Grundlagen der Drehstromtechnik und elektrische Steuerung

Drehstromsysteme (3-Phasen-Systeme)

Ein Drehstrom-Wechselstromgenerator erzeugt elementare Drehstrom-EMK (elektromotorische Kraft) mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad (elektrisch) zwischen ihnen.

Jede dieser Spannungen wird als Phase bezeichnet und üblicherweise mit R, S und T gekennzeichnet.

Das System ist ausgewogen, wenn Frequenzen und Effektivwerte (RMS-Werte) gleich sind und die Phasen symmetrisch zueinander verschoben sind.

Aus Sicht der Last spricht man von unsymmetrischen Lasten, wenn die Impedanzen unterschiedlich sind, was zu unterschiedlichen Phasenströmen führt, obwohl die Spannungen ausgeglichen sind.

Drehstromsysteme bieten Vorteile wie die Einfachheit der Energieversorgung und -übertragung sowie ein hohes Leistungsniveau für die Verbraucher (Stationen).

Je nach Verbindungsform können Lasten in Stern- oder Dreieckschaltung verbunden werden.

Allgemeine Konzepte

• Phasenspannung (V): Spannung gemessen zwischen einer Phase und dem Neutralleiter.
• Leiterspannung (U): Spannung gemessen zwischen zwei beliebigen Phasen.
• Phasenstrom (I_Ph): Stromstärke, die durch die Last fließt.
• Leiterstrom (I_L): Stromstärke, die durch die Leitungen fließt, welche Generator und Last verbinden.

Sternschaltung (Star Connection)

• Der Phasenstrom ist gleich dem Leiterstrom.
• Die Last liegt an der Phasenspannung (z. B. 220 Volt).
• Die Leiterspannung ist das √3-fache der Phasenspannung. (Vektorsumme von zwei Phasenspannungen).
• In einem ausgeglichenen Sternsystem ist der Neutralleiterstrom gleich Null. (Zeigersumme der Leiterströme).

Dreieckschaltung (Triangle Connection)

• Kein Neutralleiter vorhanden.

Neutralleiterfehler

In Systemen mit Neutralleiter und sternförmig angeschlossenen Verbrauchern kann ein Ausfall des Neutralleiters schwerwiegende Probleme verursachen.

Anlasser für Drehstrommotoren (3f)

Start und Betrieb elektrischer Maschinen

Das Anlaufmoment von Asynchronmotoren muss das Lastmoment übersteigen. Es folgt eine Beschleunigungsphase, in der die Rotordrehzahl schnell ansteigt.

Wenn die Drehzahlen konstant werden, erreicht man den Dauerbetrieb.

Da der Anlaufstrom sehr hoch ist, müssen spezielle Startsysteme verwendet werden, um seinen Wert zu begrenzen.

Anschlusskasten von Drehstrommotoren

Angenommen, die Netzspannung beträgt 3 x 380 Volt (Drehstrom).

Es gibt drei Verbindungsmöglichkeiten: Stern, Dreieck und Stern-Dreieck.

Stern-Dreieck-Schaltung

Wenn der Start über die Stern-Dreieck-Schaltung nicht erforderlich ist, werden die sechs Kabel des Motors im Klemmenkasten über Brücken in vertikaler Ausrichtung (R zu R, S zu S und T zu T) verbunden.

Automatische elektrische Steuerung

Automatische elektrische Steuerungen bestehen aus einem oder mehreren Stromkreisen, deren Ziel es ist, elektrische Antriebe zu versorgen und Arbeitsprozesse durchzuführen.

Sie ermöglichen verschiedene Manöver (nicht nur Öffnen oder Schließen). Der Schaltplan wird üblicherweise in zwei getrennte Bereiche unterteilt: den Hauptstromkreis (Leistung) und den Steuer- und Signalisierungskreis.

• Hauptstromkreis: Zuständig für die Übertragung der Leistung zum angetriebenen Element (Einphasen- oder Drehstrom).
• Steuerstromkreis: Zuständig für die Durchführung von Zeitsteuerungsfunktionen, Selbsthaltung, Verriegelung usw., um eine bessere Kontrolle über den Prozess oder das Gerät zu gewährleisten (Einphasen- oder Gleichstrom).

Vorteile der Automatisierung:

• Vereinfachung der Regelungen.
• Einsparungen bei der Verkabelung.
• Einsparung von Komponenten.

