一種大功率電機(jī)星三角減壓起動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性分析＊

魏國(guó)蓮

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 海東810799）

高職“電氣控制技術(shù)”課程主要培養(yǎng)學(xué)生的繼電-接觸器控制電路裝調(diào)與維修，低壓電器的識(shí)別、選型、安裝能力，電氣控制電路的接線、調(diào)試能力和線路故障檢修能力。課程中，三相異步電動(dòng)機(jī)星三角減壓起動(dòng)控制電路的裝調(diào)是必須要掌握的典型工作任務(wù)，也是維修電工技能認(rèn)定的重要考核項(xiàng)目。在高職院校教學(xué)過程中一般采用功率小于0.75 kW的電機(jī)進(jìn)行模擬運(yùn)行，而星三角減壓起動(dòng)控制電路主要用于功率大于10 kW以上電動(dòng)機(jī)的減壓起動(dòng)。小功率電動(dòng)機(jī)在教學(xué)應(yīng)用中雖然比較安全，但不能直觀地演示減壓起動(dòng)的效果和星三角轉(zhuǎn)換的過程。本文以11 kW三相籠型異步電動(dòng)機(jī)星三角降壓起動(dòng)控制電路裝調(diào)為例，介紹了基于企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)的一種大功率電動(dòng)機(jī)星三角降壓起動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的可靠性及常見故障的解決措施進(jìn)行了分析。

1 設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容

1.1 結(jié)合企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)實(shí)施過程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

高職教育教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)符合企業(yè)實(shí)際需求，能夠滿足用人單位工作崗位素養(yǎng)和技能要求的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。專業(yè)課程的教學(xué)要選擇企業(yè)典型工作任務(wù)，結(jié)合企業(yè)工作任務(wù)實(shí)施的過程開展“工學(xué)結(jié)合”的教學(xué)，既要培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能，還要讓學(xué)生掌握企業(yè)工作任務(wù)實(shí)施的工作過程，培養(yǎng)出受企業(yè)歡迎的人才。

大功率電動(dòng)機(jī)星三角降壓起動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以11 kW三相籠型異步電動(dòng)機(jī)星三角降壓起動(dòng)控制電路裝調(diào)為例，按照企業(yè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和流程，結(jié)合高職院校教育教學(xué)要求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括與企業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)一致的設(shè)計(jì)任務(wù)書（設(shè)計(jì)文件）和工藝文件、符合企業(yè)工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的電氣控制柜（板）、組合的星三角啟動(dòng)器、可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告。設(shè)計(jì)文件的內(nèi)容包括相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，控制系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)電氣原理圖，控制系統(tǒng)工作原理，控制容量計(jì)算和元器件選型、零部件材料明細(xì)表，關(guān)鍵件明細(xì)表、圖紙（包括電氣控制系統(tǒng)電氣原理圖、安裝布置圖、接線圖和組合的星三角啟動(dòng)器的零件圖、部件圖、裝配圖），質(zhì)量檢驗(yàn)要求，合格標(biāo)準(zhǔn)等。工藝文件的內(nèi)容包括工藝路線、工藝要求、安裝調(diào)試工藝圖、工藝卡片、零部件材料導(dǎo)線明細(xì)表、質(zhì)量檢查工藝流程等。電氣控制柜（板）為完成安裝和調(diào)試的電氣控制系統(tǒng)實(shí)物，該實(shí)物完全按照企業(yè)控制柜安裝的電氣規(guī)范和電氣標(biāo)準(zhǔn)要求安裝，既滿足控制要求，又能作為實(shí)訓(xùn)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模板。組合的星三角啟動(dòng)器實(shí)物主要是結(jié)合市場(chǎng)和企業(yè)實(shí)際需求，自主組裝完成的組合星三角啟動(dòng)器，用于向?qū)W生展示新產(chǎn)品、新工藝，并學(xué)習(xí)和掌握該產(chǎn)品的使用方法。

1.2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)突出教學(xué)功能，提高教學(xué)質(zhì)量

