Электрические машины

Я

СИБИРСКИЙ ФВДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
SIBERIflfl FEDERAL UfllVERSITY 

В учебном пособии излагаются принципы устройства электрических машин, физические и теоретические 
основы электромеханического преобразования энергии 
в электрических машинах, анализируются режимы их 
работы, рассматриваются их потребительские и эксплуатационные свойства. 

00 
о ч о го 
о 

СО 
m 
7^ 

.С 
гп 
о 

А. Л. Встовский 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
МАШИНЫ 

Учебное 
пособие 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. Л. Встовский 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  МАШИНЫ 
 
 
Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский 
энергетический институт» (Технический университет) в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 140400 – «Электроэнергетика и электротехника», 09.09.11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2013 

УДК 621.311 (07) 
ББК  31.261я73 
В 858 
 
 
Рецензенты: 
В. Я. Беспалов, д-р техн. наук, проф. Московского энергетического 
института (Технического университета);  
В. Н. Тимофеев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедры «Электротехнология и электротехника»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Встовский, А. Л. 
В 858 
 Электрические машины: учеб. пособие. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2013. – 464 с.  
ISBN 978-5-7638-2518-3 
 
 
В учебном пособии излагаются принципы устройства электрических машин, физические и теоретические основы электромеханического преобразования энергии в электрических машинах, анализируются режимы их работы, 
рассматриваются их потребительские и эксплуатационные свойства. 
Предназначено для студентов укрупненной группы направления 140400 
«Энергетика и электротехника» подготовки бакалавров и может быть полезным для дипломированных специалистов и магистров, обучающихся по 
направлению 140400 «Энергетика и электротехника». 
 
УДК 621.311 (07) 
ББК  31.261я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2518-3 
© Сибирский федеральный  
университет, 2013 

Введение 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Из всех видов энергии электрическая энергия наиболее легко доставляется, регулируется и преобразуется в другие виды энергии. Основная ее 
часть вырабатывается на основе электромеханического преобразования 
энергии. Для этой цели служат генераторы, превращающие подводимую 
механическую энергию в электрическую. При росте потребления электрической энергии – он удваивается примерно через каждые десять лет – 
стремление снизить ее стоимость обусловило рост единичной мощности генераторов, которая превысила уже 1000 МВт и продолжает расти. Свыше 
половины вырабатываемой энергии преобразуется в механическую с помощью электродвигателей. Высокие регулировочные характеристики, простота доставки к рабочему механизму, быстродействие, экологичность – вот 
неполный перечень показателей, обеспечивших им широкое применение 
в приводах самых различных механизмов в промышленности, транспорте, 
бытовой и медицинской технике и т. д. Преимуществом электрических 
машин является высокий КПД, достигающий в машинах большой мощности 95–99 %. 
Электромеханическое преобразование энергии является основой современных технологий, масштабы его применения растут и сопровождаются многообразием способов реализации. Для передачи электроэнергии 
на большие расстояния применяют трансформаторы, повышающие напряжение генераторов электростанций с целью снижения потерь энергии 
в линиях электропередач и уменьшающие его для возможности использования потребителем. Трансформаторы – это статические электромагнитные 
аппараты, не имеющие вращающихся частей. Однако в их принципе действия,  устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, поэтому их изучают в дисциплине «Электрические машины». 
Как показывает многолетний опыт автора, наиболее трудными для 
понимания и усвоения являются взаимосвязанные явления и процессы 
электромеханического преобразования энергии, происходящие в электрических машинах, системах электрического привода. Поэтому основная задача автора заключалась в том, чтобы в доступной форме, просто и понятно, но на достаточном теоретическом уровне в объеме, определяемом Государственным образовательным стандартом для подготовки бакалавров 
(проект ГОС ВПО 3), изложить материал по указанным вопросам. 
Методически пособие выстроено таким образом: сначала рассматриваются физические процессы преобразования энергии, а затем дается их 
математическое описание. По мнению автора, такое построение способствует лучшему пониманию материала будущими специалистами, призван

