Stern-Dreieck-Schalter richtig einsetzen: Grenzwerte nach VDE-AR-N 4100, Schützdimensionierung, Umschaltzeitpunkt und Vergleich mit Sanftanlasser und
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Ab wann ist ein Netzbetreiber-Nachweis nötig? Die Grenze nach VDE-AR-N 4100
Ob ein Drehstrom-Asynchronmotor überhaupt direkt eingeschaltet werden darf, entscheidet nicht der Konstrukteur allein, sondern die Technischen Anschlussregeln Niederspannung. Die VDE-AR-N 4100 definiert als nationale Anwendungsregel den Standard für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsnetz und damit auch die Rahmenbedingungen für Motoranläufe[1]. Danach gilt die Begrenzung im öffentlichen Netz allgemein als erfüllt, wenn ein gelegentlich anlaufender Drehstrommotor eine Anlaufscheinleistung von weniger als 5,2 kVA hat oder bei höheren Scheinleistungen der Anlaufstrom 60 A nicht überschreitet[2]. Bei einer Netzspannung von 400 V und achtfachem Anlaufstrom entspricht das einem Bemessungsstrom von 7,5 A und einer Wellenleistung von 4 kW; bei Motoren mit höheren Anlaufströmen sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, und Motoren über 4 kW mit der Spannungsangabe 400/690 V werden typischerweise über einen Stern-Dreieck-Anlauf eingeschaltet[2]. Ab dieser Größenordnung ist der stromreduzierte Anlauf also kein Kompromiss, sondern die netzseitig geforderte Lösung.
- Netzbetreiber-Nachweis bzw. Anlaufvorrichtung erforderlich, wenn die Anlaufscheinleistung über ca. 5,2 kVA liegt oder der Anlaufstrom 60 A überschreitet
- In der Praxis relevant ab Motoren von etwa 4 kW, da der Direktanlaufstrom beim Käfigläufer ein Vielfaches des Nennstroms erreicht
- Motor muss alle sechs Wicklungsenden einzeln herausführen: U1, V1, W1, U2, V2, W2; die Brücken im Klemmenkasten werden entfernt
- Typenschild muss eine Doppelspannungsangabe wie 400/690 V (Δ400/Y690) aufweisen, damit jede Wicklung im Dreieckbetrieb die verkettete Spannung von 400 V trägt
Aufbau der Schaltung: Netzschütz, Sternschütz, Dreieckschütz und Zeitrelais
Die automatische Stern-Dreieck-Schaltung besteht aus vier Komponenten, deren Zusammenspiel den gesamten Anlaufvorgang bestimmt. Beim Start ziehen Netzschütz und Sternschütz an: Die Wicklungsanfänge U1, V1, W1 liegen am Netz, das Sternschütz kurzschließt die Wicklungsenden U2, V2, W2 zum Sternpunkt. Nach Ablauf der eingestellten Hochlaufzeit fällt das Sternschütz ab, das Dreieckschütz verschaltet die Wicklungen mit U1 an W2, V1 an U2 und W1 an V2, und der Motor läuft mit voller Leistung im Dreieck weiter.
- Netzschütz (K1): schaltet die Netzspannung auf die Motorwicklungen und führt den Gesamtstrom in beiden Betriebsphasen
- Sternschütz (K3): bildet während des Hochlaufs den Sternpunkt und führt nur den reduzierten Strangstrom
- Dreieckschütz (K2): verschaltet die Wicklungen für den Dauerbetrieb im Dreieck und trägt den vollen Motornennstrom
- Zeitrelais: steuert die automatische Umschaltung nach der Hochlaufzeit und gibt die Umschaltpause vor
Sechs Klemmen am Motor: Warum ein 400/690-V-Typenschild nötig ist
Die Motorvoraussetzung ist der häufigste Stolperstein bei der Projektauslegung. Ein Motor mit der Angabe 230/400 V ist am 400-V-Netz für den Stern-Dreieck-Anlauf ungeeignet: Im Dreieckbetrieb läge an jeder Wicklung die doppelte Nennspannung an, was zu Überstrom, Überhitzung und der Zerstörung der Wicklungen führt. Die Grundregel für die richtige Zuordnung von Netzspannung und Schaltung haben wir im Ratgeber Motor Stern oder Dreieck ausführlich aufbereitet. Für den Stern-Dreieck-Anlauf an einem 400-V-Netz ist daher ausschließlich ein Typenschild mit 400/690 V die korrekte Voraussetzung.
Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz: Schutz vor Kurzschluss
Sicherheitskritisch ist die Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz. Ziehen beide Schütze gleichzeitig an, entsteht ein Kurzschluss. Bei der Schützschaltung werden die beiden Schütze daher elektrisch gegeneinander verriegelt; beim handbetätigten Stern-Dreieck-Schalter ist die Verriegelung mechanisch gegeben[3]. Praktisch geschieht das über die Öffnerkontakte der beiden Schütze, die den Steuerstromkreis des jeweils anderen unterbrechen[4]. Diese Absicherung ist keine Formalie, sondern schützt Schütze, Motor und vorgeschaltete Schutzeinrichtungen vor dem folgenschwersten Fehler dieser Schaltung.
Schützdimensionierung: Warum das Sternschütz kleiner ausgelegt werden darf
Die drei Schütze werden nicht gleich bemessen, denn sie führen unterschiedliche Ströme. In der Sternschaltung liegt an jeder Wicklung nur die um den Faktor √3 kleinere Strangspannung, entsprechend sinkt der Strom[5]: Gerechnet wird mit 0,58 · Motornennstrom, bei einem Motor mit 10 A Nennstrom also mit rund 5,8 A. Sitzt das thermische Überstromrelais hinter dem Netzschütz in der Motorleitung, also in Reihe mit der Wicklung, wird es genau auf diesen Strangstromwert (0,58 · In) eingestellt und schaltet auch in der Anlaufstufe mit[4]. Liegt es dagegen vor dem Netzschütz in der Zuleitung, ist der Auslösestrom auf den Motornennstrom einzustellen, dann ist der Motor jedoch nur im Dreieckbetrieb ausreichend geschützt[4]. Das Sternschütz darf am kleinsten ausfallen, weil es nur während der kurzen Sternphase aktiv ist und dabei den ohnehin reduzierten Strom führt.
| Bauteil | Bemessung (Normanlauf) | Begründung |
|---|---|---|
| Netzschütz | für den Betriebsstrom des Motors in beiden Anlaufstufen | führt den Strom in Stern- und Dreieckbetrieb dauerhaft |
| Sternschütz | kleiner als Netz- und Dreieckschütz | nur während der Sternphase aktiv, Strangstrom um den Faktor 1/√3 reduziert |
| Dreieckschütz | für den Strangstrom der in Dreieck geschalteten Wicklung | führt im Dauerbetrieb den Wicklungsstrom, nicht den Leitungsstrom |
| Überlastrelais (in der Motorleitung) | Einstellwert 0,58 · Motornennstrom | liegt in Reihe mit der Wicklung und misst den Strangstrom |
Zeitrelais richtig einstellen: Umschaltzeitpunkt und Umschaltpause
Der Umschaltzeitpunkt entscheidet über die Qualität des gesamten Anlaufs. Das Umschalten von Stern auf Dreieck darf erst nach dem Hochlauf des Motors auf 75 bis 80 % seiner Nenndrehzahl erfolgen, in der Praxis sind das je nach Schwungmasse einige Sekunden. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein starker Stromstoß, sodass die Überstromschutzeinrichtungen trotz des stromreduzierten Anlaufs ansprechen können[3]. Stehen beim Umschalten Netzphasen und Motorfeld in Opposition, führen die Ausgleichsvorgänge zu einer hohen Umschaltstromspitze, die je nach Beschaltung der Außenleiter zu den Wicklungen bis zum Zweifachen des Stromes bei Dreieck-Direkteinschaltung betragen kann[3]. Wie sich solche Umschaltstromspitzen vermeiden lassen, haben wir in einem eigenen Beitrag beschrieben.
