Verwendung von Sanftstarteinheiten zur Lösung von Problemen beim Einschalten von Motoren und bei der Cybersicherheit

Drehstrom-Asynchronmotoren, die über das Wechselstromnetz gespeist werden und eine Leistung von einigen zehn bis mehreren hundert PS haben, sind die treibende Kraft vieler gewerblicher und industrieller Anwendungen. Sie haben typischerweise Motorantriebsströme von etwa 10 Ampere (A) bis über 1000 A bei Netzspannungen von knapp über 200 Volt AC (V_AC) bis zu 700 V_AC. Das Problem besteht darin, dass sie beim Starten große Einschaltströme ziehen, die den Motor beschädigen und die Last beeinträchtigen können.

Eine Sanftstarteinheit (auch Sanftstarter, Sanftanlasser oder Softstarter genannt) zwischen dem Wechselstromnetz und dem Motor steuert diesen Einschaltstrom, indem sie die Anlaufbeschleunigung und das Drehmoment des Motors steuert und so die Motorleistung optimiert und unerwünschte Folgen minimiert. Fortschrittlichere Sanftstarteinheiten verfügen über ausgeklügelte Funktionen zur Leistungsmaximierung, bieten elektrischen und thermischen Schutz, verfügen über eine robuste Reihe von Anschlussmöglichkeiten und schützen vor Cyberangriffen.

In diesem Artikel werden die Funktionen einer Sanftstarteinheit beschrieben. Anschließend werden die Altivar-Softstarter ATS480 von Schneider Electric vorgestellt und gezeigt, wie sie eingesetzt werden können.

Funktion von Sanftstarteinheiten

Ein Sanftanlasser wird bei einem Motor eingesetzt, um den Einschaltstrom zu reduzieren und das Drehmoment während des Anlaufs für eine Übergangszeit zu steuern. Er erhöht allmählich die an den Motor angelegte Spannung, was zu einer sanften Beschleunigung mit minimalem Ruck führt (die Änderungsrate der Beschleunigung).

Anlasser bieten in der Regel die Möglichkeit, das Anfahrdrehmoment und die Beschleunigungszeit für verschiedene Anwendungen einzustellen. Sie können den Einschaltstrom zum Erreichen des Anfahrens erheblich reduzieren und den Strom während der Beschleunigung zurückhalten.

Neuere Sanftanlasser bieten zusätzliche Funktionen, die den Wirkungsgrad erhöhen, einen hohen Leistungsfaktor (PF) mit Hilfe der dynamischen PF-Korrektur aufrechterhalten, die elektrische Sicherheit verbessern, Netz- und Motoranomalien erkennen, Netzwerkanbindung bieten und Bedenken hinsichtlich der Cybersicherheit ausräumen.

Ein Beispiel für die Fähigkeiten und Merkmale moderner Sanftanlasser ist die Altivar-Softstarter-Serie ATS480 von Schneider Electric (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Altivar-Sanftanlasser der Serie ATS480 bieten zusätzlich zu ihrer Kernfunktion viele erweiterte Funktionen. (Bildquelle: Schneider Electric)

Diese Einheiten enthalten sechs Thyristoren und einen Algorithmus zur Drehmomentsteuerung, um die Beschleunigung, die Verzögerung und das Anhalten von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer bis zu 900 Kilowatt (kW) zu steuern. Die breite Palette an Modellen dieser Serie unterstützt Betriebsspannungen von 208 bis 690 Volt und Stromstärken von 17 bis 1200 A. Alle Einheiten erfüllen die weltweiten Normen, Zertifizierungen und behördlichen Auflagen, die Leistung, Sicherheit, Effizienz, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Verschmutzungsgrad sowie Stöße und Vibrationen festlegen.

