基于星三角啟動電路的測控課程教學思考

［摘 要］ 基于傳統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電機的星三角降壓啟動電路的選型計算案例，詳細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，并對比分析確定了星三角降壓啟動的最優電路圖。進一步結合案例分析，在“工程專業認證”視域下，討論了有關知識傳授、問題分析、提出方案、職業規范和成本控制等一系列測控課程教學思考，以期提高學生解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］ 星三角啟動電路；選型計算；測控課程；教學思考

［基金項目］ 2021年度江蘇高校“青藍工程”資助（蘇教師函〔2021〕11號）；2021年度教育部產學合作協同育人項目“機器人運動控制與系統集成課程改革建設”（202102038007）

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

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ 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，對于大多數機械工程、電氣工程等專業背景的技術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的降壓啟動方式已經在各類教科書以及工程實踐中得到廣泛使用。筆者發現，絕大多數的技術人士會參照技術資料在工程實踐中成功使用星三角啟動電路，但是當問及如何進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驗進行大概估算選型，在實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，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，造成控制箱爆炸等工業事故。

在對學生的調研中，很多只知道星三角啟動電路是電機進行降壓啟動使用的，卻不清楚其中的電壓、電流等具體的計算關系。筆者在歷年指導本科生畢業設計的過程中發現，大多數學生能夠給出星三角啟動的原理圖，但是對于其中的數值關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星三角啟動電路，在當前工程專業認證視域下，以學生為中心，談談測控工程專業相關課程的教學過程中的一些想法，以期提高學生運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

對于大多數的電氣工程師和非專業人員而言，都有一個經驗性的慣性思維，電機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，待轉速接近額定轉速時再換接成三角形，使電動機全壓運行。采用這種啟動方法，啟動電流較小，啟動轉矩也較小，所以一般適用于正常運行為三角形接法、容量較小的電動機作空載或輕載啟動，也可頻繁啟動，啟動電流為角接時的三分之一。

但是，多大功率的電機需要用星三角啟動電路來實現降壓啟動呢？筆者通過調研發現，很多工程師和初學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，對于具體多大數值功率的電機需要降壓啟動表示不清楚，有人說是5 kW，也有人認為是15 kW，筆者甚至見過45 kW電機全壓啟動的情況，理由是規范沒有強制要求。對于這個問題，首先我們需要了解一下相關規范，《民用建筑電氣設計規范》JGJ/T16-2008中的第9.2.2中對電機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）機械能承受電動機全壓啟動時的沖擊轉矩；（2）電動機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考慮）也就是約為323 V；（3）電動機啟動時，應不影響其他負荷的正常運行；（4）制造廠對電動機的啟動方式無特殊要求。

因此，究竟多大功率的電機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《民用建筑電氣設計規范》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則自然有了用武之地。例如，5 kW的電動機就有使用星三角啟動的案例，如果5 kW電動機直接啟動，則其周圍的燈具就會瞬間變暗，當對照明光線有穩定要求的情況下，為了不影響周圍其他負載正常工作，此時5 kW電動機就采用了星三角降壓等啟動方式。所以，需要根據全壓啟動條件，因時因地制宜，通過合理規范的計算，來確定是否啟用星三角啟動電路。當然，也可以給大家一個大概的參考值，就是電機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，其他設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電機的星三角啟動電路的選型計算為例，根據星三角啟動原理，圖1與圖2均為可實現降壓啟動的電路圖［1-2］，但是，在實際的工程應用中，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，FR1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，下面以此為區分，給出各接觸器的選型計算。

根據電機功率75 kW，三相電壓380 V進行選型計算。三相異步電機采用星形連接時，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。因為U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。搞清楚了上述關系后，便可根據公式I角線=P/（1.732×U角線×cosΦ），其中cosΦ為電機功率因素，取0.8，可以計算出I角線=142.44 A，進而求得I角相=82.24 A。而I角相=1.732×I星相，則I星相=47.48 A。

根據以上計算結果可知，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值約為三角形連接時線電流的三分之一，達到了降低啟動電流的目的。

