Электрические машины

А. В. Дробов, В. Н. Галушко

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Допущено Министерством образования Республики 
Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся 

учреждений образования, реализующих образовательные 

программы среднего специального образования 

по специальностям «Монтаж и эксплуатация 

электрооборудования (по направлениям)», «Городской 

электрический транспорт», «Техническое обслуживание 
технологического оборудования и средств робототехники 
в автоматизированном производстве (по направлениям)», 

«Производство и техническая эксплуатация приборов 

и аппаратов», «Техническое обслуживание кинооборудования 

и аудиовизуальных систем»

Минск
РИПО
2015

УДК 621.313(075.32)
ББК 31.261я723

Д75

А в т о р ы :

преподаватель филиала «Гомельский государственный политехнический 

колледж» УО «Белорусский государственный технологический 

университет», магистр технических наук А. В. Дробов; 

доцент кафедры «Электротехника» УО «Белорусский государственный 

университет транспорта», кандидат технических наук, доцент В. Н. Галушко.

Р е ц е н з е н т ы :

цикловая комиссия по специальностям «Мехатроника», «Автоматизация 

технологических процессов и производств», «Микроэлектроника» 

УО «Минский государственный колледж электроники» (Е. И. Тарасова);
исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Электроснабжение» 
УО «Белорусский государственный аграрный технический университет», 

кандидат технических наук, доцент В. М. Збродыга.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее ча
сти не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования 

Республики Беларусь.

Дробов, А. В.

Д75
Электрические машины : учеб. пособие / А. В. Дробов, В. Н. Га
лушко. – Минск : РИПО, 2015. – 292 с. : ил.

ISBN 978-985-503-540-5.

Учебное пособие содержит теоретические сведения, описание конструкции 

и анализ свойств трансформаторов и электрических машин. Иллюстрации, 
контрольные вопросы и задания помогут обучающимся в изучении представленного материала.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образо
вания по специальностям «Монтаж и эксплуатация электрооборудования (по 
направлениям)», «Городской электрический транспорт», «Техническое обслуживание технологического оборудования и средств робототехники в автоматизированном производстве (по направлениям)», «Производство и техническая 
эксплуатация приборов и аппаратов», «Техническое обслуживание кинооборудования и аудиовизуальных систем».

УДК 621.313(075.32)
ББК 31.261я723

ISBN 978-985-503-540-5 
© Дробов А. В., Галушко В. Н., 2015
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие написано в соответствии с учебной про
граммой учебной дисциплины «Электрические машины» и 
содержит основы теории, описание конструкции и анализ 
эксплуатационных свойств трансформаторов и электрических 
машин, а также примеры решения задач, что должно способствовать лучшему пониманию учебного материала.

Пособие состоит из пяти глав: машины постоянного тока, 

трансформаторы, бесколлекторные машины, асинхронные 
машины, синхронные машины.

В первой главе рассматриваются машины постоянного 

тока, которые используются в генераторном и двигательном 
режимах. Наибольшее применение двигатели постоянного 
тока получили в тяговых двигателях транспортных средств, 
приводах устройств автоматики, станков и пр.

Во второй главе даются сведения о трансформаторах, 

которые применяются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к потребителям, различных 
электроустановках (нагревательных, сварочных, выпрямительных), в системах автоматики и телемеханики и т. п.

В третьей главе рассматриваются вопросы теории бескол
лекторных машин.

Материалы четвертой главы касаются асинхронных дви
гателей – основных потребителей электрической энергии на 
промышленных предприятиях. 

В пятой главе рассматриваются синхронные машины, 

широко применяемые в качестве генераторов и двигателей.

Основное внимание в учебном пособии уделяется рас
крытию физической сущности явлений и процессов, определяющих работу трансформаторов и электрических машин.

ВВЕДЕНИЕ

Электрификация – это широкое внедрение в промышлен
ность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической 
энергии, вырабатываемой на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрификация осуществляется посредством электро
технических изделий, производством которых занимается 
электротехническая промышленность. Основной отраслью 
последней является электромашиностроение, занимающееся 
разработкой и производством электрических машин и трансформаторов.

