基于星三角启动电路的测控课程教学思考

［摘 要］ 基于传统的星三角降压启动电路，分析了星三角降压启动电路的原理、使用条件，针对75 kW电机的星三角降压启动电路的选型计算案例，详细计算了三相绕组星形连接和三角形连接时的相电压、线电压、相电流和线电流，得出了主接触器、星接触器和角接触器的选型依据，并对比分析确定了星三角降压启动的最优电路图。进一步结合案例分析，在“工程专业认证”视域下，讨论了有关知识传授、问题分析、提出方案、职业规范和成本控制等一系列测控课程教学思考，以期提高学生解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 星三角启动电路；选型计算；测控课程；教学思考

［基金项目］ 2021年度江苏高校“青蓝工程”资助（苏教师函〔2021〕11号）；2021年度教育部产学合作协同育人项目“机器人运动控制与系统集成课程改革建设”（202102038007）

［作者简介］ 姚建南（1988—），男，江苏通州人，博士，南通大学机械工程学院副教授，主要从事机电一体化及测控理论研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）15-0141-04 ［收稿日期］ 2023-02-14

引言

星三角启动电路，对于大多数机械工程、电气工程等专业背景的技术人士和师生来说并不陌生。星三角启动电路作为三相异步电动机的降压启动方式已经在各类教科书以及工程实践中得到广泛使用。笔者发现，绝大多数的技术人士会参照技术资料在工程实践中成功使用星三角启动电路，但是当问及如何进行星三角启动电路中的接触器和热继电器选型时，很多工程师会依赖既往的经验进行大概估算选型，在实际过程中或许不会出错，但有时会因接触器容量估算过高而造成大批量使用时的成本浪费，有时也会因接触器容量估算较小而埋入安全隐患，甚至有一些新手工程师因选型不当，造成控制箱爆炸等工业事故。

在对学生的调研中，很多只知道星三角启动电路是电机进行降压启动使用的，却不清楚其中的电压、电流等具体的计算关系。笔者在历年指导本科生毕业设计的过程中发现，大多数学生能够给出星三角启动的原理图，但是对于其中的数值关系以及选型计算不熟悉，甚至出错。因此，笔者萌生了基于传统星三角启动电路，在当前工程专业认证视域下，以学生为中心，谈谈测控工程专业相关课程的教学过程中的一些想法，以期提高学生运用工程知识解决工程问题的能力。

一、星三角启动电路的使用条件

对于大多数的电气工程师和非专业人员而言，都有一个经验性的惯性思维，电机功率大了需要用降压启动，即使不用变频器或软启动，至少也要用个星三角启动电路。星三角降压起动电路的原理是启动时将定子三相绕组作星形连接，以限制启动电流，待转速接近额定转速时再换接成三角形，使电动机全压运行。采用这种启动方法，启动电流较小，启动转矩也较小，所以一般适用于正常运行为三角形接法、容量较小的电动机作空载或轻载启动，也可频繁启动，启动电流为角接时的三分之一。

但是，多大功率的电机需要用星三角启动电路来实现降压启动呢？笔者通过调研发现，很多工程师和初学者只是定性地了解星三角启动电路适用于降压启动，防止电流冲击，对于具体多大数值功率的电机需要降压启动表示不清楚，有人说是5 kW，也有人认为是15 kW，笔者甚至见过45 kW电机全压启动的情况，理由是规范没有强制要求。对于这个问题，首先我们需要了解一下相关规范，《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-2008中的第9.2.2中对电机降压启动有比较全面的描述，大体归纳如下，如果想要全压启动，必须满足如下条件：（1）机械能承受电动机全压启动时的冲击转矩；（2）电动机启动时配电母线电压不宜低于额定电压的85%（按照不频繁启动的电机考虑）也就是约为323 V；（3）电动机启动时，应不影响其他负荷的正常运行；（4）制造厂对电动机的启动方式无特殊要求。