對于各接觸器的選型，在工程實踐中經常發現，很多電氣工程師僅僅通過簡單的估算，選取更大參數規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，沒有考慮流經各接觸器的準確電流大小，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，電路出現故障沒有及時響應，造成電機及相關設備的損毀。為此，筆者提出，星三角啟動電路的原理雖然很簡單，但是，在工程實際應用中，工程師們需要做必要的準確計算，根據詳細計算結果來進行選型。

對于圖1給出的電路圖，流經星接觸器KM2的電流為相電流I星相=47.48 A，流經主接觸器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、角接觸器的型號規格低，不需要與其規格一致，要在選型時考慮，達到降低成本的目的。

而對于圖2所示的電路圖，流經星接觸器KM2的電流為相電流I星相=47.48 A，流經角接觸器KM3的電流為相電流I角相=82.24 A，流經主接觸器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了較大的增幅，還造成了熱繼電器規格與成本的增高。因此，在實際的工程設計過程中，應選擇圖1的星三角降壓啟動電路，并根據嚴格的選型計算來確定各主要器件的規格大小，達到最優選型、最低成本的目的。

三、教學思考

（一）專業知識的傳授

解決一個問題，必須有專業知識的支撐。而在高校專業課的授課過程中，各門課程分學期分類授課，造成了知識點傳授的時空分散，很多學生不明白該門課程學了有什么用，造成了當前工科學生無法靈活運用知識解決相應的工程問題。因此，教師需要做好學生的課程引領人，在學習知識之前，提前告知學生所學內容在未來工程實踐中的作用，以激發學生的學習興趣，打好知識基礎。

（二）積極培養學生問題分析的能力

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是什么，需要根據三相繞組星形和三角形的不同連接方式，通過電工學原理進行關鍵環節的識別、描述、分析、計算，進而通過可靠的數值比較，得出有效的工程結論，在此基礎上，獲得了各主要接觸器的選型依據，同時也通過比較獲得了圖1更為經濟適用的結論。因此，在測控工程相關專業的人才培養環節中，尤其在課程設計、畢業設計等主要環節，教師要積極培養學生應用數學、自然科學及工程科學的基本原理與知識，對復雜工程問題進行識別、描述、分析、比較，獲得有效結論并判斷其合理性。

（三）積極培養學生設計/開發解決方案的能力

要培養學生對測控系統與儀器復雜工程問題進行需求分析、提出解決方案、設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需要降壓啟動？此時，根據不同的運行工況特性，結合全壓啟動條件，便可分析得出啟動方案。

（四）積極培養學生使用現代工具的能力

對于工具的選擇，尤其是選擇更為高效、專業的現代工具，對于問題的解決有很大的推進作用。對此問題，筆者有更深的體會，以電路圖的繪制工具來說，筆者學生時代一直采用Autocad軟件，但電路圖的質量難以提高。在近幾年的項目開發中，筆者摒棄了Auotocad，選用了EPLAN專業電路制圖軟件，通過調用規范國標庫的各種電氣符號，結合EPLAN專業電路制圖的優勢，大大節約了制圖時間，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）積極培養學生職業規范與項目管理的能力

要培養學生在測控系統與儀器工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范。比如，在本文星三角啟動電路的案例中，就需要遵守《民用建筑電氣設計規范》，并根據規范來達成項目方案的制訂。需要培養學生項目管理的能力，尤其是成本控制，不同的項目方案，原理一致，工程均可實現，但是成本不一樣，這也是學生需要培養的意識之一。

結語

本文基于傳統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，進一步根據75 kW電機的星三角降壓啟動電路的選型計算案例，詳細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，并對比分析確定了星三角降壓啟動的最優電路圖。進一步結合案例分析，在當前“工程專業認證”視域下，討論了有關知識傳授、問題分析、提出方案、職業規范和成本控制等一系列的測控課程教學思考，以期提高學生解決復雜工程問題的能力。

參考文獻

［1］尹華杰.電子電氣工程師必知必會［M］.2版.北京：人民郵電出版社，2010：34-36.

［2］韓雪濤，韓廣興，吳瑛.雙色圖解電工基礎線路［M］.北京：人民郵電出版社，2012：159-162.