基于星三角啟動電路的測控課程教學(xué)思考

［摘 要］ 基于傳統(tǒng)的星三角降壓啟動電路，分析了星三角降壓啟動電路的原理、使用條件，針對75 kW電機(jī)的星三角降壓啟動電路的選型計算案例，詳細(xì)計算了三相繞組星形連接和三角形連接時的相電壓、線電壓、相電流和線電流，得出了主接觸器、星接觸器和角接觸器的選型依據(jù)，并對比分析確定了星三角降壓啟動的最優(yōu)電路圖。進(jìn)一步結(jié)合案例分析，在“工程專業(yè)認(rèn)證”視域下，討論了有關(guān)知識傳授、問題分析、提出方案、職業(yè)規(guī)范和成本控制等一系列測控課程教學(xué)思考，以期提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 星三角啟動電路；選型計算；測控課程；教學(xué)思考

［基金項目］ 2021年度江蘇高校“青藍(lán)工程”資助（蘇教師函〔2021〕11號）；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“機(jī)器人運(yùn)動控制與系統(tǒng)集成課程改革建設(shè)”（202102038007）

［作者簡介］ 姚建南（1988—），男，江蘇通州人，博士，南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事機(jī)電一體化及測控理論研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0141-04 ［收稿日期］ 2023-02-14

引言

星三角啟動電路，對于大多數(shù)機(jī)械工程、電氣工程等專業(yè)背景的技術(shù)人士和師生來說并不陌生。星三角啟動電路作為三相異步電動機(jī)的降壓啟動方式已經(jīng)在各類教科書以及工程實(shí)踐中得到廣泛使用。筆者發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的技術(shù)人士會參照技術(shù)資料在工程實(shí)踐中成功使用星三角啟動電路，但是當(dāng)問及如何進(jìn)行星三角啟動電路中的接觸器和熱繼電器選型時，很多工程師會依賴既往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大概估算選型，在實(shí)際過程中或許不會出錯，但有時會因接觸器容量估算過高而造成大批量使用時的成本浪費(fèi)，有時也會因接觸器容量估算較小而埋入安全隱患，甚至有一些新手工程師因選型不當(dāng)，造成控制箱爆炸等工業(yè)事故。

在對學(xué)生的調(diào)研中，很多只知道星三角啟動電路是電機(jī)進(jìn)行降壓啟動使用的，卻不清楚其中的電壓、電流等具體的計算關(guān)系。筆者在歷年指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生能夠給出星三角啟動的原理圖，但是對于其中的數(shù)值關(guān)系以及選型計算不熟悉，甚至出錯。因此，筆者萌生了基于傳統(tǒng)星三角啟動電路，在當(dāng)前工程專業(yè)認(rèn)證視域下，以學(xué)生為中心，談?wù)劀y控工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)過程中的一些想法，以期提高學(xué)生運(yùn)用工程知識解決工程問題的能力。

一、星三角啟動電路的使用條件

對于大多數(shù)的電氣工程師和非專業(yè)人員而言，都有一個經(jīng)驗(yàn)性的慣性思維，電機(jī)功率大了需要用降壓啟動，即使不用變頻器或軟啟動，至少也要用個星三角啟動電路。星三角降壓起動電路的原理是啟動時將定子三相繞組作星形連接，以限制啟動電流，待轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時再換接成三角形，使電動機(jī)全壓運(yùn)行。采用這種啟動方法，啟動電流較小，啟動轉(zhuǎn)矩也較小，所以一般適用于正常運(yùn)行為三角形接法、容量較小的電動機(jī)作空載或輕載啟動，也可頻繁啟動，啟動電流為角接時的三分之一。

但是，多大功率的電機(jī)需要用星三角啟動電路來實(shí)現(xiàn)降壓啟動呢？筆者通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多工程師和初學(xué)者只是定性地了解星三角啟動電路適用于降壓啟動，防止電流沖擊，對于具體多大數(shù)值功率的電機(jī)需要降壓啟動表示不清楚，有人說是5 kW，也有人認(rèn)為是15 kW，筆者甚至見過45 kW電機(jī)全壓啟動的情況，理由是規(guī)范沒有強(qiáng)制要求。對于這個問題，首先我們需要了解一下相關(guān)規(guī)范，《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ/T16-2008中的第9.2.2中對電機(jī)降壓啟動有比較全面的描述，大體歸納如下，如果想要全壓啟動，必須滿足如下條件：（1）機(jī)械能承受電動機(jī)全壓啟動時的沖擊轉(zhuǎn)矩；（2）電動機(jī)啟動時配電母線電壓不宜低于額定電壓的85%（按照不頻繁啟動的電機(jī)考慮）也就是約為323 V；（3）電動機(jī)啟動時，應(yīng)不影響其他負(fù)荷的正常運(yùn)行；（4）制造廠對電動機(jī)的啟動方式無特殊要求。