Введение 

4 

ными обслуживать электрические машины, производить выбор и ремонт 
электрооборудования. При разработке новых электрических машин или их 
эксплуатации такое базовое образование позволит специалисту продолжить 
обучение на второй ступени высшего образования или самостоятельно изучить необходимые разделы теории и практики электрических машин. 
Математическое описание электромеханических и электромагнитных процессов в электрических машинах и трансформаторах составлено 
с использованием современного математического аппарата через результирующие комплексные функции величин электрических цепей или через 
их проекции на оси пространственной комплексной плоскости. 
В пособии подробно рассмотрены принцип действия и особенности 
конструкции общепромышленных, некоторых специальных типов трансформаторов, машин переменного и постоянного тока. Приведен вывод основных формул и уравнений, необходимых для изучения особенностей рабочих режимов работы электрических машин и трансформаторов, а также 
возможных аварийных режимов, даются определение и вид их основных 
характеристик.  
В отдельные главы вынесены сведения об особенностях конструкции, области применения, основных характеристиках машин малой мощности, в основном применяемых в системах автоматики, телемеханики 
и вычислительной технике. Эти машины приводят во вращение всевозможные механизмы, обеспечивают работу следящих систем, дистанционное управление, регулирование и контроль, осуществляют различные 
преобразования механических величин в электрические виды, различные 
тригонометрические операции, позволяют производить электрическое 
интегрирование, дифференцирование и т. д. Применение этих машин еще 
раз доказывает многообразие и важность понимания процессов электромеханического преобразования энергии. 
Автор выражает надежду, что учебное пособие по изучению электрических машин и трансформаторов окажется полезным и понятным для 
студентов, и с благодарностью примет любые замечания и пожелания. 
 
 

1.  Общие  вопросы  теории  электрических  машин 

5 

1.  ОБЩИЕ  ВОПРОСЫ  ТЕОРИИ   
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  МАШИН 
 
 
1.1. Общие сведения по электрическим машинам 
 
В дисциплине «Электрические машины» изучаются основные законы электромеханического преобразования энергии, а также конструкция 
и принцип действия устройств, осуществляющих электромеханическое 
преобразование энергии. Такие устройства называются электромеханическими преобразователями (ЭМП) или электрическими машинами (ЭМ). 
Электрическая машина предназначена для преобразования энергии 
механической в электрическую (электрический генератор), электрической 
в механическую (электрический двигатель), а также электрической энергии в электрическую (трансформатор).  
Преобразование энергии в ЭМ может осуществляться магнитным полем 
(сама машина при этом называется индуктивной) или электрическим полем 
(машина называется ёмкостной). Возможно также совместное использование 
магнитного и электрического полей (индуктивно-ёмкостная машина). На 
практике наибольшее распространение получили индуктивные машины. Магнитное поле в индуктивных электрических машинах создается постоянными 
магнитами, постоянным или переменным токами, протекающими по обмоткам 
ЭМ. В обмотках машин переменного тока протекают активные и реактивные 
токи. Реактивные токи (реактивная мощность) создают магнитное поле, а активные токи определяют активную мощность машины. 
Для получения более сильных магнитных полей в ЭМ применяют 
ферромагнитные сердечники (магнитопроводы), являющиеся неотъемлемой частью машины. При переменных магнитных полях магнитопроводы 
выполняют из тонких листов электротехнической стали с целью уменьшения потерь энергии от вихревых токов и гистерезиса. 
Преобразование энергии в ЭМ неизбежно связано с потерями мощности (нагревом различных частей машины). При работе ЭМ нагреваются 
обмотки (электрические потери мощности), магнитопровод (магнитные 
потери мощности), а также вращающиеся части машины – вал, подшипники, вентиляционные лопатки (механические потери мощности). Поэтому 
коэффициент полезного действия (КПД) ЭМ не может быть равен 100 %: 
 

 
2

1
η
100 %
P
P
=
<
, 
(1.1) 

 
где P2 – выходная мощность ЭМ; P1 – входная мощность ЭМ.  