大功率電動(dòng)機(jī)星三角起動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在基于企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)實(shí)施的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)要求和教學(xué)規(guī)律，突出教學(xué)功能，滿足教學(xué)實(shí)訓(xùn)的演示功能，并作為標(biāo)準(zhǔn)模版和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過學(xué)習(xí)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文件，讓學(xué)生熟悉和掌握企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)實(shí)施的內(nèi)容和要求，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。通過使用該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工藝文件，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中既能掌握企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)的工藝流程和工藝要求，又有助于學(xué)生準(zhǔn)確把握和理解工藝規(guī)范和工藝要求。在工藝文件的設(shè)計(jì)上，采用實(shí)物圖和文字注釋結(jié)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(diǎn)解決在以往學(xué)習(xí)過程中存在的原理圖不易理解、安裝接線時(shí)不會(huì)按圖接線、接線不規(guī)范、不能按照工藝要求和工藝規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試檢修等問題。學(xué)生在安裝接線過程中，對(duì)照工藝文件與安裝接線規(guī)范要求，在學(xué)習(xí)電氣安裝接線之初，將該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為模板。學(xué)生通過模仿并結(jié)合教師的講解進(jìn)行操作，即按照標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)范進(jìn)行技能訓(xùn)練，又在實(shí)際操作中理解標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的理論要求，通過理論指導(dǎo)實(shí)踐，在實(shí)踐過程中理解掌握理論知識(shí)，該階段處于模仿操作階段。

經(jīng)過多個(gè)任務(wù)的實(shí)施，學(xué)生逐漸掌握和理解了操作規(guī)范及要求，在后續(xù)的任務(wù)實(shí)施中開展工藝路線和工藝流程的自主設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生工藝設(shè)計(jì)的能力，該階段為知識(shí)的運(yùn)用階段和能力的提升階段。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的演示功能能夠使學(xué)生直觀地觀察大功率電動(dòng)機(jī)星三角減壓起動(dòng)的過程，理解工作原理，掌握工作過程。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為對(duì)學(xué)生開展考核評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，更有說服力，能更進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和有效性。在實(shí)踐教學(xué)中采用該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)有效提升了教學(xué)質(zhì)量，取得了較好的效果。

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 星三角減壓起動(dòng)控制電路的工作過程

常用的星三角減壓起動(dòng)控制電路如圖1所示。電路的工作過程為合上刀開關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕SB2，KM△、KMY接觸器和KT時(shí)間繼電器線圈得電，KM△和KMY接觸器主觸點(diǎn)接通，電動(dòng)機(jī)定子繞組星型連接，電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)。KT延時(shí)斷開常閉觸點(diǎn)按設(shè)定的時(shí)間延時(shí)后斷開，KMY接觸器線圈失電，KMY接觸器主觸點(diǎn)斷開，之后KT延時(shí)接通常開觸點(diǎn)按設(shè)定的時(shí)間延時(shí)后閉合，KM△接觸器線圈得電，KM△接觸器主觸點(diǎn)接通。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組三角形連接，電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)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(dòng)控制可靠性的重要指標(biāo)是星形接法與三角形接法切換時(shí)主電路不發(fā)生短路。11 kW三相異步電動(dòng)機(jī)星三角減壓起動(dòng)采用CJ20-12接觸器控制主電路的切換，分析計(jì)算切換時(shí)間。由圖1所示的星三角減壓起動(dòng)控制電路原理圖可知，KMY星型接觸器線圈失電時(shí)間加主觸頭走完超行程后斷開的時(shí)間即為KMY接觸器釋放時(shí)間，用t1表示。KMY接觸器線圈失電時(shí)間加常閉輔助觸頭走完開距后接通的時(shí)間用t2表示，根據(jù)表1中接觸器觸頭參數(shù)可知，在正常狀態(tài)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(shù)

圖1 星三角減壓起動(dòng)控制電路原理圖

當(dāng)KMY星型接觸器輔助常閉觸頭經(jīng)t2后接通，KM△三角形接觸器線圈得電時(shí)間加主觸頭接通時(shí)間用t3表示，則KMY與KM△之間切換的時(shí)間為從KMY接觸器線圈失電開始計(jì)算到KMY接觸器輔助常閉觸點(diǎn)閉合，KM△接觸器線圈得電，主觸點(diǎn)接通的時(shí)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(shí)間

通過上述分析計(jì)算可知在接觸器觸頭彈簧力、線圈匝數(shù)、線圈電阻值在正常范圍內(nèi)時(shí)，KM△和KMY接觸器的切換不會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，星三角減壓起動(dòng)控制電路是可以可靠運(yùn)行的。

使用數(shù)字示波器測(cè)試CJ20-12接觸器組成的星三角實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)控制線路中KMY接觸器的釋放時(shí)間和KM△接觸器的吸合時(shí)間。測(cè)試步驟為：①接通電源；②接觸器線圈通電，示波器產(chǎn)生波形后按下STOP鍵；③展開記錄的波形并讀數(shù)；④重復(fù)進(jìn)行多次步驟②③并讀數(shù)。在實(shí)際控制電路中，由于接觸器制造時(shí)不同批次的產(chǎn)品因銜鐵、磁軛、線圈等磁系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件參數(shù)的差異以及觸頭彈簧、反力彈簧等觸頭系統(tǒng)關(guān)鍵零件尺寸的制造誤差，導(dǎo)致吸合時(shí)間會(huì)有小幅度波動(dòng)。通過測(cè)試，不同批次產(chǎn)品的吸合和釋放時(shí)間測(cè)試結(jié)果的平均值為：吸合時(shí)間20 ms，釋放時(shí)間10 ms。測(cè)試接線圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試接線圖

