Электрические машины

ǘǔǙǔǝǞǑǜǝǞǎǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ ǔ Ǚnjǟǖǔ ǜǠ 
 
ǠǑǐǑǜnjǗǨǙǚǑ ǏǚǝǟǐnjǜǝǞǎǑǙǙǚǑ njǎǞǚǙǚǘǙǚǑ ǚǍǜnjǓǚǎnjǞǑǗǨǙǚǑ ǟǣǜǑǒǐǑǙǔǑ  
ǎǧǝǤǑǏǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ  
«ǙnjǢǔǚǙnjǗǨǙǧǕ ǔǝǝǗǑǐǚǎnjǞǑǗǨǝǖǔǕ ǞǑǡǙǚǗǚǏǔǣǑǝǖǔǕ ǟǙǔǎǑǜǝǔǞǑǞ «ǘǔǝǴǝ» 
ǏǚǜǙǧǕ ǔǙǝǞǔǞǟǞ 
 
ǖǬȀDZǰǼǬ ȉǹDZǼǯDZǾǴǶǴ Ǵ ȉǹDZǼǯǺȉȀȀDZǶǾǴǮǹǺǽǾǴ 
ǯǺǼǹǺǵ ǻǼǺǸȇȄǷDZǹǹǺǽǾǴ 
 
 
 
Ǫ.ǎ. ǤDZǮȇǼȌǮ 
 
 
 
ǩǷDZǶǾǼǴȃDZǽǶǴDZ ǸǬȄǴǹȇ 
 
 
 
ǟȃDZǭǹǴǶ 
ǟǾǮDZǼDzǰDZǹǺ ǘDZǾǺǰǴȃDZǽǶǴǸ ǽǺǮDZǾǺǸ ǙǔǞǟ «ǘǔǝǴǝ» 
 
 
 
ǘǺǽǶǮǬ 2017 

УДК 621.313(075.8) 
 
Ш38 
Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. В.Я. Беспалов (НИУ «МЭИ»); 
д-р техн. наук, проф. О.В. Фёдоров (НГТУ им. Р.Е. Алексеева) 
Шевырёв Ю.В. 
Ш38  
Электрические машины : учеб. / Ю.В. Шевырёв. – М. : Изд. 
Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 261 с. 
ISBN 978-5-906846-50-1 
Приведены основные сведения по электрическим машинам. Рассмотрены 
устройство и принцип действия трансформаторов, электрических машин переменного и постоянного тока. Даны основы теории, рассмотрены характеристики и режимы работы электрических машин. Приведены краткие сведения об их применении на горных предприятиях. 
Для студентов специальностей 21.05.04 «Горное дело» (специализации 
«Электрификация и автоматизация горного производства», «Горные машины 
и оборудование», «Транспортные системы горного производства»); 23.05.01 
«Наземные транспортно-технологические средства»; по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль подготовки 
«Управление энергоресурсами предприятий, организаций и учреждений»). 
УДК 621.313(075.8) 
 
ISBN 978-5-906846-50-1 
” Ю.В. Шевырёв, 2017 
” НИТУ «МИСиС», 2017 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие 
.............................................................................................. 
7 
Введение .................................................................................................... 
8 
1. Трансформаторы 
................................................................................. 
12 
1.1. Назначение и принцип действия трансформаторов ................. 
12 
1.2. Конструкция трансформатора .................................................... 
14 
1.3. Схемы соединения обмоток трансформатора ........................... 
21 
1.4. Группы соединения обмоток трансформатора ......................... 
22 
1.5. Номинальные величины 
.............................................................. 
26 
1.6. Холостой ход трансформатора ................................................... 
27 
1.7. Режим нагрузки трансформатора 
............................................... 
31 
1.8. Приведение вторичной обмотки трансформатора 
к первичной ......................................................................................... 
34 
1.9. Векторная диаграмма трансформатора ..................................... 
36 
1.10. Схема замещения трансформатора .......................................... 
37 
1.11. Опыт холостого хода ................................................................. 
39 
1.12. Опыт короткого замыкания ...................................................... 
41 
1.13. Определение параметров схемы замещения ........................... 
45 
1.14. Внешние характеристики трансформатора ............................. 
45 
1.15. Коэффициент полезного действия трансформатора .............. 
46 
1.16. Регулирование вторичного напряжения трансформатора ..... 
48 
1.17. Параллельная работа трансформаторов .................................. 
49 
1.18. Многообмоточные трансформаторы ....................................... 
52 
1.19. Автотрансформаторы ................................................................ 
56 
1.20. Трансформаторы, применяемые в горной 
промышленности ................................................................................ 
59 
Контрольные вопросы 
........................................................................ 
60 
2. Машины переменного тока (общие вопросы) ................................. 
62 
2.1. Конструкция статора машин переменного тока ....................... 
62 
2.2. Число полюсов обмотки 
.............................................................. 
64 
2.3. Общая характеристика обмоток машин переменного тока ..... 
65 
2.4. Принцип образования трёхфазной обмотки 
.............................. 
68 
2.5. Пример построения обмотки машин ......................................... 
69 
2.6. Схемы соединения и обозначения выводов обмоток 
............... 
71 
2.7. Магнитодвижущая сила катушки, фазы и трёхфазной 
обмотки 
................................................................................................ 
74 
2.8. Электродвижущая сила фазы обмотки ...................................... 
79 
3 