1.  Общие  вопросы  теории  электрических  машин 

6 

Для генераторов P1 – это механическая мощность, а P2 – электрическая мощность. Для двигателей P1 – это электрическая мощность, а P2 – 
механическая мощность. Для трансформаторов P1 и P2 – электрические мощности различных напряжений и токов. Но всегда выходная мощность P2 
меньше входной мощности на величину суммарных потерь мощности: 
 
 
1
2
р
P
P
=
−
∑
. 
(1.2) 
 
Коэффициент полезного действия электрической машины увеличивается с ростом мощности. Так у машин мощностью 10–50 Вт η = 20–40 %, 
машин мощностью 1 000 МВт и более достигает 99 %. Наибольшим КПД 
обладают неподвижные электрические машины – трансформаторы. 
В мощных трансформаторах η = 99,8 %. 
Все электрические машины по мощности условно можно разделить 
на следующие группы: 
1. Микромашины. Мощность до 600 Вт. 
2. Машины малой мощности. Мощность от 0,6 до 20 кВт. 
3. Машины средней мощности. Мощность от 20 до 250 кВт. 
4. Машины большой мощности. Мощность свыше 250 кВт. 
Наибольшие мощности в современных электрических машинах достигнуты в турбогенераторах. Мощность современных турбогенераторов 
достигает 1600 МВт. 
В процессе работы электрической машины её конструктивные элементы и узлы подвергаются тепловым, термомеханическим, электродинамическим, механическим и другим воздействиям, что при определенных 
условиях может привести к повреждению отдельных узлов и выходу из 
строя всей машины. Величина таких воздействий зависит от мощности P, 
частоты вращения n, вращающего момента на валу M2, тока в обмотках 
машины I, напряжения U. Каждой машине завод-изготовитель устанавливает номинальные значения 
,
н
P  
н
n , 
2н
M
, 
нI , 
н
U , при которых гарантируется работоспособность ЭМ в течение всего срока службы (срок службы 
ЭМ 15–20 лет). Обычно номинальные значения указываются на паспортной табличке машины. 
Все электрические машины обладают принципом  обратимости. 
Этот принцип обусловлен универсальностью магнитного поля как энергоносителя. Любой генератор может работать в режиме двигателя, а любой 
двигатель может работать в режиме генератора. Любой трансформатор 
может работать как повышающий или как понижающий. Однако каждая 
ЭМ проектируется для работы в одном определенном режиме. Этим добиваются наилучшего использования материалов машины, т. е. получают 
наибольшую мощность на единицу массы машины. 

1.  Общие  вопросы  теории  электрических  машин 

7 

1.2. Классификация электрических машин 
 
Классификацию электрических машин проведем по назначению, 
а также по роду тока и принципу действия. 
По назначению ЭМ делятся на следующие виды: 
1. Электрические генераторы. Преобразуют механическую энергию 
вращательного движения в электрическую энергию. Механическая энергия 
подводится к валу генератора от приводного двигателя или приводной 
турбины. В качестве приводного двигателя используют электрические 
двигатели постоянного либо переменного тока или двигатели внутреннего 
сгорания. Приводная турбина приводится во вращение потоком воды, паром или газом. Генераторы устанавливают на электростанциях (стационарных и передвижных), различных транспортных установках (автомобили, самолеты, поезда, корабли и т. д.). Генераторы используют также в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики, 
измерительной техники. 
2. Электрические двигатели. Преобразуют электрическую энергию, 
потребляемую от источника питания, в  механическую энергию вращательного или поступательного движения. Электрические двигатели приводят во вращение различные механизмы и устройства в промышленности, 
сельском хозяйстве, на транспорте, в военном деле, системах автоматики 
и бытовой электротехнике. 
3. Трансформаторы. Повышают или понижают напряжение переменного тока, изменяют число фаз и преобразуют частоту переменного тока. Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения 
электроэнергии переменного тока и напряжения, преобразовательной технике, различных технологических установках (сварочных, электропечных), 
устройствах автоматики и связи, измерительных устройствах. 
4. Электромашинные преобразователи. Преобразуют переменный 
ток в постоянный и, наоборот, изменяют значения напряжения постоянного и переменного тока, частоту, число фаз.  
5. Электромашинные усилители. Усиливают электрические сигналы малой мощности за счет подаваемой на вал усилителя механической 
энергии. 
В настоящее время электромашинные преобразователи и электромашинные усилители в промышленности и на транспорте применяются 
всё реже, так как их роль выполняют статические полупроводниковые 
преобразователи. Однако в военном деле и спецтехнике электромашинные 
усилители и преобразователи по-прежнему используются широко, так как 
обладают значительно большей радиационной устойчивостью, чем полупроводниковые устройства. 