Die ATS480-Einheiten verfügen über viele verschiedene Arten von Netz-, Anlasser- und Lastschutzvorrichtungen, einschließlich:

• Phasenausfall (Netz)
• Integrierter Übertemperaturschutz (Motor)
• Thermischer Schutz (Anlasser)
• Stromüberlastung (Motor)
• Unterlast (Motor)
• Überhöhte Anlaufzeit, blockierter Rotor (Motor)
• Motorphasenverlust (Motor)
• Phasenausfall der Netzversorgung (Netz, Motor)
• Wärmeschutz (Motor) über einen direkten Anschluss an einen Kaltleiter (PTC) oder einen 2- oder 3-Leiter-Widerstandsthermometer (PT100)

Es gibt viele Anschlussmöglichkeiten, um den unterschiedlichen Anforderungen der Zielanwendungen gerecht zu werden. Eine Grundkonfiguration zielt beispielsweise auf eine lokale Steuerung ab, bei der ein manueller Eingriff zum Neustart nach einem Fehler-Reset erforderlich ist, selbst im Falle einer Fernsteuerung (Abbildung 2). In diesem Fall drückt der Bediener die Taste S3 für einen Neustart.

Abbildung 2: Dargestellt ist eine von vielen Verdrahtungsoptionen für den Softstarter; der Benutzer muss nach einem Fehler-Reset manuell durch Drücken von S3 einen Neustart auslösen. (Bildquelle: Schneider Electric)

Die spezifischen Bezeichnungen der Komponenten sind in Tabelle 1 definiert.

Tabelle 1: Dargestellt sind die Bezeichnungen der Komponenten in Abbildung 2. (Bildquelle: Schneider Electric)

Die ATS480-Einheiten verfügen außerdem über diskrete elektromechanische Relaiskontakte, die als Schließer (NO) und Öffner (NC) für 2 A/250 V_AC ausgelegt sind, sowie über digitale Open-Collector-Ausgänge für 30 Volt. Diese Kontakte und Ausgänge vereinfachen die Implementierung zusätzlicher Funktionen, wie z. B. Anzeigelampen oder Zusatzgeräte.

Vernetzung und Cybersicherheit

Zusätzlich zu den fortschrittlichen Softstarter-Funktionen unterstützen alle ATS480-Einheiten eine breite Palette von Verbindungsmöglichkeiten. Jede ATS480-Einheit verfügt über zwei RJ45-Ports für Verbindungen zu Konfigurations- und Firmware-Updates und einem externen Klartext- oder Grafik-Display. Außerdem ist jede Einheit mit einem Steckplatz für ein zusätzliches Kommunikationsmodul ausgestattet, das die Formate Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen, PROFINET oder PROFIBUS DP unterstützt.

Diese Konnektivität bringt unweigerlich Sicherheitsbedenken mit sich. Um diese Probleme zu beheben, sind „bewährte Methoden“ für die Cybersicherheit in die Einheiten eingebettet, die vor vorsätzlicher Manipulation (Hacking) und gut gemeinten, aber unvorsichtigen Aktivitäten von Mitarbeitern oder Auftragnehmern schützen sollen. Diese Schutzmaßnahmen umfassen die Kontoverwaltung, einschließlich Benutzerauthentifizierung und -autorisierung, sowie mehrere Ebenen des Passwortschutzes. Es gibt auch bewusste Einschränkungen für verschiedene Ports, Funktionen und Quellen.

Die höhere Sicherheitsebene umfasst tiefgreifende, proaktive Schutzmaßnahmen zur Verwaltung von sicherheitsrelevanten Ereignissen, einschließlich detaillierter Zeit- und Benutzerprotokolle. Die Authentizität der installierten Firmware und aller Upgrades wird durch digital signierte Firmware und kryptografische Schlüssel verbessert. Dadurch wird sichergestellt, dass bei jedem Einschaltvorgang eine gültige Firmware verwendet wird.

Auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle wurde berücksichtigt

Viele Softstart-Installationen benötigen nicht nur umfangreiche Anschlussmöglichkeiten, sondern auch eine unmittelbare und direkte Erreichbarkeit durch den Bediener. Dieser Zugang beginnt mit einer grundlegenden RUN- und STOP-Auslösung über diskrete, gut sichtbare und deutlich beschriftete Schalter am oder in der Nähe des Motors oder der Anlage. Diese sind oft durch gesetzliche Sicherheitsstandards vorgeschrieben.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, können die ATS480-Einheiten mit zwei unabhängigen Lauf- und Stoppschaltern oder mit einem einzigen Lauf-/Stoppschalter verdrahtet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Softstarter kann so verdrahtet werden, dass er zwei unabhängige Stopp- und Lauftasten oder einen Schalter in einer Doppelfunktion verwendet. (Bildquelle: Schneider Electric)

Für die grundlegende Einrichtung, den Betrieb und die Abfrage kann das achtzeilige Klartextanzeigeterminal VW3A1113 verwendet werden (Abbildung 4). Mit dem verfügbaren RJ45-Stecker kann dieses Terminal angeschlossen und an der Vorderseite des Softstarters oder mit einem Fernmontagezubehör an einer Gehäusetür montiert werden.

