Von Dieter Käßer

Funktionsdiagramm des Softstarters: Durch die dreiphasige Messung von Strom und Spannung wird die vom Motor aufgenommene Leistung ermittelt. Die Differenz aus aufgenommener Leistung und Verlustleistung ergibt die Wirkleistung des Motors. Diese wird in das Motor-Drehmoment umgerechnet und mit dem idealen Motor-Drehmoment aus der Motorkennlinie verglichen.

Um die auch bei dieser Anlassmethode unvermeidlichen Druckstöße zu beherrschen, gibt es verschiedene mechanische Lösungen im Strömungssystem. Zum Beispiel können hydraulische Ventile oder Druckbehälter diesem Effekt entgegenwirken. Allerdings sind diese Lösungen meist recht kostspielig und mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden. Zusätzlich benötigen sie wie im Falle der Druckbehälter relativ viel Platz.

Gravierender als die Druckstöße beim Anlassen einer Pumpe sind jedoch die Auswirkungen einer unerwarteten Abschaltung des Pumpenantriebes. Die in diesen Fällen auftretende, plötzliche Veränderung im Wasserfluss führt zu Druckwellen und Schlägen in Ventilen und Rohren. In einem Versorgungssystem können solche Druckschläge zu einer drastischen Reduzierung der Lebensdauer von Rohren, Ventilen und Dichtungen sowie unerwünschten Unterbrechungen und höheren Wartungskosten führen. Gerade in diesem Punkt bietet der alternative Einsatz von Sanft-Anlassern aufgrund der in diesen Geräten vorhandenen Sanft-Auslauffunktion klare Vorteile gegenüber den vorgenannten Methoden.

Über diese Thyristoren wird die Motorspannung während des Anlassens und des Herunterfahrens des Motors elektronisch geregelt. Zu Beginn des Anlassvorgangs ist die Spannung am Motor so gering, dass dadurch nur das Spiel zwischen den Zahnrädern geregelt beziehungsweise die Antriebsriemen oder -ketten gestrafft werden können. Unnötige ruckartige Bewegungen beim Anlaufen treten somit nicht auf. Allmählich wird die Spannung und das Drehmoment erhöht, so dass die Maschine zu beschleunigen beginnt. Einer der Vorteile dieser Anlassmethode ist die Möglichkeit, das Drehmoment entsprechend des genauen Bedarfs zu regeln; und dies unabhängig davon, ob die Anwendung belastet ist oder nicht.

Die Systemdynamik berücksichtigen

Herkömmliche Sanft-Anlasser erhöhen die Motorspannung in der Anlaufphase linear (das heißt, der Anlaufstrom ist niedrig) beziehungsweise senken diesen linear in der Auslaufphase. Für die meisten Anwendungen reicht dies als Grundlage für eine gute Beschleunigung und ein gutes Auslaufen des Motors. Die Intensität der Schläge lässt sich damit zwar verringern, jedoch nicht vollständig vermeiden. Um Druckschläge vollständig zu eliminieren, gilt es, das bisherige Design mit linearen Spannungsrampen zum Anlassen des Motors zu verbessern.

Beispielschaltung einer Pumpensteuerung: Per animierter Powerpoint-Datei lässt sich das Start-/ Stopp-Verhalten von Pumpen mit unterschiedlichen Start-/ Stopp-Methoden (DOL, Sanft-Anlasser mit Spannungsregelung, Sanft-Anlasser mit Drehmomentregelung) simulieren.

Während sich – wie bereits angedeutet – Druckschläge in der Anlaufphase durch konstruktive Maßnahmen (Position und Anzahl der Rückschlagventile, Führung der Rohrleitungen, Einbau von Ausgleichsbehältern) weitgehend vermeiden lassen, sieht die Situation in der Auslaufphase etwas anders aus. In einem komplexen Wasserversorgungssystem beispielsweise, mit vielen Ventilen und entsprechenden Motoren, hängt die Auswirkung beim Schließen eines der Ventile von der momentanen Konfiguration des Systems ab. So kann die Dynamik des Systems von einem An- und Auslaufvorgang zum anderen unterschiedlich ausfallen, da der Wasserfluss beziehungsweise die Anzahl der laufenden Pumpen im System variiert. Auch wenn sich in einem Fall die Druckschläge durch Veränderung der Parameter-Einstellungen der Sanft-Anlasser verhindern lassen, so heißt dies nicht, dass dies auch für andere Systemparameter zutrifft.

Um also für die unterschiedlichen Konfigurationen im Auslaufvorgang Druckschläge zuverlässig vermeiden zu können, ist es notwendig, die Dynamik des Wassersystems bei der Regelung der Motorspannung zu berücksichtigen. Der kritischste Parameter im Auslaufvorgang ist die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit. Dies und die tatsächliche Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpen beeinflussen die Anforderungen beim Herunterregeln der einzelnen Pumpen. Um die Druckschläge zu verhindern, ist hierbei ist für jede Pumpe separat das Motordrehmoment und somit der Wasserfluss in der Pumpe während der Auslaufphase zu reduzieren.

Über die Spannung ist es möglich, das Drehmoment, welches wiederum die Motordrehzahl und somit den Wasserfluss bestimmt, zeitabhängig optimal zu regeln. Mit Hilfe von Messungen aller drei Phasenspannungen und Ströme und einem speziellen Drehmoment-Regelungsalgorithmus lässt sich die Verzögerung des Wassers in den Leitungen so regeln, dass Druckschläge beim Auslaufen der Pumpen sicher zu verhindern sind.

Regelung in Echtzeit

Konkret wird hierzu das in der Anlaufund Auslaufphase ermittelte Drehmoment mit einer idealen Drehmomentkurve verglichen. Ist das Drehmoment zu gering, wird die Motorspannung erhöht. Auf die gleiche Weise erfolgt ein Absenken der Spannung, wenn das gemessene Drehmoment zu hoch ist. Während der Anlaufund Auslaufphase erfolgen sowohl die Messungen als auch die Regelung in Echtzeit und zwar schnell und präzise genug, um eine Regelung der Drehzahl aller möglichen Pumpen und Motoren in sämtlichen Rohrkonfigurationen zu gewährleisten.

Je mehr Messungen dem Sanft-Anlasser dabei zur Verfügung stehen, desto besser lässt sich der Wasserfluss regeln. Die Anzahl der Messungen hängt von der Geschwindigkeit der eingesetzten A/D-Wandler ab, die Genauigkeit der ermittelten Werte von der Auflösung der A/D-Wandler.

Eine zusätzliche Anforderung an den beschriebenen Regelkreis lautet, dass dieselbe Lösung für alle Arten von Pumpen und Rohrkonfigurationen sowie sämtliche Motoren mit Leistungen zwischen 15 und 1000 kW funktionieren muss, und dabei keine weitere Feinabstimmung der Sanft-Anlasser-Einstellungen erforderlich ist. Im Fall der Sanft-Anlasser von ABB heißt das: Die elektronische Steuerung ist für alle Baugrößen und Stromstärken identisch, sprich alle Geräte der Baureihe PST/PSTB basieren auf der gleichen Prozessorkarte mit dem gleichen Messverfahren für die Ströme und Spannungen. Und über die vorgenommenen Einstellungen und Konfigurationen „weiß“ der Sanft-Anlasser automatisch, in welchem Strombereich er arbeitet.

Autor

Dieter Käßer ist tätig im Produktmarketing von ABB Stotz Kontakt, Heidelberg.