Mit Widerstand

Eine Einschaltstrombegrenzung kann durch einen in Reihe zum Verbraucher geschalteten Widerstand erreicht werden. Ist dies ein ohmscher Widerstand, darf er nur beim Einschalten in der Stromleitung liegen und muss später im Normalbetrieb durch ein Relais, einen Thyristor oder einen Triac überbrückt werden. Solche Einschaltstrombegrenzer werden auch als „spannungsgesteuert“ bezeichnet, weil die Überbrückung kurz nach Einschalten der Spannung durch diese bewirkt wird.

Vorteil dieser Variante im Vergleich zur Einschaltstrombegrenzung mit Heißleitern ist, dass auch bei einem erneuten Einschalten kurz nach dem Ausschalten der Strom begrenzt wird. Allerdings kann sich der Widerstand sowohl bei häufigem Aus- und Einschalten in kurzer Folge als auch bei defekter oder ausbleibender Überbrückung überhitzen und schlimmstenfalls einen Brand verursachen. Deswegen sollten Maßnahmen dagegen getroffen werden, wie beispielsweise die Verwendung von schwer entflammbaren Widerständen, solchen mit eingebauter Sicherungswirkung (z. B. Schmelzdrahtwiderstand) oder einer separaten Sicherung im Widerstandskreis. Außerdem sind solche Einschaltstrombegrenzer während des Einschaltens nicht kurzschlussfest.

Eine recht seltene Art der Widerstandsüberbrückung sind Einschalter mit einem pneumatisch oder hydraulisch verzögerten zweiten Schaltweg. Der zweite, verzögert schließende Schalter überbrückt im Betrieb den der Einschaltstrombegrenzung dienenden Widerstand. Diese Schalter funktionieren nur, wenn sie selbst ausgeschaltet werden, nicht jedoch, wenn das Gerät anderweitig vom Netz getrennt und wieder zugeschaltet wird. Dieses Prinzip findet man an größeren Winkelschleifern, die den Überbrückungskontakt für den Anlaufwiderstand mit einer hochviskosen Öl-/Fettfüllung verzögern.

Mit Heißleiter (NTC)

Bei Netzteilen wird als Einschaltstrombegrenzer meist ein Heißleiter (NTC-Widerstand) verwendet, der in Serie zum Verbraucher geschaltet wird, jedoch nicht unbedingt überbrückt zu werden braucht. Er begrenzt wegen seines hohen Widerstands im kalten Zustand den Strom nach dem Einschalten. Später erwärmt er sich durch den Stromfluss, verringert seinen Widerstand und verursacht dann nur noch geringe Verluste, um seine Eigentemperatur aufrechtzuerhalten.

Nach dem Ausschalten des Geräts muss eine gewisse Zeit (oft mehrere Minuten) gewartet werden, bis der Heißleiter wieder abgekühlt ist, ansonsten wird beim erneuten Einschalten der Strom nicht mehr ausreichend begrenzt. Diese Zeit kann man erheblich verkürzen, wenn man wenige Millisekunden nach dem Einschalten den NTC mit einem Relais überbrückt, wie im Bild gezeigt wird.

Overhead-Projektoren werden oft mehrmals täglich ein- und ausgeschaltet, was den strombegrenzenden NTC stark belastet, so dass er oft schon nach relativ kurzer Zeit ausfällt. Man kann die Zeit bis zum Ausfall des Geräts verlängern, indem man zwei parallelgeschaltete NTCs vorsieht, weil so beim Ausfall eines NTC der zweite seine Funktion übernimmt.

NTC-Einschaltstrombegrenzer sind in der Regel im Gerät eingebaut, da der NTC-Typ auf die Last abgestimmt sein muss. Sie können seltener aber auch ein eigenes Gehäuse in Form eines Zwischensteckers haben.

