Stern und Dreieck, Strom- und Spannungsangaben bei Elektromotoren

An meinem alten Kompressormotor findet sich ein Typenschild mit der folgenden Spannungsangabe: 220/380V
Angaben auf anderen Motoren sind z.B. 230/400V und 400/690V. Außerdem sind bei der Stromstärke 9,3/5,4A vermerkt.

Was bedeuten diese Angaben?

Dazu muss man wissen dass sich ein Dreiphasenwechselstrom-Motor grundlegend auf zwei Arten beschalten lässt: Sternschaltung und Dreieckschaltung.

Für nähere Informationen siehe z.B. "Fachstufe Elektrotechnik Energietechnik, S.51 ff"

Spannungsangabe

Der erste (kleinere) Wert, also 220V in diesem Fall, bezieht sich dabei auf die erlaubte Spannung bei einer Dreckschaltung, der zweite (größere, also 380V) auf die Sternschaltung. Da bei einem Elektromotor der Nullleiter i.d.R. nicht verlegt oder angeschlossen wird macht es Sinn dass sich die Spannungsangabe auf die Spannung zwischen je zwei der drei Zuleitungen (L1, L2, L3) handelt, man nennt diese Spannung die Leiterspannung. Eine andere Art die Spannung anzugeben wäre die Strangspannung, diese gibt die Spannung zwischen je einer Phase (L1, L2, L3) und dem Nullleiter an.

Alternativ kann man die angegebene Spannung auch als die maximal erlaubte Spannung an einer Wicklung interpretieren! Das ist genau das selbe, denn bei der Dreieckspannung liegt eben die volle Leiterspannung an jeder Wicklung an, bei der Sternschaltung nur ein Bruchteil davon.

Fazit

Bei der Dreieckschaltung darf hier also die Leiterspannung in der Zuleitung nicht mehr als 220V betragen.
Bei der Sternschaltung nicht mehr als 380V.

Erlaubte Beschaltung

Da unser gewohntes Netz in Deutschland 400V zwischen den Phasen hat darf dieser Motor hier ausschließlich in Sternschaltung betrieben werden (die 20 Volt Differenz sind vernachlässigbar da das Stromnetz ohnehin starken Schwankungen unterliegt). Ein Betrieb in Dreieckschaltung wäre nur dann sicher, wenn die Leiterspannung des Netzes 220V nicht wesentlich überschreiten würde.

Wie oben bereits angeschnitten liegt die unterschiedlich hohe, maximal erlaubte Spannung an der Beschaltungsart selbst. An der selben Spannungsquelle erfahren die Wicklungen bei den unterschiedlichen Beschaltungen unterschiedlich hohe Spannungen. Während es bei der Dreieckschaltung die volle Leiterspannung ist (also 400V), sind es bei der Sternschaltung nur Leiterspannung * sqrt(3)-1.

Es gilt also für die

Betrachten wir die Wicklungen vereinfacht als feste Widerstände R, sie sind je nach Querschnitt, Länge und Isolierung für eine gewisse Leistung Pmax ausgelegt. Bei einer höheren Spannung U stellt sich daher auch ein höherer Strom I ein (da I = U/R, also I ~ U da R konstant).

Pwicklung = Uwicklung * Iwicklung

Man möchte vielleicht annehmen dass sich damit bei der Dreieckschaltung immer automatisch ein höherer Strom pro Wicklung einstellt als in der Sternschaltung, da in der Dreieckschaltung ja auch eine höhere Spannung an der Wicklung anliegt. Dem ist aber nicht so, denn so wie in der Sternschaltung nur ein Bruchteil der Spannung an jeder Wicklung anliegt, so gilt selbiges für den Strom bei der Dreieckschaltung.

Es gilt also für die

Stromangabe

Wichtig ist nun, dass es sich bei der Stromangabe auf dem Typenschild um den Nennstrom handelt. D.h. dass das der Strom in jeder der Zuleitung ist (also ILeiter). Da der Motor eine symmetrische Last ist, fließt in jedem der drei Außenleiter der selbe Strom, und je nach Beschaltungsart entweder auch genau dieser Strom in jeder Wicklung (bei Sternschaltung) oder ein sqrt(3)-tel pro Wicklung (bei Dreieckschaltung).

Fazit

Bei der Dreieckschaltung ist der Strom in jeder der Wicklungen auf ein sqrt(3)-tel gegenüber des Leiterstroms reduziert, es liegt jedoch die volle Leiterspannung an:

Pwicklung = 220V * (9,3A / sqrt(3)) = ca. 1,2 kW

Bei der Sternschaltung hingegen ist die Spannung nur ein sqrt(3)-tel gegenüber der Leiterspannung, jedoch der volle Leitungsstrom.

Pwicklung = (380V / sqrt(3)) * 5,4A = ca. 1,2 kW

Wie man sieht kommen wir in beiden Fällen auf eine max. Wicklungsleistung von 1,2 kW. Diese wird natürlich durch die Wicklung selbst bestimmt (Querschnitt, Länge, Isolierung, usw.). und eben aus diesem Wert ergeben sich dann auch die Spannungs und Stromangaben welche sich auf dem Typenschild wiederfinden.

Nicht verwechseln!

Die Leistung pro Wicklung (Pwicklung) sollte nicht mit der insgesamt aufgenommenen Leistung des Motors verwechselt werden! Während erstere als eine Art Grenze konstant ist, ist letztere je nach Beschaltung unterschiedlich.

Deswegen werden Elektromotoren häufig mit Sternbeschaltung gestartet (geringerer Anlaufstrom und Leistungsaufnahme, aber weniger Drehmoment) und schließlich auf Dreieckschaltung gewechselt (höherer Strom und Leistungsaufnahme aber auch größeres Drehmoment).

Anmerkung

Da mich das Thema selbst verwirrt hat und der Artikel auf meinen Recherchen basiert hoffe ich dass sich keine Fehler eingeschlichen haben. Falls doch, bitte meldet euch!