-Effizienzvorschriften einzuhalten und ermöglicht durch eine niedrigere Energieaufnahme über die Lebenszeit einer Anlage nicht zu verachtende Einsparungen bei den Betriebskosten. Ein weiterer Vorteil, der für die Wahl eines Frequenzumrichters spricht, ist die Möglichkeit der Drehzahlregelung mit einer gleichmäßigen Beschleunigung. Der Motor kann dadurch ein hohes Drehmoment während des Hochlaufs sowie bei allen Drehzahlen liefern.

Variable Drehzahlregelung versus kontrollierte Beschleunigung

Das Hochlaufen eines Motors auf seine Betriebsdrehzahl bei voller Netzspannung bringt einen hohen Einschaltstrom mit sich. Da sich das Drehmoment von Drehstrom-Asynchronmotoren grundsätzlich analog der Motoranlaufkurve einstellt, können während des Anlaufes Drehmomentüberhöhungen auftreten, die den mechanischen Komponenten im Antriebsstrang schaden.

Sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter können dies verhindern und zum Schutz der Anlagen sowie zur Verlängerung der Lebensdauer von Elektromotoren und mechanischen Komponenten wie Kupplungen und Lager der Arbeitsmaschine beitragen. Möglich macht dies in beiden Fällen die reduzierte Klemmspannung, die bei den Elektromotoren für einen sanften Anlauf, und ein kontrolliertes Drehmoment sorgen. Der Unterschied zwischen den beiden Technologien liegt in der Art der Motoransteuerung.

Die leistungsstarken Softstarter SSW900 ermöglichen einen sanften An- und Auslauf von Drehstrom-Asynchronmotoren und bieten umfassenden Motorschutz. © WEG

Softstarter eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen eine kontrollierte, drehmomentbegrenzte Motorbeschleunigung bis auf die Nenndrehzahl notwendig ist. Mithilfe von Leistungshalbleitern wie Thyristoren, die für eine Absenkung der Spannung während des Hochlaufprozesses an den Motorklemmen sorgen, begrenzen Softstarter den Einschaltstrom und damit auch das Einschaltmoment. Hierdurch reduzieren sie die Momentbelastungen des mechanischen Antriebsstrangs im Vergleich zum direkten Einschalten und unkontrollierten Hochlaufen des Motors. Durch eine stetige Steigerung der Spannung an den Motorklemmen ermöglicht der Softstarter eine kontrollierte Beschleunigung bis auf die Nenndrehzahl.

Zu den Anwendungen zählen beispielsweise Förderbänder, Riemenantriebe und Rolltreppen. Diese erfordern eine stetige stufenlose Drehzahlsteuerung und eine Drehmomentbegrenzung beim Anfahren und Anhalten. Gerade beim Starten großer Motoren müssen die Einschaltströme begrenzt werden, um Rückwirkungen auf das Stromnetz zu vermeiden. Der Softstarter verhilft den Motoren in diesen Anwendungen zu einem kontrollierten Start und vermeidet Drehmomentspitzen sowie weitere mechanische Belastungen, die bei einem normalen Hochfahren der Geräte oftmals auftreten. Zudem eignen sich Softstarter auch als Begrenzer bei Druckwellen oder Wasserhämmern, die zu starken Erschütterungen in Rohrleitungen oder Anlagen führen können; sie vermeiden schlagartige Änderungen der Durchflussgeschwindigkeit.