Zwingend erforderlich ist außerdem eine Umschaltpause zwischen dem Abfallen des Sternschützes und dem Anziehen des Dreieckschützes. Empfohlen werden mindestens 50 ms[3], im Steuerstromkreis liegen die Umschaltpausen typischerweise im Bereich von 30 bis 100 ms[5]. In dieser Pause muss der ungelöschte Lichtbogen des Sternschützes zusammenbrechen, bevor das Dreieckschütz zuschaltet; sonst drohen verstärkter Kontaktabbrand, Verschweißen der Kontakte und hohe dynamische Belastungen von Motor und Maschine[3]. Die Pause muss kurz genug bleiben, um keinen nennenswerten Drehzahlabfall zuzulassen, und lang genug sein, damit das Restmagnetfeld ausreichend abklingt.
Stern-Dreieck-Schalter, Sanftanlasser oder Frequenzumrichter im Vergleich
Welches Anlaufverfahren das richtige ist, entscheidet die Anwendung: erforderliches Anlaufmoment, Lastverlauf, Platz im Schaltschrank und die Frage, ob neben dem Anlauf auch eine Drehzahlregelung benötigt wird. Die drei Verfahren lassen sich klar abgrenzen.
Einzuordnen ist das Verfahren über seine Leistungsphysik: Die Leistungsaufnahme des Motors beträgt beim Anlaufen in Sternschaltung ein Drittel der Leistung in Dreieckschaltung, der Einschaltstrom wird gegenüber der Dreieck-Direkteinschaltung entsprechend auf ein Drittel reduziert[3]. Aufgrund des nur ein Drittel betragenden Anzugsmoments kann die Stern-Dreieck-Umschaltung nur bei leichten Anlaufbedingungen erfolgen, etwa bei lastfreier Schwungmasse, Lüftern oder Pumpen[3]. Benötigt die Arbeitsmaschine kein erhöhtes Anfahrmoment, vermeidet der reduzierte Anlauf den harten Anfahrruck und entlastet den Antrieb, was sich besonders bei häufigen Startvorgängen auszahlt.
| Kriterium | Stern-Dreieck-Schalter | Sanftanlasser | Frequenzumrichter |
|---|---|---|---|
| Anlaufstrom | stufenförmig auf ein Drittel des Stromes bei Dreieck-Direkteinschaltung reduziert | beim Start reduzierte Spannung, stufenweise Erhöhung bis zur vollen Betriebsspannung | reduzierte Stromaufnahme bei dennoch hohem Anlaufmoment |
| Umschaltstromspitzen | möglich, je nach Beschaltung bis zum Zweifachen des Direktanlaufstroms | keine, da kein Umschalten zwischen Schützen | keine |
| Drehzahlregelung | keine | keine, der Sanftanlasser steuert nur Anlauf und Stopp | stufenlos über den gesamten Stellbereich |
| Geeignete Last | nur Schwachlastanlauf, z. B. Pumpen und Lüfter | an wechselnde Lastverhältnisse anpassbar | auch dynamische und lastkritische Anwendungen |
| Aufwand | geringste Anschaffungs- und Installationskosten | mittlerer Aufwand, keine geschirmte Motorleitung nötig | höhere Kosten, geschirmte Motorleitungen und Funkentstörung erforderlich |
Der Stern-Dreieck-Schalter bleibt die kostengünstigste und robusteste Lösung für Standardaufgaben, begrenzt Anlaufstrom und Anlaufmoment jedoch stufenförmig auf ein Drittel und ist daher für Schweranlauf ungeeignet. Der Sanftanlasser senkt die Spannung beim Start und erhöht sie stufenweise bis zur vollen Betriebsspannung; das verringert die mechanischen Belastungen von Getriebe und Wellen und lässt sich über einstellbare Anlauf- und Stoppzeiten an die Anwendung anpassen, eine Drehzahlregelung im Betrieb bietet er aber nicht[6]. Der Frequenzumrichter ist die flexibelste Variante: Mit ihm ist im Gegensatz zur YΔ-Umschaltung eine reduzierte Stromaufnahme bei dennoch hohem Anlaufmoment realisierbar[3], und er regelt die Drehzahl während des gesamten Betriebs stufenlos, erfordert dafiür aber höhere Anschaffungs- und Installationskosten. Eine detaillierte Gegenüberstellung beider elektronischen Verfahren finden Sie in unserem Vergleich von Softstarter vs. Frequenzumrichter.
