一種大功率電機星三角減壓起動控制實訓系統設計及其可靠性分析＊

魏國蓮

（青海高等職業技術學院，青海 海東810799）

高職“電氣控制技術”課程主要培養學生的繼電-接觸器控制電路裝調與維修，低壓電器的識別、選型、安裝能力，電氣控制電路的接線、調試能力和線路故障檢修能力。課程中，三相異步電動機星三角減壓起動控制電路的裝調是必須要掌握的典型工作任務，也是維修電工技能認定的重要考核項目。在高職院校教學過程中一般采用功率小于0.75 kW的電機進行模擬運行，而星三角減壓起動控制電路主要用于功率大于10 kW以上電動機的減壓起動。小功率電動機在教學應用中雖然比較安全，但不能直觀地演示減壓起動的效果和星三角轉換的過程。本文以11 kW三相籠型異步電動機星三角降壓起動控制電路裝調為例，介紹了基于企業實際工作任務的一種大功率電動機星三角降壓起動控制實訓系統的設計，并對該系統的可靠性及常見故障的解決措施進行了分析。

1 設計原則和內容

1.1 結合企業實際工作任務實施過程設計實訓系統

高職教育教學的目標是培養符合企業實際需求，能夠滿足用人單位工作崗位素養和技能要求的高素質技術技能型人才。專業課程的教學要選擇企業典型工作任務，結合企業工作任務實施的過程開展“工學結合”的教學，既要培養學生的專業技能，還要讓學生掌握企業工作任務實施的工作過程，培養出受企業歡迎的人才。

大功率電動機星三角降壓起動控制實訓系統的設計以11 kW三相籠型異步電動機星三角降壓起動控制電路裝調為例，按照企業電氣控制系統設計的內容和流程，結合高職院校教育教學要求的原則進行設計。該實訓系統的設計內容包括與企業控制系統設計任務一致的設計任務書（設計文件）和工藝文件、符合企業工藝規范和標準要求的用于實訓教學的電氣控制柜（板）、組合的星三角啟動器、可靠性實驗驗證報告。設計文件的內容包括相應的標準和規范，控制系統要求，控制系統電氣原理圖，控制系統工作原理，控制容量計算和元器件選型、零部件材料明細表，關鍵件明細表、圖紙（包括電氣控制系統電氣原理圖、安裝布置圖、接線圖和組合的星三角啟動器的零件圖、部件圖、裝配圖），質量檢驗要求，合格標準等。工藝文件的內容包括工藝路線、工藝要求、安裝調試工藝圖、工藝卡片、零部件材料導線明細表、質量檢查工藝流程等。電氣控制柜（板）為完成安裝和調試的電氣控制系統實物，該實物完全按照企業控制柜安裝的電氣規范和電氣標準要求安裝，既滿足控制要求，又能作為實訓教學的標準模板。組合的星三角啟動器實物主要是結合市場和企業實際需求，自主組裝完成的組合星三角啟動器，用于向學生展示新產品、新工藝，并學習和掌握該產品的使用方法。

1.2 實訓系統突出教學功能，提高教學質量

大功率電動機星三角起動控制實訓系統的設計在基于企業實際工作任務實施的基礎上，結合教學要求和教學規律，突出教學功能，滿足教學實訓的演示功能，并作為標準模版和評價標準。通過學習該實訓系統的設計文件，讓學生熟悉和掌握企業實際工作任務實施的內容和要求，激發學習的積極性。通過使用該實訓系統的工藝文件，讓學生在實訓過程中既能掌握企業實際工作任務的工藝流程和工藝要求，又有助于學生準確把握和理解工藝規范和工藝要求。在工藝文件的設計上，采用實物圖和文字注釋結合的形式，用圖文形象地描述工藝過程和工藝流程，這種方式重點解決在以往學習過程中存在的原理圖不易理解、安裝接線時不會按圖接線、接線不規范、不能按照工藝要求和工藝規范及標準調試檢修等問題。學生在安裝接線過程中，對照工藝文件與安裝接線規范要求，在學習電氣安裝接線之初，將該實訓系統作為模板。學生通過模仿并結合教師的講解進行操作，即按照標準的操作規范進行技能訓練，又在實際操作中理解標準和規范的理論要求，通過理論指導實踐，在實踐過程中理解掌握理論知識，該階段處于模仿操作階段。

經過多個任務的實施，學生逐漸掌握和理解了操作規范及要求，在后續的任務實施中開展工藝路線和工藝流程的自主設計，培養學生工藝設計的能力，該階段為知識的運用階段和能力的提升階段。該實訓系統的演示功能能夠使學生直觀地觀察大功率電動機星三角減壓起動的過程，理解工作原理，掌握工作過程。該實訓系統作為對學生開展考核評價的標準和依據，更有說服力，能更進一步提高學生學習的積極性和有效性。在實踐教學中采用該實訓系統有效提升了教學質量，取得了較好的效果。

2 實訓系統的可靠性分析

2.1 星三角減壓起動控制電路的工作過程

常用的星三角減壓起動控制電路如圖1所示。電路的工作過程為合上刀開關QS，按下起動按鈕SB2，KM△、KMY接觸器和KT時間繼電器線圈得電，KM△和KMY接觸器主觸點接通，電動機定子繞組星型連接，電動機減壓起動。KT延時斷開常閉觸點按設定的時間延時后斷開，KMY接觸器線圈失電，KMY接觸器主觸點斷開，之后KT延時接通常開觸點按設定的時間延時后閉合，KM△接觸器線圈得電，KM△接觸器主觸點接通。此時，電動機定子繞組三角形連接，電動機在額定電壓下運行。