接觸器吸合時(shí)的觸頭會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)生觸頭彈跳，發(fā)生觸頭彈跳的主要原因是觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)的電動(dòng)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(dǎo)致個(gè)別觸頭彈簧力偏小，導(dǎo)致觸頭異常振動(dòng)，觸頭吸合后有多次短時(shí)彈開現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品吸合時(shí)間較長(zhǎng)。通過篩選彈簧力在產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的觸頭彈簧，嚴(yán)格控制觸頭彈簧力的檢測(cè)，使觸頭彈簧參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，不再出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象。

3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行故障及解決措施

3.1 按下起動(dòng)按鈕接觸器不動(dòng)作

首先檢查主電路，在斷路器閉合的前提下，用電壓表測(cè)量電源電壓，判定電源電壓是否正常；用電壓表測(cè)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(cè)量法檢測(cè)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(fù)位，測(cè)量熱繼電器的常閉觸點(diǎn)在復(fù)位狀態(tài)是否通路。判斷測(cè)量接觸器電磁線圈的電阻是否損壞。

3.2 按下起動(dòng)按鈕后電機(jī)運(yùn)行，松開電機(jī)停止

測(cè)量停止按鈕常閉端是否通路，若不通則拆開按鈕，清理觸點(diǎn)或更換按鈕；檢查KM接觸器常開輔助點(diǎn)在閉合狀態(tài)時(shí)是否通路，若不通則拆開清理觸點(diǎn)或更換接觸器，或用外加常開輔助觸頭的常開輔助觸點(diǎn)替換；檢查KM接觸器起動(dòng)按下時(shí)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(dòng)導(dǎo)致的常開觸點(diǎn)無法閉合，需拆開清理或更換接觸器。

3.3 按下起動(dòng)按鈕后接觸器動(dòng)作，但電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)

檢查主回路KM接觸器主觸點(diǎn)和熱過載繼電器主回路，確認(rèn)電動(dòng)機(jī)電源線是否有掉線斷開的現(xiàn)象；檢查KMY接觸器是否正常；檢查時(shí)間繼電器是否正常工作，時(shí)間繼電器的常閉觸點(diǎn)是否導(dǎo)通；檢查KMY接觸器線圈是否燒壞，KM△接觸器的常閉觸點(diǎn)是否通路。

3.4 三角形起動(dòng)運(yùn)行未切換

檢查時(shí)間繼電器二次起動(dòng)輸出是否正常，檢查KMY接觸器常閉輔助觸點(diǎn)是否通路，檢查KM△接觸器的主觸點(diǎn)是否燒壞，檢查時(shí)間繼電器延時(shí)時(shí)間是否設(shè)置太短，電機(jī)負(fù)荷過重。

3.5 星三角切換時(shí)KM△接觸器主觸頭出現(xiàn)火花

如果轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置過短，電動(dòng)機(jī)星形起動(dòng)沒有完成，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也還沒有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流還很大的時(shí)候進(jìn)行切換，則KM△接觸器所承受的電流依然是起動(dòng)電流，而產(chǎn)生打火；星三角起動(dòng)時(shí)間與電動(dòng)機(jī)功率和起動(dòng)負(fù)荷有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

大功率電動(dòng)機(jī)星三角起動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于企業(yè)工作典型任務(wù)實(shí)施過程，引入企業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件和工藝文件，能讓學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)企業(yè)工作任務(wù)實(shí)施過程，了解和認(rèn)識(shí)企業(yè)電氣控制電路安裝與調(diào)試工作任務(wù)實(shí)施的要求、工藝路線、工藝規(guī)范和工作標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合高職院校學(xué)生學(xué)情和教育教學(xué)的規(guī)律開展教學(xué)任務(wù)實(shí)施，完善教學(xué)中的教學(xué)演示、操作模板和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，更直觀地展示星三角減壓起動(dòng)控制運(yùn)行的過程和切換的現(xiàn)象，使學(xué)生更易于理解工作原理，更好地掌握安裝調(diào)試的工藝規(guī)范和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，使評(píng)價(jià)考核更有針對(duì)性、更加客觀，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用效果良好。