Zur Einschaltstrombegrenzung vorgesehene Heißleiter bzw. NTC-Widerstände sind durch ihren maximalen Betriebsstrom (Nennstrom), den Kaltwiderstand und die Einschaltcharakteristik des angeschlossenen Verbrauchers spezifiziert. Hierzu wird vom Hersteller neben dem Nennstrom und dem Kaltwiderstand das maximale Stromintegral I²·t oder der maximal zulässige Wert des nachfolgenden Lade- bzw. Siebkondensators angegeben. Der Kaltwiderstand (meist als R₂₅ für 25 °C angegeben) bestimmt den maximalen Einschaltstrom, wenn das Bauteil abgekühlt ist. Typische Widerstandswerte sind 5…25 Ohm, so dass Leitungsschutzschalter gerade noch nicht ansprechen.

Mit Halbleiter

Mit Phasenanschnitt

Zur Einschaltstrombegrenzung induktiver Verbraucher (u. a. Transformatoren, Motoren von Winkelschleifern und Staubsaugern) werden oft phasenanschnittgesteuerte Thyristoren oder Triac benutzt. Diese Baugruppen steuern den Stromflusswinkel allmählich in Form einer Rampe auf den vollen Wert. Oft können sie gleichzeitig als Leistungssteller dienen.

Eine Variante zum Begrenzen der Einschaltströme von Transformatoren sind elektronische Einschaltstrombegrenzer oder Trafoschaltrelais. Bei ihnen werden die Thyristoren nach dem Einschalten mit einem Relaiskontakt überbrückt. Solche Vorschaltgeräte erwärmen sich nicht und vermeiden den Einschaltstrom auch bei wiederholtem Einschalten und beherrschen auch Ausfälle nur einer Netz-Halbwelle, welche sonst bei Netzwiederkehr den angeschlossenen Transformator stark in die Sättigung treiben würden.

Grundsätzlich wird zwischen Zweiphasen- und Dreiphasen-Sanftanlaufgeräten für Motoren unterschieden. Die Zweiphasen-Sanftanlaufgeräte sind in der Anschaffung günstiger als die Dreiphasen-Sanftanlaufgeräte, haben jedoch den Nachteil, dass sie durch die beiden geschalteten Phasen Spannungsunsymmetrien erzeugen und damit die Gleichspannungskomponenten im Läufer elliptische Drehfelder verursachen. Dieses äußert sich durch einen „unrunden“ Anlauf, der deutlich hörbar ist. Auch für die Lager und Getriebe ist dieses Startverfahren nicht vorteilhaft. Einige Hersteller dieser Zweiphasen-Sanftanlaufgeräte versuchen mit speziellen Ansteuerungsfahren diese Nachteile zu kompensieren. Die bessere Technik ist jedoch das dreiphasige Schalten. Zusätzlich wird bei den Dreiphasen-Sanftanlaufgeräten zwischen der IN-LINE-Schaltung und der IN-DELTA-Schaltung unterschieden. IN-LINE heißt, dass der Sanftanlauf zwischen Motorschutzschalter und Motor schaltet. Dabei muss der Sanftanlauf auf den Leiterstrom ausgelegt werden, wofür 3 Leiter + PE benötigt werden. IN-DELTA heißt, dass der Sanftanlauf in die drei Wicklungsstränge des Motors geschaltet wird. Dabei sind 6 Leiter + PE vom Motor zum Schaltschrank erforderlich. Der Vorteil der DELTA-Schaltung ist jedoch der um dem Faktor Wurzel 3 geringere Strangstrom (Strangstrom = 58 % Leiterstrom), was in kleineren Baugrößen der Sanftanlaufgeräte und geringerer Verlustleistung resultiert.

Sanftanlaufschaltungen

Asynchronmotoren werden oft durch Stern-Dreieck-Schaltungen oder mit Frequenzumrichtern gestartet. Für den Sanftanlauf verwendet man die KUSA-Schaltung und die unten beschriebenen Sanftanlaufgeräte. Bei großen Leistungen kommen Schleifringläufermotoren, zum Beispiel historisch mit Flüssigkeitsanlasser zum Einsatz oder Korndörfer-Schaltungen mit Spartransformator.