Abbildung 4: Das Klartextanzeigeterminal VW3A1113 wird über den mitgelieferten RJ45-Stecker an den Softstarter angeschlossen und unterstützt grundlegende Setup-, Betriebs- und Abfragefunktionen. (Bildquelle: Schneider Electric)

Diese mehrsprachige Einheit (Englisch, Französisch, Spanisch, Italienisch, Deutsch und Chinesisch, weitere Sprachen sind per Download verfügbar) erfordert ein Passwort für die Anmeldung, um die Systemsicherheit zu gewährleisten. Einmal angeschlossen, kann es verwendet werden, um:

• den Softstarter zu steuern, einzustellen und zu konfigurieren
• aktuelle Motor-, Eingangs-/Ausgangs- und Maschinendaten anzuzeigen
• Konfigurationen zu speichern und herunterzuladen
• die Konfiguration eines eingeschalteten Softstarters zu kopieren und auf einen anderen, der ebenfalls eingeschaltet ist, zu übertragen

Für eine erweiterte Diagnose, Steuerung, Überwachung und Dateiverwaltung können der Device Type Manager (DTM) und die SoMove-Software von Schneider mit einer PC-basierten Grafikterminal-Anordnung verwendet werden.

Die Nennleistung diktiert Gehäusetyp und Formfaktor

Obwohl die Geräte der Altivar-Softstarterfamilie ATS480 die gleichen Funktionen, Möglichkeiten, Benutzeroberflächen und Anschlussmöglichkeiten bieten, unterscheiden sie sich in ihren Antriebsleistungen. Dies diktiert die Verwendung eines geeigneten Gehäuses und Formfaktors, was sich leicht erkennen lässt, wenn man sich die Mitglieder der Serie mit dem niedrigsten und dem höchsten Stromverbrauch ansieht.

Das ATS480D17Y (Abbildung 5, links) ist für die Versorgung und Steuerung von Drehstrommotoren mit einem Strom von 17 A aus einer Leitung von 208 bis 690 V_AC ausgelegt und arbeitet mit einer Steuerspannung von 110 bis 230 V_AC. Es ist 275 Millimeter (mm) hoch, 160 mm breit, 8 mm tief und wiegt knapp 5 Kilogramm (kg).

Abbildung 5: Die kleinste (links) und größte (rechts) Einheit der Altivar-Softstarterfamilie ATS480 sind funktional ähnlich, weisen aber eine große Spanne bei der Stromführung und den Gewichtsspezifikationen auf. (Bildquelle: Schneider Electric)

Im Gegensatz dazu ist das ATS480M12Y (Abbildung 5, rechts) für weitaus stärkere 1200 A aus einer 208 bis 690 V_AC-Leitung ausgelegt und arbeitet mit einer Steuerspannung von 110 bis 230 V_AC. Es bietet zwar nahezu identische Merkmale und Funktionen wie die 17A-Einheit, ist aber mit 890 mm Höhe, 770 mm Breite und 329 mm Tiefe bei einem Gewicht von 115 kg deutlich größer.

Fazit

Softstarter sind ein wichtiges Bindeglied zwischen dem Mehrphasen-Wechselstromnetz und mittleren bis größeren Drehstrommotoren, für die sie den Einschaltstrom steuern. Die Altivar-Softstarterfamilie ATS480 von Schneider Electric unterstützt Motoren von 17 A bis 1200 A mit umfassender Netzwerkanbindung und hoher Cybersicherheit. Außerdem bieten sie verschiedene Funktionen zur Verbesserung von Performance, Sicherheit und Zuverlässigkeit.