因此，究竟多大功率的电机匹配星三角降压启动电路的问题，就有了答案，就是如果不满足《民用建筑电气设计规范》中的全压启动条件，就需要使用降压启动电路，而星三角启动电路以简单易用的特点则自然有了用武之地。例如，5 kW的电动机就有使用星三角启动的案例，如果5 kW电动机直接启动，则其周围的灯具就会瞬间变暗，当对照明光线有稳定要求的情况下，为了不影响周围其他负载正常工作，此时5 kW电动机就采用了星三角降压等启动方式。所以，需要根据全压启动条件，因时因地制宜，通过合理规范的计算，来确定是否启用星三角启动电路。当然，也可以给大家一个大概的参考值，就是电机功率不大于变压器容量的20%，使用全压启动问题不大；但是还要考虑同一段母线内，其他设备是否对电压波动敏感。按照大家的思维惯性，大于15 kW的电机采用星三角、软启动器等降压启动也是没有什么问题的。

二、星三角启动电路的选型计算案例

以75 kW电机的星三角启动电路的选型计算为例，根据星三角启动原理，图1与图2均为可实现降压启动的电路图［1-2］，但是，在实际的工程应用中，两种方案是否均适用，下面给出分析论证。

图1和图2中，QF为断路器，KM1为主接触器，FR1为与主接触器配套的热继电器，KM2为星接触器，KM3为角接触器。图1与图2的区别在于，角接触器KM3分别位于主接触器KM1的入口和出口处，下面以此为区分，给出各接触器的选型计算。

根据电机功率75 kW，三相电压380 V进行选型计算。三相异步电机采用星形连接时，线电压的大小为相电压的倍，此时相电压为

220 V，线电流等于相电流；则U星线=380 V，U星相=220 V，I星线=I星相。三相异步电机采用三角形

连接时，线电压的大小等于相电压，此时相电压为380 V，线电流等于相电流的倍；则U角线=U角相=380 V，I角线=1.732×I星相。因为U角相=380 V=1.732×220 V=1.732×U星相，由于各相绕组的阻值一定，则得I角相=1.732×I星相。搞清楚了上述关系后，便可根据公式I角线=P/（1.732×U角线×cosΦ），其中cosΦ为电机功率因素，取0.8，可以计算出I角线=142.44 A，进而求得I角相=82.24 A。而I角相=1.732×I星相，则I星相=47.48 A。

根据以上计算结果可知，无论采用图1或是图2的电路连接方式，三相绕组采用星三角连接时，线电压为380 V，相电压为220 V，线电流为47.48 A，相电流为47.48 A；三相绕组采用三角形连接时，线电压为380 V，相电压为380 V，线电流为142.44 A，相电流为82.24 A。因此可以看出，采用星形连接时的线电流的数值约为三角形连接时线电流的三分之一，达到了降低启动电流的目的。

对于各接触器的选型，在工程实践中经常发现，很多电气工程师仅仅通过简单的估算，选取更大参数规格的器件来保证电气安全，主接触器、星接触器和角接触器均选一致型号，没有考虑流经各接触器的准确电流大小，这必然造成成本的增加，也带来了一定的安全隐患。比如，热继电器选型大了，电路出现故障没有及时响应，造成电机及相关设备的损毁。为此，笔者提出，星三角启动电路的原理虽然很简单，但是，在工程实际应用中，工程师们需要做必要的准确计算，根据详细计算结果来进行选型。

对于图1给出的电路图，流经星接触器KM2的电流为相电流I星相=47.48 A，流经主接触器KM1和角接触器KM3的电流为相电流I角相=82.24 A，以施耐德接触器为例，主接触器KM1和角接触器KM3可以选择额定电压380 V，额定电流95 A的接触器LC1D95Q7C，星接触器KM2可以选择额定电压380 V，额定电流65A的接触器LC1D65Q7C。由此可以看出，星接触器由于流经其的电流约为主、角接触器电流的1/，因此，星接触器的型号大小要比主、角接触器的型号规格低，不需要与其规格一致，要在选型时考虑，达到降低成本的目的。