Schutzelemente

Schutzelemente sind alle Geräte, die dafür verantwortlich sind, anormale Betriebsbedingungen zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die schädlichen Folgen dieser Fehlfunktionen zu vermeiden.

Diese Maßnahmen führen in der Regel zur Abschaltung des betroffenen Elements bei einer Ausnahmesituation.

Die wichtigsten Elemente innerhalb dieser Gruppe sind thermische Relais, Schutzschalter und Sicherungen, die zur Erkennung (Relais) oder zur Erkennung und Unterbrechung (Sicherungen) von Überlast und Kurzschluss dienen.

Personenschutz

Das wichtigste Element ist der Fehlerstrom-Schutzschalter (Differential-Relais), der Kriechströme (Stromflucht) erkennt.

Elemente in einer elektrischen Anlage

Taster (Pushbutton)

Taster haben keine stabile Position (im Gegensatz zu Schaltern).

• Öffner (NC): Normalerweise geschlossen (oder Stopp-Taste).
• Schließer (NO): Normalerweise offen (oder Start-Taste).
• Wechsler: Kombination aus Schließer und Öffner.

Relais

Relais werden hauptsächlich im Schutzbereich eingesetzt, können aber auch Steuerungsfunktionen übernehmen.

Relais im Schutzbereich

• Thermische Relais: Schützen den Stromkreis vor Überlast (Ströme über dem Nennwert). Die Auslösezeit ist nicht momentan, sondern hängt davon ab, wie lange es dauert, bis die Kontakte öffnen. Je höher der Strom über dem Nennwert liegt, desto schneller erfolgt die Auslösung.
• Thermomagnetische Relais: Kombinieren die thermische Funktion mit einem elektromagnetischen Element, das momentan auslöst, wenn der Strom viel höher als der Nennwert ist (erwartet bei Kurzschluss). Die magnetische Auslösung erfolgt ohne Verzögerung, unabhängig von der Stromstärke.

Relais in der Steuerung

• Zeit-Relais (Timed Relays):
  • Einschaltverzögerung: Die Kontakte öffnen oder schließen erst, nachdem eine bestimmte Zeit seit dem Anlegen des Befehls (Erregung der Spule) verstrichen ist.
  • Ausschaltverzögerung: Die Kontakte schalten um, wenn der Befehl gegeben wird, behalten diesen Zustand jedoch bei, bis eine bestimmte Zeit nach dem Entfernen des Befehls verstrichen ist.
• Schaltrelais (Koppelrelais): Öffnen oder schließen die Kontakte ohne Zeitverzögerung, wenn ihre Spule erregt wird. Sie ähneln Schützen, jedoch ohne Leistungskontakte.

Halbleiterrelais (Solid State Relays, SSR)

Halbleiterrelais sind Schaltgeräte, die Leistungshalbleiter verwenden. Sie dienen zur Steuerung ohmscher oder induktiver Wechselstromverbraucher. Sie bieten viele Vorteile gegenüber elektromagnetischen Schützen:

• Keine Schaltbegrenzung bei hoher Frequenz.
• Fehlen beweglicher mechanischer Teile.
• Völlig geräuschloser Betrieb.
• Keine Einschränkungen durch Funkstörungen, die elektronische Automatisierungskomponenten in der Nähe stören könnten (Blockierung des Leistungshalbleiters beim Nulldurchgang des Stroms).
• Monoblock-Technologie, die das Gerät unempfindlich gegen indirekte Stöße, Erschütterungen und staubige Umgebungen macht.
• Steuerkreis mit einem breiten Spannungsbereich.
• Sehr geringer Stromverbrauch, was die Ansteuerung über die Ausgänge programmierbarer Steuerungen ermöglicht.

Schalter

Schalter sind Betätigungselemente mit zwei stabilen Positionen. Sie unterbrechen oder schließen den Stromkreis bei Nennstrom oder leichter Überlastung.

Sie besitzen Kontakte mit zwei stabilen Positionen: In der einen ist der Kontakt offen, in der anderen geschlossen. Einige Schaltertypen können beim Schließen eines Kontakts einen anderen öffnen (Wechsler).

Leistungsschalter (Automatisierte Schalter)

Leistungsschalter sind elektromechanische Schaltgeräte, die in der Lage sind, Ströme unter normalen Bedingungen zu schalten und zu führen, sowie Ströme unter anormalen Bedingungen (wie Kurzschluss) für eine bestimmte Zeit zu führen und anschließend zu unterbrechen.

Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie eine Art von Anomalie im Stromkreis erkennen und ihre eigene Auslösung befehlen, wodurch der Stromkreis geöffnet wird.

Bezeichnung von Geräten und Anschlusspunkten

Geräte erhalten eine symbolische und alphanumerische Bezeichnung, die aus drei Zeichen besteht (z. B. AFN oder ANF):

• A: Ein Buchstabe, der die Art des Geräts angibt (gemäß Tabelle I).
• F: Ein Buchstabe, der eine Funktion angibt (gemäß Tabelle II). Dies ist nicht zwingend.
• N: Eine fortlaufende Ordnungszahl zur Unterscheidung zwischen zwei Geräten und/oder Funktionen.

Klemmenbezeichnung

Die Klemmen der Schützspulen werden mit einem Buchstaben und einer Zahl identifiziert (z. B. A1, A2).

Die Hauptkontakte von Schalt- und Schutzgeräten werden durch eine einzelne Ziffer gekennzeichnet. Die Anschlusspunkte des ersten Kontakts werden durch ungerade Zahlen (1, 3, 5...) und die unmittelbar darüber liegenden Punkte (2, 4, 6...) benannt.

Hilfskontakte werden durch zwei Ziffern gekennzeichnet:

• Die Einerstelle gibt die Funktion an (Öffner/Schließer, Sonderfunktion).
• Die Zehnerstelle ist die Ordnungszahl, die die Nummer des Kontakts innerhalb des Geräts angibt.

Für normale Kontakte (Schütze, Taster) ohne Sonderfunktion gilt:

• Öffner (NC): Einerstellen 1 und 2.
• Schließer (NO): Einerstellen 3 und 4.

Hilfskontakte mit speziellen Funktionen (z. B. zeitverzögerte Relaiskontakte oder Hilfskontakte für Schutzrelais) werden wie folgt bezeichnet:

• Normalerweise geschlossen (NC): Funktionsziffern 5 und 6.
• Normalerweise offen (NO): Funktionsziffern 7 und 8.

Weitere Startverfahren

• Direktstart eines Induktionsmotors
• Start mit Drehrichtungsumkehr
• Stern-Dreieck-Start

Betrieb von Drehstrommotoren an Einphasennetzen

Damit ein Drehstrommotor (3-phasig) an einem Einphasennetz betrieben werden kann, ist es entscheidend, dass der Motor vollen Zugang zu den Statorwicklungen hat (d. h. der Stator-Klemmenkasten muss sechs Anschlüsse aufweisen).

Diese Methode gilt sowohl für Käfigläufermotoren als auch für Schleifringläufermotoren.

Der grundlegende Aufbau ähnelt dem eines Einphasenmotors mit Kondensatorstart.

Nachteile des Betriebs an Einphasennetzen:

• Das Anlaufmoment ist um 40 % bis 50 % reduziert.
• Der Motor verliert etwa 25 % seiner Leistung.

Diese Methode wird daher hauptsächlich bei Kurzschlussläufermotoren mit geringer Leistung angewendet.

Mit dem entsprechenden Kondensator kann die Motorleistung im Einphasenbetrieb zwischen 80 % und 90 % des Nennwerts des Drehstrombetriebs erreichen. Für ein 220-V-Netz werden etwa 70 µF pro kW Nutzleistung des Motors benötigt (Standard UNE48501).

Der Kondensator muss für eine Spannung von etwa dem 1,25-fachen der Netzspannung ausgelegt sein, da Überspannungen, die typischerweise durch Resonanzphänomene entstehen, auftreten können.

Zur Veranschaulichung: Der Kondensator wird zwischen zwei Wicklungen des Drehstrommotors geschaltet.

Einfache Berechnung der Kapazität

Bei Leiterspannung Vl = 380 V (Drehstromnetz):

Kapazität C ≈ 20 µF * P (kW).

Bei Phasenspannung Vl = 220 V (Einphasennetz):

Kapazität C ≈ 70 µF * P (kW).

Leistungsumrechnung

• 1 hp (Horsepower) = 745,69 W
• 1 kW = 1,36 PS (Pferdestärke)
• 1 PS = 735,5 W

Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction)

Die Lasten sind in der Regel induktiv. Um den Leistungsfaktor (cos φ) zu korrigieren, werden Kondensatoren parallel zur Last geschaltet.