［摘 要］ 基于傳統(tǒng)的星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路，分析了星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路的原理、使用條件，針對(duì)75 kW電機(jī)的星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路的選型計(jì)算案例，詳細(xì)計(jì)算了三相繞組星形連接和三角形連接時(shí)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(duì)比分析確定了星三角降壓?jiǎn)?dòng)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(shí)傳授、問(wèn)題分析、提出方案、職業(yè)規(guī)范和成本控制等一系列測(cè)控課程教學(xué)思考，以期提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 星三角啟動(dòng)電路；選型計(jì)算；測(cè)控課程；教學(xué)思考

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

［作者簡(jiǎn)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(cè)控理論研究。

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

引言

星三角啟動(dòng)電路，對(duì)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(lái)說(shuō)并不陌生。星三角啟動(dòng)電路作為三相異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)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(huì)參照技術(shù)資料在工程實(shí)踐中成功使用星三角啟動(dòng)電路，但是當(dāng)問(wèn)及如何進(jìn)行星三角啟動(dòng)電路中的接觸器和熱繼電器選型時(shí)，很多工程師會(huì)依賴既往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大概估算選型，在實(shí)際過(guò)程中或許不會(huì)出錯(cuò)，但有時(shí)會(huì)因接觸器容量估算過(guò)高而造成大批量使用時(shí)的成本浪費(fèi)，有時(shí)也會(huì)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(duì)學(xué)生的調(diào)研中，很多只知道星三角啟動(dòng)電路是電機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)使用的，卻不清楚其中的電壓、電流等具體的計(jì)算關(guān)系。筆者在歷年指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生能夠給出星三角啟動(dòng)的原理圖，但是對(duì)于其中的數(shù)值關(guān)系以及選型計(jì)算不熟悉，甚至出錯(cuò)。因此，筆者萌生了基于傳統(tǒng)星三角啟動(dòng)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(cè)控工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)過(guò)程中的一些想法，以期提高學(xué)生運(yùn)用工程知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。

一、星三角啟動(dòng)電路的使用條件

對(duì)于大多數(shù)的電氣工程師和非專業(yè)人員而言，都有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的慣性思維，電機(jī)功率大了需要用降壓?jiǎn)?dòng)，即使不用變頻器或軟啟動(dòng)，至少也要用個(gè)星三角啟動(dòng)電路。星三角降壓起動(dòng)電路的原理是啟動(dòng)時(shí)將定子三相繞組作星形連接，以限制啟動(dòng)電流，待轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形，使電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。采用這種啟動(dòng)方法，啟動(dòng)電流較小，啟動(dòng)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(dòng)機(jī)作空載或輕載啟動(dòng)，也可頻繁啟動(dòng)，啟動(dòng)電流為角接時(shí)的三分之一。

但是，多大功率的電機(jī)需要用星三角啟動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)呢？筆者通過(guò)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(dòng)電路適用于降壓?jiǎn)?dòng)，防止電流沖擊，對(duì)于具體多大數(shù)值功率的電機(jī)需要降壓?jiǎn)?dòng)表示不清楚，有人說(shuō)是5 kW，也有人認(rèn)為是15 kW，筆者甚至見(jiàn)過(guò)45 kW電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)的情況，理由是規(guī)范沒(méi)有強(qiáng)制要求。對(duì)于這個(gè)問(wèn)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(jì)規(guī)范》JGJ/T16-2008中的第9.2.2中對(duì)電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)有比較全面的描述，大體歸納如下，如果想要全壓?jiǎn)?dòng)，必須滿足如下條件：（1）機(jī)械能承受電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)矩；（2）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)配電母線電壓不宜低于額定電壓的85%（按照不頻繁啟動(dòng)的電機(jī)考慮）也就是約為323 V；（3）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)不影響其他負(fù)荷的正常運(yùn)行；（4）制造廠對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式無(wú)特殊要求。

因此，究竟多大功率的電機(jī)匹配星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路的問(wèn)題，就有了答案，就是如果不滿足《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中的全壓?jiǎn)?dòng)條件，就需要使用降壓?jiǎn)?dòng)電路，而星三角啟動(dòng)電路以簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)則自然有了用武之地。例如，5 kW的電動(dòng)機(jī)就有使用星三角啟動(dòng)的案例，如果5 kW電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，則其周圍的燈具就會(huì)瞬間變暗，當(dāng)對(duì)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(shí)5 kW電動(dòng)機(jī)就采用了星三角降壓等啟動(dòng)方式。所以，需要根據(jù)全壓?jiǎn)?dòng)條件，因時(shí)因地制宜，通過(guò)合理規(guī)范的計(jì)算，來(lái)確定是否啟用星三角啟動(dòng)電路。當(dāng)然，也可以給大家一個(gè)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?jiǎn)?dòng)問(wèn)題不大；但是還要考慮同一段母線內(nèi)，其他設(shè)備是否對(duì)電壓波動(dòng)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(dòng)器等降壓?jiǎn)?dòng)也是沒(méi)有什么問(wèn)題的。