而对于图2所示的电路图，流经星接触器KM2的电流为相电流I星相=47.48 A，流经角接触器KM3的电流为相电流I角相=82.24 A，流经主接触器KM1的电流为两倍的相电流（约为164.28 A），与图1方案对比，主接触器的规格增大一倍。而对于满足额定电流大于164.28 A的交流接触器，无论从体积还是成本都呈现了较大的增幅，还造成了热继电器规格与成本的增高。因此，在实际的工程设计过程中，应选择图1的星三角降压启动电路，并根据严格的选型计算来确定各主要器件的规格大小，达到最优选型、最低成本的目的。

三、教学思考

（一）专业知识的传授

解决一个问题，必须有专业知识的支撑。而在高校专业课的授课过程中，各门课程分学期分类授课，造成了知识点传授的时空分散，很多学生不明白该门课程学了有什么用，造成了当前工科学生无法灵活运用知识解决相应的工程问题。因此，教师需要做好学生的课程引领人，在学习知识之前，提前告知学生所学内容在未来工程实践中的作用，以激发学生的学习兴趣，打好知识基础。

（二）积极培养学生问题分析的能力

比如，在本文的星三角启动电路选型计算的案例分析中，根据降压启动原理，可以给出图1和图2两种电路方案图，但是，究竟哪一种电路图更适用，各个主要器件的选型依据是什么，需要根据三相绕组星形和三角形的不同连接方式，通过电工学原理进行关键环节的识别、描述、分析、计算，进而通过可靠的数值比较，得出有效的工程结论，在此基础上，获得了各主要接触器的选型依据，同时也通过比较获得了图1更为经济适用的结论。因此，在测控工程相关专业的人才培养环节中，尤其在课程设计、毕业设计等主要环节，教师要积极培养学生应用数学、自然科学及工程科学的基本原理与知识，对复杂工程问题进行识别、描述、分析、比较，获得有效结论并判断其合理性。

（三）积极培养学生设计/开发解决方案的能力

要培养学生对测控系统与仪器复杂工程问题进行需求分析、提出解决方案、设计满足特定需求的方案的能力。比如，在本文星三角启动电路的案例分析中，在何种情形下采用星三角启动电路，或是采用全压启动，5 kW、15 kW还是更高功率的电机需要降压启动？此时，根据不同的运行工况特性，结合全压启动条件，便可分析得出启动方案。

（四）积极培养学生使用现代工具的能力

对于工具的选择，尤其是选择更为高效、专业的现代工具，对于问题的解决有很大的推进作用。对此问题，笔者有更深的体会，以电路图的绘制工具来说，笔者学生时代一直采用Autocad软件，但电路图的质量难以提高。在近几年的项目开发中，笔者摒弃了Auotocad，选用了EPLAN专业电路制图软件，通过调用规范国标库的各种电气符号，结合EPLAN专业电路制图的优势，大大节约了制图时间，给解决方案的思考与完善腾出了更多的时间。因此，合理工具的选择很重要。

（五）积极培养学生职业规范与项目管理的能力

要培养学生在测控系统与仪器工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范。比如，在本文星三角启动电路的案例中，就需要遵守《民用建筑电气设计规范》，并根据规范来达成项目方案的制订。需要培养学生项目管理的能力，尤其是成本控制，不同的项目方案，原理一致，工程均可实现，但是成本不一样，这也是学生需要培养的意识之一。

结语

本文基于传统的星三角降压启动电路，分析了星三角降压启动电路的原理、特征以及使用条件，进一步根据75 kW电机的星三角降压启动电路的选型计算案例，详细计算了三相绕组星形连接和三角形连接时的相电压、线电压、相电流和线电流，通过电流计算得出了主接触器、星接触器和角接触器的选型依据，并对比分析确定了星三角降压启动的最优电路图。进一步结合案例分析，在当前“工程专业认证”视域下，讨论了有关知识传授、问题分析、提出方案、职业规范和成本控制等一系列的测控课程教学思考，以期提高学生解决复杂工程问题的能力。

参考文献

［1］尹华杰.电子电气工程师必知必会［M］.2版.北京：人民邮电出版社，2010：34-36.

［2］韩雪涛，韩广兴，吴瑛.双色图解电工基础线路［M］.北京：人民邮电出版社，2012：159-162.