1.  Общие  вопросы  теории  электрических  машин 

8 

6. Электромашинные компенсаторы. Осуществляют генерирование 
или потребление реактивной мощности в электрических установках для 
улучшения электрических показателей источников и приемников электрической энергии. 
По роду тока и принципу действия электрические машины делятся 
на машины переменного и постоянного тока. 
Машины переменного тока в зависимости от электромагнитной схемы делятся на трансформаторы, асинхронные, синхронные и коллекторные машины. 
Трансформаторы – статические электромагнитные преобразователи 
энергии переменного тока. Обмотки трансформаторов относительно друг 
друга в процессе работы неподвижны. Преобразование энергии в трансформаторах осуществляется за счет меняющегося потокосцепления между 
обмотками. 
Асинхронные и синхронные машины выполняются с неподвижной 
обмоткой статора и вращающейся обмоткой ротора. В машинах переменного тока магнитное поле статора, созданное токами его обмотки, вращается с частотой вращения 
1n  (об/мин). 
 

 
1
1
60 f
n
p
⋅
=
, 
(1.3) 

 
где 
−
1f
промышленная частота сети (для России и большинства стран мира 
50
=
1f
 Гц); p – число пар полюсов (количество пар электромагнитов 
или магнитов).  
В синхронных машинах ротор вращается с частотой вращения n, равной частоте вращения магнитного поля: 
 
 
1n
n
=
. 
(1.4) 
 
Синхронные машины применяются в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электростанциях и в автономных 
энергетических установках. Синхронные двигатели применяются в электроприводах большой мощности при постоянной частоте вращения приводного механизма. Кроме того, синхронные машины применяют как компенсаторы реактивной мощности. 
В асинхронных машинах частоты вращения ротора и магнитного поля статора отличаются на величину скольжения s: 
 
 
1 (1
)
n
n
s
=
⋅
−
. 
(1.5) 
 

1.  Общие  вопросы  теории  электрических  машин 

9 

Величина скольжения s в трехфазных асинхронных машинах не превышает 1–3 %. 
Асинхронные машины используют в основном в качестве электрических двигателей промышленных и бытовых электроприводов. Асинхронные двигатели потребляют более половины всей электроэнергии, вырабатываемой синхронными генераторами. В режиме генераторов асинхронные 
машины используют преимущественно в автономных энергетических установках сравнительно малой мощности совместно с батареей конденсаторов (для создания магнитного поля).  
Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхронных и синхронных машин наличием коллектора, который соединен с обмоткой статора или ротора. Коллектор в машинах переменного тока является механическим преобразователем частоты и числа фаз. За счет коллектора частота вращения ротора коллекторных машин переменного тока значительно выше, чем асинхронных и синхронных машин. Такие машины 
применяются в качестве двигателей быстроходных электроприводов небольшой мощности, главным образом в бытовой электротехнике. 
Машины постоянного тока (МПТ) делятся на коллекторные и бесконтактные. 
Коллектор в МПТ – это механический выпрямитель (в генераторах 
постоянного тока) или механический инвертор (в двигателях постоянного 
тока). Генераторы постоянного тока применяют для питания двигателей 
постоянного тока и в качестве возбудителей или подвозбудителей синхронных генераторов. Двигатели постоянного тока позволяют осуществлять плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широком 
диапазоне. Такие двигатели находят применение в электроприводах прокатных станов, металлообрабатывающих станков, электрического транспорта и других системах автоматизированного электропривода. 
Бесконтактные машины постоянного тока – это униполярные (однополярные) низковольтные генераторы постоянного тока и бесконтактные 
двигатели постоянного тока. Бесконтактные двигатели постоянного тока 
еще называются вентильными двигателями. В таких двигателях роль коллектора выполняет статический полупроводниковый коммутатор, управляемый датчиком положения ротора (фототранзисторы, электромагнитные 
датчики или элементы Холла).  
Закономерности преобразования энергии в индуктивных ЭМ определяются физическими законами, устанавливающими связи между различными величинами и параметрами электрических, магнитных и механических процессов. Важнейшими законами, определяющими работу любой 
электрической машины, являются законы электромагнитной индукции 
(в формулировке М. Фарадея и в формулировке Д. Максвелла) и закон электромагнитных сил (закон Ампера). В процессе изучения ЭМ необходимо