因此，究竟多大功率的電機(jī)匹配星三角降壓啟動電路的問題，就有了答案，就是如果不滿足《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中的全壓啟動條件，就需要使用降壓啟動電路，而星三角啟動電路以簡單易用的特點(diǎn)則自然有了用武之地。例如，5 kW的電動機(jī)就有使用星三角啟動的案例，如果5 kW電動機(jī)直接啟動，則其周圍的燈具就會瞬間變暗，當(dāng)對照明光線有穩(wěn)定要求的情況下，為了不影響周圍其他負(fù)載正常工作，此時5 kW電動機(jī)就采用了星三角降壓等啟動方式。所以，需要根據(jù)全壓啟動條件，因時因地制宜，通過合理規(guī)范的計算，來確定是否啟用星三角啟動電路。當(dāng)然，也可以給大家一個大概的參考值，就是電機(jī)功率不大于變壓器容量的20%，使用全壓啟動問題不大；但是還要考慮同一段母線內(nèi)，其他設(shè)備是否對電壓波動敏感。按照大家的思維慣性，大于15 kW的電機(jī)采用星三角、軟啟動器等降壓啟動也是沒有什么問題的。

二、星三角啟動電路的選型計算案例

以75 kW電機(jī)的星三角啟動電路的選型計算為例，根據(jù)星三角啟動原理，圖1與圖2均為可實(shí)現(xiàn)降壓啟動的電路圖［1-2］，但是，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，兩種方案是否均適用，下面給出分析論證。

圖1和圖2中，QF為斷路器，KM1為主接觸器，F(xiàn)R1為與主接觸器配套的熱繼電器，KM2為星接觸器，KM3為角接觸器。圖1與圖2的區(qū)別在于，角接觸器KM3分別位于主接觸器KM1的入口和出口處，下面以此為區(qū)分，給出各接觸器的選型計算。

根據(jù)電機(jī)功率75 kW，三相電壓380 V進(jìn)行選型計算。三相異步電機(jī)采用星形連接時，線電壓的大小為相電壓的倍，此時相電壓為

220 V，線電流等于相電流；則U星線=380 V，U星相=220 V，I星線=I星相。三相異步電機(jī)采用三角形

連接時，線電壓的大小等于相電壓，此時相電壓為380 V，線電流等于相電流的倍；則U角線=U角相=380 V，I角線=1.732×I星相。因?yàn)閁角相=380 V=1.732×220 V=1.732×U星相，由于各相繞組的阻值一定，則得I角相=1.732×I星相。搞清楚了上述關(guān)系后，便可根據(jù)公式I角線=P/（1.732×U角線×cosΦ），其中cosΦ為電機(jī)功率因素，取0.8，可以計算出I角線=142.44 A，進(jìn)而求得I角相=82.24 A。而I角相=1.732×I星相，則I星相=47.48 A。

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，無論采用圖1或是圖2的電路連接方式，三相繞組采用星三角連接時，線電壓為380 V，相電壓為220 V，線電流為47.48 A，相電流為47.48 A；三相繞組采用三角形連接時，線電壓為380 V，相電壓為380 V，線電流為142.44 A，相電流為82.24 A。因此可以看出，采用星形連接時的線電流的數(shù)值約為三角形連接時線電流的三分之一，達(dá)到了降低啟動電流的目的。

對于各接觸器的選型，在工程實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，很多電氣工程師僅僅通過簡單的估算，選取更大參數(shù)規(guī)格的器件來保證電氣安全，主接觸器、星接觸器和角接觸器均選一致型號，沒有考慮流經(jīng)各接觸器的準(zhǔn)確電流大小，這必然造成成本的增加，也帶來了一定的安全隱患。比如，熱繼電器選型大了，電路出現(xiàn)故障沒有及時響應(yīng)，造成電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的損毀。為此，筆者提出，星三角啟動電路的原理雖然很簡單，但是，在工程實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要做必要的準(zhǔn)確計算，根據(jù)詳細(xì)計算結(jié)果來進(jìn)行選型。

對于圖1給出的電路圖，流經(jīng)星接觸器KM2的電流為相電流I星相=47.48 A，流經(jīng)主接觸器KM1和角接觸器KM3的電流為相電流I角相=82.24 A，以施耐德接觸器為例，主接觸器KM1和角接觸器KM3可以選擇額定電壓380 V，額定電流95 A的接觸器LC1D95Q7C，星接觸器KM2可以選擇額定電壓380 V，額定電流65A的接觸器LC1D65Q7C。由此可以看出，星接觸器由于流經(jīng)其的電流約為主、角接觸器電流的1/，因此，星接觸器的型號大小要比主、角接觸器的型號規(guī)格低，不需要與其規(guī)格一致，要在選型時考慮，達(dá)到降低成本的目的。