Ein Frequenzumrichter regelt Drehzahl von Drehstromasynchronmotoren und schützt diese gleichzeitig. © WEG

Der Frequenzumrichter kommt hingegen dann zum Einsatz, wenn eine permanente Drehzahlregelung benötigt wird. Zu diesen Anwendungen zählen beispielsweise Lüfter, Pumpen oder Kompressoren, für die eine Reihe von allgemeinen Drehzahlaffinitätsgesetzen gilt. Im Gegensatz zum Softstarter wandelt der Frequenzumrichter die stationäre Netzfrequenz und Netzspannung in eine variable frequenzproportionale Ausgangsspannung um, wodurch er sowohl beim Beschleunigen und Verzögern als auch bei Betriebszuständen mit konstanter oder variabler Drehzahl zuverlässig arbeitet. Außerdem spielen Frequenzumrichter eine wichtige Rolle bei der Regelung von Prozessgeschwindigkeiten industrieller Anlagen und Fertigungseinrichtungen wie Mixer, Mahlwerke oder Brecher. Eine Reihe von Funktionen und Optionen ermöglicht zudem die individuelle Anpassung an eine Vielzahl von Anwendungen.

Die Energieeffizienz verbessern

Für viele Planer und Konstrukteure ist es wichtig, den Energiebedarf und damit die Betriebskosten von Antriebssystemen zu reduzieren. Dafür sind Frequenzumrichter prädestiniert, welche durch die Drehzahlregelung der Asynchronmotoren deren steigern. Mithilfe von Frequenzumrichtern wie der CFW-Baureihe von WEG lässt sich die Energieeffizienz von Elektromotoren deutlich verbessern, weil sie den Spitzenenergiebezug und damit auch die Leistung reduzieren. Die Energieaufnahme kann zwischen 40 und 60 Prozent niedriger sein, da eine Prozessgrößenanpassung wie Druck oder Volumenstrom mit dem Steigern und Absenken der Drehzahl realisiert wird und somit mechanische, verlustbehaftete Stellglieder entfallen. Darüber hinaus eignen sich Frequenzumrichter auch für Anwendungen wie Aufzüge oder Drehtische, wo die Drehzahl variabel einstellbar ist und eine gleichmäßige Bewegung erzeugt werden muss.

Durch den sanften Anlauf und die integrierten Schutzfunktionen gewährleisten Softstarter wie der SSW900 von WEG, ebenfalls einen energieeffizienten, zuverlässigen Betrieb von Elektromotoren. Das High-End-Gerät mit integrierter SPS bietet vollständig programmierbare Verfahren zur Regelung von Asynchronmotoren und eine flexible Drehmoment-Steuerung. Der Softstarter erlaubt sowohl den Direktanschluss von Motoren in Stern- oder Dreieckschaltung als auch eine Strangeinschaltung.

Dies macht es möglich, die drei Motorstränge unmittelbar in die drei Thyristorpaare zu schalten. Das führt dazu, dass der Softstarter nur noch 58 Prozent des Motornennstromes – das entspricht dem Strangstrom – führen muss und sich für die gleiche Leistung kleinere Geräte einsetzen lassen. Aufgrund des integrierten Bypass-Schützes sorgt der SSW900 für eine verlängerte Lebensdauer, optimierte Raumnutzung und eine sehr geringe Verlustleistungsabgabe im Schaltschrank.

Industrielles Gleichstromnetz

Neben der Frage, ob sich eher ein Frequenzumrichter oder ein Softstarter zur Regelung eines Elektromotors in einer Anwendung eignet, kommt es auch auf die Art des Stromnetzes an. Viele Unternehmen beteiligen sich mittlerweile an der Neugestaltung der Stromversorgung industrieller Anlagen über ein smartes, offenes Gleichstromnetz. Diese könnte die Effizienz von Antriebssystemen weiter erhöhen und so Anwendern helfen, noch mehr Energie einzusparen. Auch bei WEG ist die Gleichspannung ein Thema. So sind beispielsweise die CWF11-Frequenzumrichter in DC-Bauform verfügbar. Die Vorteile: Bei Wechselspannung haben Frequenzumrichter generell einen Wandlungsverlust von 2,2 bis 3,0 Prozent. Sind sie hingegen an ein Gleichstromnetz geschaltet, liegen die Verluste nur bei 1,1 bis 1,5 Prozent – also bei der Hälfte.

Johannes Schwenger, Leiter Produktmanagement Antriebssysteme Niederspannung und Mittelspannung Europa bei WEG / am

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