Sanftanlauf
Als Sanftanlauf (engl. ?Softstart?) werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung eines elektrischen Gerätes, meist eines Netzteiles oder elektrischen_Motors, beim Einschalten bezeichnet.Zum einen wird dadurch der Einschaltstrom des Gerätes verringert (Einschaltstrombegrenzung), zum anderen werden die von Motoren angetriebenen mechanischen Komponenten vor allzu großen Drehmomenten und Beschleunigungen geschützt.
Einschaltstrombegrenzung
Mit Widerstand
Eine Einschaltstrombegrenzung kann durch einen in Reihe zum Verbraucher geschalteten Widerstand erreicht werden.
Ist dies ein ohmscher Widerstand, darf er nur beim Einschalten in der Stromleitung liegen und muss später im Normalbetrieb durch ein Relais, einen Thyristor oder einen Triac überbrückt werden. Solche Einschaltstrombegrenzer werden auch als ?spannungsgesteuert? bezeichnet, weil die Überbrückung kurz nach Einschalten der Spannung durch diese bewirkt wird.
Vorteil dieser Variante ist, dass Ausschalten und sofortiges Wieder-Einschalten problemlos möglich ist. Nachteil ist, dass bei defekter oder ausbleibender Überbrückung durch den sich dann überhitzenden Widerstand ein Brand verursacht werden kann. Deswegen sollten Maßnahmen dagegen getroffen werden, wie beispielsweise die Verwendung von schwer entflammbaren Widerständen, solchen mit eingebauter Sicherungswirkung (z.B. Schmelzdrahtwiderstand) oder einer separaten Sicherung im Widerstandskreis.
Eine recht seltene Abart der Widerstandsüberbrückung sind Einschalter mit einem pneumatisch verzögertem zweiten Schaltweg. Der zweite, verzögert schließende Schalter überbrückt im Betrieb den der Einschaltstrombegrenzung dienenden Widerstand. Diese Schalter funktionieren nur, wenn sie selbst ausgeschaltet werden, nicht jedoch, wenn das Gerät anderweitig vom Netz getrennt und wieder zugeschaltet wird.
Mit Heißleiter (NTC)
Bei Netzteilen wird als Einschaltstrombegrenzer meist ein Heißleiter (NTC-Widerstand) verwendet, der ebenfalls in Serie zum Verbraucher geschaltet wird, jedoch nicht überbrückt zu werden braucht. Er begrenzt wegen seines hohen Widerstands im kalten Zustand den Strom nach dem Einschalten. Später erwärmt er sich durch den Stromfluss, verringert seinen Widerstand und verursacht dann nur noch geringe Verluste, um seine Eigentemperatur aufrechtzuerhalten.
Nach dem Ausschalten des Geräts muss eine gewisse Zeit (oft mehrere Minuten) gewartet werden, bis der Heißleiter wieder abgekühlt ist; ansonsten wird beim erneuten Einschalten der Strom nicht mehr ausreichend begrenzt.
NTC-Einschaltstrombegrenzer sind in der Regel im Gerät eingebaut, da der NTC-Typ auf die Last abgestimmt sein muss. Sie können seltener aber auch ein eigenes Gehäuse in Form eines Zwischensteckers haben.
Zur Einschaltstrombegrenzung vorgesehene Heißleiter bzw. NTC-Widerstände sind durch ihren maximalen Betriebsstrom (Nennstrom), den Kaltwiderstand und die Einschaltcharakteristik des angeschlossenen Verbrauchers spezifiziert.
Hierzu wird vom Hersteller neben dem Nennstrom und dem Kaltwiderstand das maximale Stromintegral I2 t oder der maximal zulässige Wert des nachfolgenden Lade- bzw. Siebkondensators angegeben.
Der Kaltwiderstand bestimmt den maximalen Einschaltstrom, wenn das Bauteil abgekühlt ist, typische Widerstandswerte sind 5?25 Ohm, sodass Leitungsschutzschalter gerade noch nicht ansprechen.
Heißleiter können auch bei niedrigeren Betriebsströmen als ihrem Nenstrom eingesetzt werden, dann ist jedoch der Einschaltstrom unnötig hoch.