二、星三角啟動(dòng)電路的選型計(jì)算案例

以75 kW電機(jī)的星三角啟動(dòng)電路的選型計(jì)算為例，根據(jù)星三角啟動(dòng)原理，圖1與圖2均為可實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)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(jì)算。

根據(jù)電機(jī)功率75 kW，三相電壓380 V進(jìn)行選型計(jì)算。三相異步電機(jī)采用星形連接時(shí)，線電壓的大小為相電壓的倍，此時(shí)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(shí)，線電壓的大小等于相電壓，此時(shí)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(jì)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(jì)算結(jié)果可知，無(wú)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(shí)，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(shí)，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(shí)的線電流的數(shù)值約為三角形連接時(shí)線電流的三分之一，達(dá)到了降低啟動(dòng)電流的目的。

對(duì)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(guò)簡(jiǎn)單的估算，選取更大參數(shù)規(guī)格的器件來(lái)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(hào)，沒(méi)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(lái)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(méi)有及時(shí)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(dòng)電路的原理雖然很簡(jiǎn)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(jì)算，根據(jù)詳細(xì)計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行選型。

對(duì)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(hào)大小要比主、角接觸器的型號(hào)規(guī)格低，不需要與其規(guī)格一致，要在選型時(shí)考慮，達(dá)到降低成本的目的。

而對(duì)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(duì)比，主接觸器的規(guī)格增大一倍。而對(duì)于滿足額定電流大于164.28 A的交流接觸器，無(wú)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(jì)過(guò)程中，應(yīng)選擇圖1的星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路，并根據(jù)嚴(yán)格的選型計(jì)算來(lái)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(shí)的傳授

解決一個(gè)問(wèn)題，必須有專業(yè)知識(shí)的支撐。而在高校專業(yè)課的授課過(guò)程中，各門課程分學(xué)期分類授課，造成了知識(shí)點(diǎn)傳授的時(shí)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(wú)法靈活運(yùn)用知識(shí)解決相應(yīng)的工程問(wèn)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(shí)之前，提前告知學(xué)生所學(xué)內(nèi)容在未來(lái)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(shí)基礎(chǔ)。

（二）積極培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題分析的能力

比如，在本文的星三角啟動(dòng)電路選型計(jì)算的案例分析中，根據(jù)降壓?jiǎn)?dòng)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(gè)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(guò)電工學(xué)原理進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識(shí)別、描述、分析、計(jì)算，進(jìn)而通過(guò)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(shí)也通過(guò)比較獲得了圖1更為經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)論。因此，在測(cè)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(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)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(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案的能力

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

（四）積極培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具的能力

對(duì)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(duì)于問(wèn)題的解決有很大的推進(jìn)作用。對(duì)此問(wèn)題，筆者有更深的體會(huì)，以電路圖的繪制工具來(lái)說(shuō)，筆者學(xué)生時(shí)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，筆者摒棄了Auotocad，選用了EPLAN專業(yè)電路制圖軟件，通過(guò)調(diào)用規(guī)范國(guó)標(biāo)庫(kù)的各種電氣符號(hào)，結(jié)合EPLAN專業(yè)電路制圖的優(yōu)勢(shì)，大大節(jié)約了制圖時(shí)間，給解決方案的思考與完善騰出了更多的時(shí)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(xiàng)目管理的能力

要培養(yǎng)學(xué)生在測(cè)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(dòng)電路的案例中，就需要遵守《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，并根據(jù)規(guī)范來(lái)達(dá)成項(xiàng)目方案的制訂。需要培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目管理的能力，尤其是成本控制，不同的項(xiàng)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(shí)之一。

結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)的星三角降壓?jiǎn)?dòng)電路，分析了星三角降壓?jiǎn)?dòng)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?jiǎn)?dòng)電路的選型計(jì)算案例，詳細(xì)計(jì)算了三相繞組星形連接和三角形連接時(shí)的相電壓、線電壓、相電流和線電流，通過(guò)電流計(jì)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(duì)比分析確定了星三角降壓?jiǎn)?dòng)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(shí)傳授、問(wèn)題分析、提出方案、職業(yè)規(guī)范和成本控制等一系列的測(cè)控課程教學(xué)思考，以期提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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