Электрическая машина представляет собой электромеха
ническое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электрическая 
энергия вырабатывается на электростанциях электрическими 
машинами – генераторами, преобразующими механическую 
энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 
80 %) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при 
сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) вода нагревается и переводится в пар высокого давления. Последний 
подается в турбину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в 
механическую). Вращение ротора турбины передается на вал 
генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных 
процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс производства электроэнергии на атомных элек
тростанциях аналогичен, с той лишь разницей, что вместо 
химического топлива используется ядерное.

Введение

Процесс выработки электроэнергии на гидравлических 

электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее 
колесо гидротурбины; получаемая при этом механическая 
энергия путем вращения колеса турбины передается на вал 
электрического генератора, в котором механическая энергия 
преобразуется в электрическую.

В процессе потребления электрической энергии проис
ходит ее преобразование в другие виды энергии – тепловую, 
механическую, химическую. Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, 
транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами – электродвигателями.

Электродвигатель – основной элемент электроприво
да рабочих машин. Хорошая управляемость электрической 
энергии, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдельные звенья рабочей машины приводятся в движение самостоятельными двигателями. 
Многодвигательный привод значительно упрощает механизм 
рабочей машины (уменьшается число механических передач, 
связывающих отдельные звенья машины) и создает бо́льшие 
возможности автоматизации различных технологических 
процессов. Электродвигатели широко применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электро
станциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые 
удалены от мощных электростанций на сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. 
Ее необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей (промышленные предприятия, транспорт, 
жилые здания и т. д.). Передачу электроэнергии на большие 
расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 
500 кВ и более), что обеспечивает минимальные электриче

Введение

ские потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе 
передачи и распределения электрической энергии приходится 
неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, 
называемых трансформаторами. Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана 
с преобразованием электрической энергии в механическую 
и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, трансформатор – это статическое 
устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе 
электрических машин. Более того, электрическим машинам 
и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. По этим 
причинам трансформаторы составляют неотъемлемую часть 
курса электрических машин.

Отрасль науки и техники, занимающаяся развитием и 

производством электрических машин и трансформаторов, 
называется электромашиностроением. Теоретические основы 
электромашиностроения были заложены в 1821 г. английским 
ученым М. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механическую и создавшим 
первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии 
электромашиностроения имели работы британского физика, математика и механика Дж.К. Максвелла и российского физика Э.X. Ленца. Дальнейшее развитие идея взаимного 
преобразования электрической и механической энергии получила в работах русских ученых Б.С. Якоби и М.О. ДоливоДобровольского, которыми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического 
использования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их практическом применении принадлежат русскому 
изобретателю П.Н. Яблочкову. В начале XX в. были созданы 
все основные виды электрических машин и трансформаторов 
и разработаны основы их теории.

Введение

Дальнейший технический прогресс определяет в качестве 

приоритетной задачи закрепление успехов электромашиностроения путем практического внедрения последних достижений электротехники в реальные разработки механизмов 
электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники. Осуществление этого требует перевода производства на преимущественно интенсивный путь развития. 
Главная задача состоит в повышении темпов и эффективности 
развития экономики на базе ускорения научно-технического 
прогресса, технического перевооружения и реконструкции 
производства, интенсивного использования созданного производственного потенциала. Значительная роль в решении 
этой задачи отводится электрификации народного хозяйства.

При этом необходимо учитывать возрастающие экологи
ческие требования к источникам электроэнергии и наряду с 
традиционными способами развивать экологически чистые 
(альтернативные) способы производства электроэнергии с 
использованием энергии солнца, ветра, морских приливов, 
термальных источников. Широко внедряются автоматизированные системы в различные сферы народного хозяйства. 
Основным элементом этих систем является автоматизированный электропривод. Поэтому требуется опережающими темпами наращивать выпуск таких электроприводов.

В условиях научно-технического развития большое зна
чение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускаемых электрических машин и трансформаторов. 
Решение этой задачи является важным средством развития 
международного экономического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения и промышленные предприятия ведут работы по созданию новых видов электрических 
машин и трансформаторов, удовлетворяющих современным 
требованиям к качеству и технико-экономическим показателям выпускаемой продукции.