2.2 星三角切換可靠性分析及影響因素

星三角減壓起動控制可靠性的重要指標是星形接法與三角形接法切換時主電路不發生短路。11 kW三相異步電動機星三角減壓起動采用CJ20-12接觸器控制主電路的切換，分析計算切換時間。由圖1所示的星三角減壓起動控制電路原理圖可知，KMY星型接觸器線圈失電時間加主觸頭走完超行程后斷開的時間即為KMY接觸器釋放時間，用t1表示。KMY接觸器線圈失電時間加常閉輔助觸頭走完開距后接通的時間用t2表示，根據表1中接觸器觸頭參數可知，在正常狀態下KMY星型接觸器線圈失電后主觸頭先斷開，輔助常閉觸頭后接通，即t2＞t1。

表1 CJ20-12接觸器觸頭參數

圖1 星三角減壓起動控制電路原理圖

當KMY星型接觸器輔助常閉觸頭經t2后接通，KM△三角形接觸器線圈得電時間加主觸頭接通時間用t3表示，則KMY與KM△之間切換的時間為從KMY接觸器線圈失電開始計算到KMY接觸器輔助常閉觸點閉合，KM△接觸器線圈得電，主觸點接通的時間總和用t4表示，即t4=t2+t3，如圖2所示，由此可見t4＞t1。

圖2 星三角切換時間

通過上述分析計算可知在接觸器觸頭彈簧力、線圈匝數、線圈電阻值在正常范圍內時，KM△和KMY接觸器的切換不會發生短路現象，星三角減壓起動控制電路是可以可靠運行的。

使用數字示波器測試CJ20-12接觸器組成的星三角實訓系統控制線路中KMY接觸器的釋放時間和KM△接觸器的吸合時間。測試步驟為：①接通電源；②接觸器線圈通電，示波器產生波形后按下STOP鍵；③展開記錄的波形并讀數；④重復進行多次步驟②③并讀數。在實際控制電路中，由于接觸器制造時不同批次的產品因銜鐵、磁軛、線圈等磁系統的關鍵零部件參數的差異以及觸頭彈簧、反力彈簧等觸頭系統關鍵零件尺寸的制造誤差，導致吸合時間會有小幅度波動。通過測試，不同批次產品的吸合和釋放時間測試結果的平均值為：吸合時間20 ms，釋放時間10 ms。測試接線圖如圖3所示。

圖3 測試接線圖

接觸器吸合時的觸頭會產生振動發生觸頭彈跳，發生觸頭彈跳的主要原因是觸頭分斷電流時的電動斥力及觸頭彈簧反力的配合異常。觸頭彈簧加工誤差及公差因素導致個別觸頭彈簧力偏小，導致觸頭異常振動，觸頭吸合后有多次短時彈開現象，會導致產品吸合時間較長。通過篩選彈簧力在產品設計要求范圍內的觸頭彈簧，嚴格控制觸頭彈簧力的檢測，使觸頭彈簧參數滿足設計要求，不再出現彈跳現象。

3 實訓系統運行故障及解決措施

3.1 按下起動按鈕接觸器不動作

首先檢查主電路，在斷路器閉合的前提下，用電壓表測量電源電壓，判定電源電壓是否正常；用電壓表測量相間電壓，檢查主電路線路接線是否正確無誤。再用電阻分階測量法檢測控制電路接線，排除線路故障。注意檢查熱繼電器是否有過載后未復位，測量熱繼電器的常閉觸點在復位狀態是否通路。判斷測量接觸器電磁線圈的電阻是否損壞。

3.2 按下起動按鈕后電機運行，松開電機停止

測量停止按鈕常閉端是否通路，若不通則拆開按鈕，清理觸點或更換按鈕；檢查KM接觸器常開輔助點在閉合狀態時是否通路，若不通則拆開清理觸點或更換接觸器，或用外加常開輔助觸頭的常開輔助觸點替換；檢查KM接觸器起動按下時觸頭是否有彈跳，若有彈跳，則檢查KM接觸器的電磁銜鐵表面是否有異物或油污等，由跳動導致的常開觸點無法閉合，需拆開清理或更換接觸器。

3.3 按下起動按鈕后接觸器動作，但電動機不運轉

檢查主回路KM接觸器主觸點和熱過載繼電器主回路，確認電動機電源線是否有掉線斷開的現象；檢查KMY接觸器是否正常；檢查時間繼電器是否正常工作，時間繼電器的常閉觸點是否導通；檢查KMY接觸器線圈是否燒壞，KM△接觸器的常閉觸點是否通路。

3.4 三角形起動運行未切換

檢查時間繼電器二次起動輸出是否正常，檢查KMY接觸器常閉輔助觸點是否通路，檢查KM△接觸器的主觸點是否燒壞，檢查時間繼電器延時時間是否設置太短，電機負荷過重。

3.5 星三角切換時KM△接觸器主觸頭出現火花

如果轉換時間設置過短，電動機星形起動沒有完成，電動機的轉速也還沒有達到額定轉速，起動電流還很大的時候進行切換，則KM△接觸器所承受的電流依然是起動電流，而產生打火；星三角起動時間與電動機功率和起動負荷有關。

4 結束語

大功率電動機星三角起動控制實訓系統基于企業工作典型任務實施過程，引入企業項目的設計文件和工藝文件，能讓學生系統地認識企業工作任務實施過程，了解和認識企業電氣控制電路安裝與調試工作任務實施的要求、工藝路線、工藝規范和工作標準。結合高職院校學生學情和教育教學的規律開展教學任務實施，完善教學中的教學演示、操作模板和評價標準，更直觀地展示星三角減壓起動控制運行的過程和切換的現象，使學生更易于理解工作原理，更好地掌握安裝調試的工藝規范和企業標準要求，使評價考核更有針對性、更加客觀，該實訓系統在教學實踐中應用效果良好。