Mit Phasenanschnitt
Zur Einschaltstrombegrenzung induktiver Verbraucher (u.a. Transformatoren, Motoren von Winkelschleifern und Staubsaugern) werden oft phasenanschnittgesteuerte Thyristoren oder Triac benutzt. Diese Baugruppen steuern den Stromflusswinkel allmählich in Form einer Rampe auf den vollen Wert. Oft können sie gleichzeitig als Leistungssteller dienen.
Einschaltstrombegrenzung und Softstart bei Netzteilen
Bei Netzteilen wird beim Einschalten ein hoher Strom zum Aufladen von Kondensatoren benötigt.
Auch Netz-Transformatoren verursachen einen hohen Einschaltstromstoß, wenn sie im Spannungsnulldurchgang der Netzwechselspannung zugeschaltet werden. Beispielsweise können große Transformator-Netzteile (z.B. von Audio-Verstärkern) beim Einschalten zum Ansprechen von 10 A-Leitungsschutzschaltern führen.
Mögliche Maßnahmen gegen den hohen Einschaltstrom bei primärseitig schaltenden Schaltnetzteilen sind Einschaltstrombegrenzer mit Widerstand oder Heißleitern, wie sie oben beschrieben wurden. Bei Schaltnetzteilen kann der Einschaltstrom auch dadurch etwas vermindert werden, dass sie die Ausgangsspannung langsam erhöhen (soft start). Einschaltstrombegrenzer mit Phasenanschnittsteuerung können bei primär schaltenden Schaltnetzteilen (Kondensatorlast!) nicht eingesetzt werden.
Große Transformatoren können sowohl über Widerstände bzw. NTC als auch mit phasenanschnittgesteuertem Triac gestartet werden.
Schaltnetzteile mit elektronischer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) haben die Möglichkeit, die Stromaufnahme aus dem Netz elektronisch zu steuern, besitzen jedoch ebenfalls einen hohen Einschaltstrom, das dieser im Moment des Einschaltens zunächst ungesteuert über die Drossel und die Diode in den Ladekondensator der Gleichstrom-Zwischenschiene fließt, bis dieser auf die Scheitelspannung geladen ist. Obwohl die Drossel den Strom etwas begrenzt, besitzen sie daher ebenfalls meist NTC als Einschaltstrombegrenzung.
Sanftanlauf von Motoren
Ein Universalmotor bzw. Reihenschlussmotor beschleunigt ohne Sanftanlauf mit hoher Leistung und liefert dabei das höchste Drehmoment - das Haltemoment - aus dem Stillstand heraus. Der Anlaufstrom ist hoch, trägt jedoch sofort zum Drehmoment bei. Ein Start ohne Sanftanlauf führt hier nur selten zum Ansprechen einer Sicherung. Sanftanlauf wird jedoch auch bei diesen Motoren angewendet, um die Strombelastung von Schaltern zu verringern oder das Drehmoment auf der Antriebswelle oder auf anderen Übertragungselementen - z. B. einer Kupplung - zu begrenzen, sodass sie vor mechanischer Überbeanspruchung geschützt werden. Bei den meist mit solchen Motoren ausgerüsteten elektrischen Handgeräten (Bohrmaschine, Winkelschleifer, Handkreissäge) ist Sanftanlauf überdies zur besseren und gefahrloseren Handhabung wichtig.
Bei Motoren für Einphasen-Wechselstrom, z.B. große Winkelschleifer und Kreissägen, bei denen relativ lange ein hoher Strom fließt, bis der Motor die Schleifscheibe bzw. das Sägeblatt auf Nenndrehzahl beschleunigt hat, werden oft Einschaltstrombegrenzer benötigt; diese werden hier auch Anlaufstrombegrenzer genannt und können im Gerät eingebaut sein oder ein eigenes Gehäuse als Zwischenstecker zwischen der Steckdose und dem Netzstecker des Geräts haben.
Asynchronmotoren verursachen sehr hohe Einschaltströme bei zunächst geringem Drehmoment. Kurz vor Erreichen der Nenndrehzahl steigt das Drehmoment jedoch sehr stark an.