Staubsauger besitzen oft eine Sanftanlaufschaltung in Form eines Triacstellers mit „soft start“-Verhalten. Dieser kann mit oder ohne einstellbare Leistung ausgeführt sein – oft wird die gleiche Baugruppe verwendet, auch wenn am Gerät kein Leistungsregler vorhanden ist.

Sanftanlauf wird bei Handgeräten oft mit einem „Gasgriff“ (einem im Griffschalter untergebrachten Triacsteller) oder durch eine ebenfalls mit Triac arbeitende Sanftanlaufschaltung ohne Leistungsstellung erreicht.

Sanftanlaufgeräte

Für große Asynchronmotoren gibt es elektronische Sanftanlaufgeräte. Ein solches Sanftanlaufgerät reduziert beim Einschalten mittels Phasenanschnitt die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Jedoch geht bei Asynchronmotoren bei kleinerer Spannung das Drehmoment des Motors quadratisch zurück, auch ist das Drehmoment bei sehr niedriger Drehzahl gering. Deshalb ist ein derartiger Sanftanlauf nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Beim Erreichen der vollen Spannung wird bei manchen Sanftanlaufgeräten die Elektronik mittels Relais bzw. Schütz überbrückt, um die Verlustleistung zu verringern. Sanftanlaufgeräte werden beispielsweise für große Ventilatoren und Maschinen in der Industrie verwendet. Hier ist auch ein Anlaufen mit Nennlast möglich.

Manche Sanftanlaufgeräte haben auch eine Funktion für die langsame Verringerung der Motorspannung beim Ausschalten (Sanftauslauf) oder sind mit elektronischen Bremsgeräten kombiniert, um den Motor rasch zum Stillstand zu bringen. Auch sind Geräte auf dem Markt erhältlich, die während der Auslaufphase des Motors ein Bremsmoment erzeugen können – die Auslaufzeit der Last wird so deutlich verringert (z. B. beim Abbremsen großer Ventilatoren).

Häufig werden Sanftanlaufgeräte auch mit Überlastrelaisfunktion angeboten.

Sanftanlaufgeräte ersetzen oft die früher weit verbreiteten Stern-Dreieck-Schalter, bei denen die Motorspannung in zwei Stufen erhöht wird.

Frequenzumrichter

Eine andere Methode, bei Asynchronmotoren einen Sanftanlauf zu erreichen, ist die Verwendung eines Frequenzumrichters, mit dem die Drehzahl mit einer programmierbaren Rampenfunktion langsam auf den vollen Wert gesteigert werden kann. Im Gegensatz zur Reduktion der Spannung mit einem Sanftanlaufgerät hat der Motor bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter schon bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Daher kann die Drehzahl ggf. auch sehr langsam gesteigert werden, z. B. um große Trägheitsmomente zu bewältigen. Das Drehmoment darf dabei kurzzeitig auch höhere Werte haben als bei Nennbetrieb, so dass auch Anlauf unter Volllast möglich ist. Das ist wichtig beim Start u. a. von Kompressoren, wenn diese gegen noch vorhandenen Druck anlaufen müssen.

Ein weiterer Vorteil von Frequenzumrichtern ist die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors im Betrieb variieren zu können und auch beim Ausschalten je nach Anforderungen die Drehzahl langsam zu senken bzw. den Motor gesteuert abzubremsen.

Außerdem sind moderne Frequenzumrichter oft mit einer Leistungsfaktorkorrektur ausgestattet; im Gegensatz zu Phasenanschnittsteuerungen entstehen dann kaum Oberwellen im Stromnetz.

Elektronische Frequenzumrichter sind wesentlich aufwändiger und daher teurer als Sanftanlaufgeräte mit Phasenanschnittschaltung, werden wegen ihrer Vorteile aber zunehmend eingesetzt.