Mit steigenden Anforderungen an Dynamik, Drehzahlkonstanz und Prozessanpassung lohnt der Blick über die einzelne Komponente hinaus: Anlaufstrom, Getriebeauslegung und Steuerung beeinflussen sich gegenseitig. ATEK Drive Solutions integriert deshalb Motoren und Controller zu vernetzbaren, präzise abgestimmten Antriebssystemen und liefert damit den kompletten Antriebsstrang aus einer Hand, projektfertig auf Ihre Anwendung abgestimmt.
Häufig gestellte Fragen
Ab welcher Leistung schreibt der Netzbetreiber eine Anlaufvorrichtung vor?
Nach den Technischen Anschlussregeln Niederspannung (VDE-AR-N 4100) ist Direkteinschalten bis zu einer Anlaufscheinleistung von ca. 5,2 kVA zulässig. Darüber muss der Anlaufstrom auf max. 60 A begrenzt werden, was bei Normmotoren in der Praxis etwa ab 4 kW relevant wird. Der Stern-Dreieck-Schalter ist hier die kostengünstigste Anlaufvorrichtung.
Warum muss der Motor ein 400/690-V-Typenschild haben?
Im Dreieckbetrieb liegt an jeder Wicklung die verkettete Spannung von 400 V. Nur Motoren mit der Typenschildangabe 400/690 V (Dreieck 400 V, Stern 690 V) tragen diese Spannung dauerhaft. Zudem müssen alle sechs Klemmen U1, V1, W1, U2, V2 und W2 einzeln in den Klemmkasten geführt sein. Motoren mit 230/400-V-Typenschild sind am 400-V-Netz für den Stern-Dreieck-Anlauf ungeeignet.
Darf das Sternschütz kleiner dimensioniert werden als das Dreieckschütz?
Ja. Das Sternschütz führt nur den um den Faktor 1/√3 reduzierten Strangstrom und ist nur während der kurzen Sternphase aktiv, es darf daher kleiner ausgelegt werden. Netz- und Dreieckschütz werden dagegen auf den Strangstrom im Dauerbetrieb bezogen, also auf rund 58 % des Motornennstroms; auf denselben Wert wird auch das Überlastrelais eingestellt, wenn es im Strang sitzt.
Wann muss das Zeitrelais von Stern auf Dreieck umschalten?
Die Umschaltung soll erst erfolgen, wenn der Motor ca. 75-80 % seiner Nenndrehzahl erreicht hat, typischerweise nach 5-10 Sekunden. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein Stromstoß, der fast so groß wie beim Direktanlauf ist und je nach Phasenlage von Restfeld und Netzspannung sogar bis zum Doppelten betragen kann.
Warum ist eine Umschaltpause zwischen Stern- und Dreieckschütz nötig?
Die Pause von mindestens 50 ms, typisch 50-100 ms, lässt den Lichtbogen des Sternschützes zusammenbrechen, bevor das Dreieckschütz zuschaltet. Ohne Pause drohen Kontaktabbrand, verschweißte Kontakte und hohe dynamische Belastungen von Motor und Maschine. Zusätzlich müssen beide Schütze elektrisch und mechanisch verriegelt sein, da gleichzeitiges Schließen einen Kurzschluss verursacht.
Wann ist ein Sanftanlasser die bessere Wahl als der Stern-Dreieck-Schalter?
Sobald das Anlaufmoment auf ein Drittel nicht ausreicht oder ein stufenlos sanfter Anlauf gefordert ist. Sanftanlasser regeln die Motorspannung stufenlos, vermeiden Umschaltstromspitzen und mechanische Stöße und passen sich an wechselnde Lastverhältnisse an. Sie bieten allerdings keine Drehzahlregelung im Betrieb.
Was spricht für einen Frequenzumrichter statt eines Stern-Dreieck-Schalters?
Der Frequenzumrichter ist die flexibelste Lösung: Er ermöglicht stufenlose Drehzahlregelung über den gesamten Stellbereich und reduzierte Stromaufnahme bei dennoch hohem Anlaufmoment. Nachteil sind höhere Anschaffungs- und Installationskosten, etwa für geschirmte Motorleitungen und Funkentstörfilter. Wenn nur der Anlaufstrom begrenzt werden soll und die Drehzahl konstant bleibt, ist der Stern-Dreieck-Schalter die wirtschaftlichere Lösung.
