Kolbenkompressor: Stern-Dreieck-Anlauf trotz Entlastungsventil?
Ein Kolbenkompressor wird über einen Drehstrommotor angetrieben: P_N = 5,5 kW, 400/690 V, 50 Hz, cos φ = 0,85, η = 0,87, n_N = 1450 min⁻¹, Typenschildstrom 10,7 A. Der Motor startet in Stern-Dreieck-Schaltung mit 4 s Umschaltzeit gegen einen Behälterdruck von 8 bar; das Losbrechmoment des Kompressors beträgt dabei 45 N·m. Der Netzanschluss ist mit 35 A abgesichert, der Netzbetreiber verlangt einen Anlaufstrom von höchstens 60 A. Beim Kaltstart löst der Motorschutzschalter (Einstellung 10 A) nach etwa 10 s aus, der Motor erreicht vor der Umschaltung nicht seine Nenndrehzahl. Der Motor hat ein Anlaufmoment beim Direktstart vom 2,2-Fachen des Nennmoments und einen Anlaufstrom vom 6,5-Fachen des Nennstroms. Angeboten werden ein Sanftanlasser mit Strombegrenzung auf 3,5 · I_N für 1450 € und ein Entlastungsventil mit Steuerung für 380 €, das den Druckraum während des Anlaufs auf Atmosphäre entlastet; damit sinkt das Losbrechmoment auf 12 N·m.
1. Berechnen Sie Nennmoment, Anlaufmoment in Dreieck- und in Sternschaltung sowie den Anlaufstrom beim Direktstart und erklären Sie damit das Auslösen des Motorschutzschalters.
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Nennmoment: M_N = 9550 · P_N / n_N = 9550 · 5,5 / 1450 = 36,2 N·m.
Anlaufmoment Direktstart (Dreieck): M_A,D = 2,2 · M_N = 79,7 N·m. Anlaufmoment in Stern: Sternschaltung reduziert die Strangspannung auf 1/√3, das Moment sinkt mit dem Quadrat, also auf ein Drittel: M_A,Y = 79,7 / 3 = 26,6 N·m.
Vergleich mit der Last: Benötigt werden 45 N·m Losbrechmoment. 26,6 N·m < 45 N·m → der Motor kann den Kompressor in Stern nicht beschleunigen. Die Umschaltung nach 4 s erfolgt daher bei nahezu Stillstand; im Moment der Umschaltung wird praktisch der Direktstartstrom wirksam.
Anlaufstrom: I_A = 6,5 · I_N = 6,5 · 10,7 A = 69,6 A. Dieser Wert überschreitet die Vorgabe von 60 A und erklärt, warum ein Direktstart von vornherein ausscheidet.
Auslösung des Schutzschalters: Der Schalter ist auf 10 A eingestellt, also unterhalb des Typenschildstroms von 10,7 A. Bei ca. 6,5-fachem Einstellstrom löst ein Klasse-10-Schutzschalter nach etwa 4 bis 10 s aus – genau im beobachteten Zeitfenster. Die Auslösung ist damit nicht die Ursache, sondern die Folge des fehlenden Anlaufmoments; zusätzlich ist die Einstellung selbst fehlerhaft.
2. Prüfen Sie quantitativ, ob der angebotene Sanftanlasser mit Strombegrenzung auf 3,5 · I_N das Problem löst, und kontrollieren Sie dabei die Netzvorgabe von 60 A.
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Strom: I_Begrenzung = 3,5 · 10,7 A = 37,5 A. Die Vorgabe von 60 A wird eingehalten; auch die 35-A-Sicherung trägt 37,5 A für die Anlaufzeit von wenigen Sekunden (Zeit-Strom-Kennlinie gG), der Anlauf ist also netzseitig zulässig.
Momentenabschätzung: Bei Asynchronmotoren gilt im Anlauf näherungsweise M ~ U² und damit auch M ~ I². Das verfügbare Anlaufmoment sinkt gegenüber dem Direktstart im Verhältnis der Ströme zum Quadrat: M_A,Sanft ≈ 79,7 N·m · (37,5 / 69,6)² = 79,7 · 0,290 = 23,1 N·m.
Bewertung: 23,1 N·m < 45 N·m → der Sanftanlasser allein löst das Problem nicht. Die Strombegrenzung ist genau der Mechanismus, der das Moment quadratisch mitnimmt; eine höhere Begrenzung (z. B. 5 · I_N = 53,5 A, Moment ≈ 47 N·m) würde zwar knapp reichen, läge aber im Bereich der Netz-Vorgabe und würde bei 35-A-Absicherung und längerer Anlaufzeit kritisch.
Ergebnis: Der Sanftanlasser ist nur dann sinnvoll, wenn gleichzeitig das Lastmoment beim Anlauf gesenkt wird. Reine Elektrotechnik kann die Mechanik hier nicht ersetzen.
3. Sprechen Sie eine Empfehlung für den Betreiber und geben Sie die korrekte Einstellung des Motorschutzes sowie die Anlaufstrategie an.
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Empfehlung: Entlastungsventil (380 €) beschaffen und die Stern-Dreieck-Schaltung beibehalten.
Begründung:
- Mit Entlastung sinkt das Losbrechmoment auf 12 N·m; das Stern-Anlaufmoment von 26,6 N·m reicht dann mit Faktor 2,2 Reserve aus. Der Motor beschleunigt in Stern, die Umschaltung erfolgt bei annähernd Nenndrehzahl und damit ohne Stromspitze.
- Der Sternstrom von ca. 23 A liegt deutlich unter der Vorgabe von 60 A.
- Der Sanftanlasser für 1450 € löst das Kernproblem nicht und kostet fast das Vierfache.
Einstellungen und Auflagen: – Motorschutzschalter auf den Typenschildstrom 10,7 A einstellen (bisher 10 A – zu niedrig, aber kein Schutz gegen die eigentliche Ursache). – Umschaltzeit auf ca. 2 s verkürzen oder besser ein Stromrelais einsetzen, das erst bei Erreichen von ca. 80 % der Nenndrehzahl umschaltet; die feste Zeit von 4 s ist bei Entlastung zu lang. – Verriegelung vorsehen, die ein Anlaufen gegen Druck verhindert (Entlastungsventil erst schließen, wenn der Motor in Dreieck läuft). – Nur wenn der Prozess einen Anlauf unter Last zwingend verlangt, Sanftanlasser und Entlastung kombinieren; dann Strombegrenzung auf 3,5 · I_N, thermischer Motorchutz im Sanftanlasser und der Motorschutzschalter dürfen nicht gleichzeitig als Überlastschutz wirken (Selektivität festlegen).