而對于圖2所示的電路圖，流經(jīng)星接觸器KM2的電流為相電流I星相=47.48 A，流經(jīng)角接觸器KM3的電流為相電流I角相=82.24 A，流經(jīng)主接觸器KM1的電流為兩倍的相電流（約為164.28 A），與圖1方案對比，主接觸器的規(guī)格增大一倍。而對于滿足額定電流大于164.28 A的交流接觸器，無論從體積還是成本都呈現(xiàn)了較大的增幅，還造成了熱繼電器規(guī)格與成本的增高。因此，在實(shí)際的工程設(shè)計過程中，應(yīng)選擇圖1的星三角降壓啟動電路，并根據(jù)嚴(yán)格的選型計算來確定各主要器件的規(guī)格大小，達(dá)到最優(yōu)選型、最低成本的目的。

三、教學(xué)思考

（一）專業(yè)知識的傳授

解決一個問題，必須有專業(yè)知識的支撐。而在高校專業(yè)課的授課過程中，各門課程分學(xué)期分類授課，造成了知識點(diǎn)傳授的時空分散，很多學(xué)生不明白該門課程學(xué)了有什么用，造成了當(dāng)前工科學(xué)生無法靈活運(yùn)用知識解決相應(yīng)的工程問題。因此，教師需要做好學(xué)生的課程引領(lǐng)人，在學(xué)習(xí)知識之前，提前告知學(xué)生所學(xué)內(nèi)容在未來工程實(shí)踐中的作用，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打好知識基礎(chǔ)。

（二）積極培養(yǎng)學(xué)生問題分析的能力

比如，在本文的星三角啟動電路選型計算的案例分析中，根據(jù)降壓啟動原理，可以給出圖1和圖2兩種電路方案圖，但是，究竟哪一種電路圖更適用，各個主要器件的選型依據(jù)是什么，需要根據(jù)三相繞組星形和三角形的不同連接方式，通過電工學(xué)原理進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識別、描述、分析、計算，進(jìn)而通過可靠的數(shù)值比較，得出有效的工程結(jié)論，在此基礎(chǔ)上，獲得了各主要接觸器的選型依據(jù)，同時也通過比較獲得了圖1更為經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)論。因此，在測控工程相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，尤其在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等主要環(huán)節(jié)，教師要積極培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)及工程科學(xué)的基本原理與知識，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別、描述、分析、比較，獲得有效結(jié)論并判斷其合理性。

（三）積極培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計/開發(fā)解決方案的能力

要培養(yǎng)學(xué)生對測控系統(tǒng)與儀器復(fù)雜工程問題進(jìn)行需求分析、提出解決方案、設(shè)計滿足特定需求的方案的能力。比如，在本文星三角啟動電路的案例分析中，在何種情形下采用星三角啟動電路，或是采用全壓啟動，5 kW、15 kW還是更高功率的電機(jī)需要降壓啟動？此時，根據(jù)不同的運(yùn)行工況特性，結(jié)合全壓啟動條件，便可分析得出啟動方案。

（四）積極培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力

對于工具的選擇，尤其是選擇更為高效、專業(yè)的現(xiàn)代工具，對于問題的解決有很大的推進(jìn)作用。對此問題，筆者有更深的體會，以電路圖的繪制工具來說，筆者學(xué)生時代一直采用Autocad軟件，但電路圖的質(zhì)量難以提高。在近幾年的項目開發(fā)中，筆者摒棄了Auotocad，選用了EPLAN專業(yè)電路制圖軟件，通過調(diào)用規(guī)范國標(biāo)庫的各種電氣符號，結(jié)合EPLAN專業(yè)電路制圖的優(yōu)勢，大大節(jié)約了制圖時間，給解決方案的思考與完善騰出了更多的時間。因此，合理工具的選擇很重要。

（五）積極培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)規(guī)范與項目管理的能力

要培養(yǎng)學(xué)生在測控系統(tǒng)與儀器工程實(shí)踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范。比如，在本文星三角啟動電路的案例中，就需要遵守《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》，并根據(jù)規(guī)范來達(dá)成項目方案的制訂。需要培養(yǎng)學(xué)生項目管理的能力，尤其是成本控制，不同的項目方案，原理一致，工程均可實(shí)現(xiàn)，但是成本不一樣，這也是學(xué)生需要培養(yǎng)的意識之一。

結(jié)語

本文基于傳統(tǒng)的星三角降壓啟動電路，分析了星三角降壓啟動電路的原理、特征以及使用條件，進(jìn)一步根據(jù)75 kW電機(jī)的星三角降壓啟動電路的選型計算案例，詳細(xì)計算了三相繞組星形連接和三角形連接時的相電壓、線電壓、相電流和線電流，通過電流計算得出了主接觸器、星接觸器和角接觸器的選型依據(jù)，并對比分析確定了星三角降壓啟動的最優(yōu)電路圖。進(jìn)一步結(jié)合案例分析，在當(dāng)前“工程專業(yè)認(rèn)證”視域下，討論了有關(guān)知識傳授、問題分析、提出方案、職業(yè)規(guī)范和成本控制等一系列的測控課程教學(xué)思考，以期提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

參考文獻(xiàn)

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