ГЛАВА 1. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока (МПТ) используются в режиме 

двигателя и генератора. В качестве источников энергии постоянного тока ранее обычно применялись генераторы постоянного тока (для питания электроприводов с широким регулированием частоты вращения, в промышленном электролизе, на 
судах, тепловозах и т. д.). В настоящее время они используются 
относительно мало, так как для получения энергии постоянного тока разработаны и широко применяются полупроводниковые преобразователи переменного тока в постоянный.

В режиме двигателя МПТ широко применяются на электро
транспорте (электровозы, троллейбусы, трамваи, электрокары 
и т. д.), так как позволяют в широких пределах регулировать частоту вращения, развивают большие пусковые моменты. Кроме этого, двигатели постоянного тока (ДПТ) применяются в подъемнотранспортных устройствах, для привода строгальных станков, 
прокатных станов, мощных металлорежущих станков и т. д.

В таблице 1.1 приведены характеристики некоторых элек
трических МПТ.

Таблица 1.1

Характеристики МПТ 

Назначение

Использо
вание
Р, кВт
I, А
U, В
Примечание

Двига
тели

Трамвай
40–50
75–100
550
Достоинства: 
1) широкое регулирование частоты 
вращения;
2) развивают 
большой пусковой 
момент

Электровоз
755–855 400–600 1500

Прокатный 
стан
11 500
11 500
1000

Атомоход 
«Ленин»
18 000
18 000
1000

1.1. Принцип действия машин постоянного тока

Назначение

Использо
вание
Р, кВт
I, А
U, В
Примечание

Генера
торы

Для электролиза
60–120
10 000
6–12 Чаще применяют 

генераторы переменного тока с выпрямителями

Тепловоз 
(старые модификации)

2700
3600
750

1.1. ПРИНцИП ДЕйСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

В генераторах постоянного тока (ГПТ) происходит пре
образование механической энергии в электрическую, снимаемую со щеток МПТ. Генератор приводится во вращение 
первичным двигателем, который является источником механической энергии. Работа генератора основана на явлении 
электромагнитной индукции.

Для пояснения принципа действия ГПТ рассмотрим ри
сунок 1.1. Основное магнитное поле создается полюсами N и 
S индуктора. Сердечники полюсов, якоря и станины являются частью магнитной цепи машины, через которые проходит 
основной магнитный поток, пересекая проводники якорной 
обмотки.

R
I

A

N

S
B
d

b

с

a

Рис. 1.1. Модель ГПТ

Представленная на рисунке 1.1 секция якорной обмот
ки состоит из одного витка. Концы секции подключены к 
простейшему коллектору, состоящему из двух полуколец, 
изолированных между собой. Щетки A и B прижимаются к 

Окончание табл. 1.1

Глава 1. Машины постоянного тока

полукольцам (пластинам коллектора), и к ним подключается 
электрическая нагрузка. 

При вращении якоря в витке будет наводиться перемен
ная ЭДС 

E = В l v sin α,
(1.1)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем; l – активная длина двух сторон витка (ab и 
cd); v – линейная скорость движения проводника; α – угол 
поворота витка относительно геометрической нейтрали (воображаемая линия, проходящая посередине между полюсами). 

Когда ток в сторонах витка меняет свое направление 

(рис. 1.2), при переходе их из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная 
с проводником, расположенным под северным полюсом, под 
нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, 
расположенным под южным полюсом, а направление тока 
во внешней цепи остается неизменным. Если обмотка якоря 
замкнута через внешнюю цепь, то в ней возникает ток Iа.

S
S

–Imax

+Imax

S
S
S

N
N
N
N
N

α = 360°

α, град

α = 270°
α = 180°
α = 90°
α = 0

А
А
А
А
А

B

i

0
90
180
270

Ток в витке 
якоря

Ток во внешней 
цепи

360

B
B
B
B
1

1

1

1

1
2
2

2

2

Рис. 1.2. Пример выпрямления тока коллектором

Для получения тока, близкого к постоянному, во внеш
ней цепи необходимо увеличить количество витков в обмотке 
якоря, равномерно распределить их по поверхности сердечника якоря и соответственно увеличить количество коллекторных пластин.