In manchen Fällen, wie bei Transportbändern, Kränen und Aufzugsanlagen wird ein sanftes Starten und Halten des Motors gewünscht, um Beschleunigungen zu reduzieren, die z.B. zu Schwingungen oder zum Umfallen von transportierten Gütern führen könnten. Hier werden oft Frequenzumrichter eingesetzt.
Sanftanlaufschaltungen
Asynchronmotoren werden oft durch Stern-Dreieck-Schaltungen, durch die unten beschriebenen Sanftanlaufgeräte oder mit Frequenzumrichtern gestartet.
Staubsauger besitzen oft eine Sanftanlaufschaltung in Form eines Triacstellers mit ?soft start?-Verhalten. Dieser kann mit oder ohne einstellbare Leistung ausgeführt sein - oft wird die gleiche Baugruppe verwendet, auch wenn am Gerät kein Leistungsregler vorhanden ist.
Sanftanlauf wird bei Handgeräten oft mit einem ?Gasgriff? (einem im Griffschalter untergebrachten Triacsteller) oder durch eine ebenfalls mit Triac arbeitende Sanftanlaufschaltung ohne Leistungsstellung erreicht.
Sanftanlaufgeräte
Für große Asynchronmotoren gibt es elektronische Sanftanlaufgeräte. Ein solches Sanftanlaufgerät reduziert beim Einschalten mittels Phasenanschnitt die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Jedoch geht bei Asynchronmotoren bei kleinerer Spannung das Drehmoment des Motors quadratisch zurück, auch ist das Drehmoment bei sehr niedriger Drehzahl gering. Deshalb ist ein derartiger Sanftanlauf nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Beim Erreichen der vollen Spannung wird bei manchen Sanftanlaufgeräten die Elektronik mittels Relais bzw. Schütz überbrückt, um die Verlustleistung zu verringern. Sanftanlaufgeräte werden beispielsweise für große Ventilatoren und Maschinen in der Industrie verwendet, die nicht gegen Last anlaufen müssen.
Manche Sanftanlaufgeräte haben auch eine Funktion für die langsame Verringerung der Motorspannung beim Ausschalten (Sanftauslauf) oder sind mit elektronischen Bremsgeräten kombiniert, um den Motor rasch zum Stillstand zu bringen.
Sanftanlaufgeräte ersetzen oft die früher weit verbreiteten Stern-Dreieck-Schalter, bei denen die Motorspannung in zwei Stufen erhöht wird.
Frequenzumrichter
Eine andere Methode, bei Asynchronmotoren einen Sanftanlauf zu erreichen, ist die Verwendung eines Frequenzumrichters, mit dem die Drehzahl mit einer programmierbaren Rampenfunktion langsam auf den vollen Wert gesteigert werden kann.
Im Gegensatz zur Reduktion der Spannung mit einem Sanftanlaufgerät hat der Motor bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter schon bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Daher kann die Drehzahl ggf. auch sehr langsam gesteigert werden, z.B. um große Trägheitsmomente zu bewältigen. Das Drehmoment darf dabei kurzzeitig auch höhere Werte haben als bei Nennbetrieb, sodass auch Anlauf unter Vollast möglich ist. Das ist wichtig beim Start u.a. von Kompressoren, wenn diese gegen noch vorhandenen Druck anlaufen müssen.
Ein weiterer Vorteil von Frequenzumrichtern ist die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors im Betrieb variieren zu können und auch beim Ausschalten je nach Anforderungen die Drehzahl langsam zu senken bzw. den Motor gesteuert abzubremsen.
Außerdem sind moderne Frequenzumrichter oft mit einer Leistungsfaktorkorrektur ausgestattet; im Gegensatz zu Phasenanschnittsteuerungen entstehen dann kaum Oberwellen im Stromnetz.
Elektronische Frequenzumricher sind wesentlich aufwändiger und daher teuerer als Sanftanlaufgeräte mit Phasenanschnittschaltung; werden wegen ihrer Vorteile aber zunehmend eingesetzt.