2.9. Геометрический и электрический градусы ............................... 82 
Контрольные вопросы 
........................................................................ 82 
3. Асинхронные машины ....................................................................... 83 
3.1. Роль и значение асинхронных машин ....................................... 83 
3.2. Конструкция асинхронных двигателей ..................................... 83 
3.3. Принцип действия асинхронного двигателя 
............................. 87 
3.4. Паспортные данные асинхронного двигателя .......................... 90 
3.5. Переход от вращающегося ротора к эквивалентному 
неподвижному 
..................................................................................... 90 
3.6. Основные уравнения асинхронной машины 
............................. 93 
3.7. Приведение величин цепи ротора к обмотке статора .............. 95 
3.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя 
........................ 96 
3.9. Схемы замещения асинхронной машины ................................. 97 
3.10. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя 
............. 99 
3.11. Электромагнитный момент асинхронной машины .............. 101 
3.12. Максимальный электромагнитный момент .......................... 105 
3.13. Практическая формула для построения механической 
характеристики ................................................................................. 106 
3.14. Условия устойчивой работы электродвигателя 
.................... 107 
3.15. Опыты холостого хода и короткого замыкания ................... 109 
3.16. Рабочие характеристики двигателя 
........................................ 110 
3.17. Пуск трёхфазных асинхронных двигателей 
.......................... 111 
3.18. Асинхронные короткозамкнутые двигатели 
с улучшенными пусковыми характеристиками 
............................. 116 
3.19. Регулирование угловой скорости вращения 
асинхронных двигателей ................................................................. 119 
3.20. Стандартизация в области электрических машин 
................ 124 
3.21. Серии асинхронных электродвигателей. Асинхронные 
электродвигатели, применяемые в горной промышленности 
...... 131 
Контрольные вопросы 
...................................................................... 135 
4. Синхронные машины ....................................................................... 137 
4.1. Принцип действия синхронной машины 
................................. 137 
4.2. Конструкция синхронных машин ............................................ 139 
4.3. Системы возбуждения синхронных машин ............................ 142 
4.4. Номинальные данные синхронных машин ............................. 144 
4.5. Холостой ход синхронных генераторов .................................. 145 
4.6. Работа синхронного генератора под нагрузкой. 
Реакция якоря 
.................................................................................... 148 
4 

4.7. Векторная диаграмма неявнополюсного генератора 
без учета насыщения ........................................................................ 
154 
4.8. Метод двух реакций. Векторная диаграмма 
явнополюсного генератора без учета насыщения ......................... 
156 
4.9. Характеристики синхронного генератора ............................... 
158 
4.10. Энергетическая диаграмма синхронного генератора 
........... 
162 
4.11. Параллельная работа синхронных генераторов с сетью 
...... 
163 
4.12. Регулирование активной мощности. 
Угловые характеристики активной мощности 
............................... 
166 
4.13. Регулирование реактивной мощности. U-образные 
характеристики ................................................................................. 
174 
4.14. Синхронные двигатели 
............................................................ 
176 
4.15. Угловые и U-образные характеристики 
синхронного двигателя..................................................................... 
179 
4.16. Рабочие характеристики синхронного двигателя 
................. 
182 
4.17. Пуск синхронного двигателя .................................................. 
183 
4.18. Синхронные компенсаторы .................................................... 
187 
4.19. Серии синхронных машин. Синхронные машины, 
применяемые в горной промышленности ...................................... 
188 
Контрольные вопросы 
...................................................................... 
190 
5. Машины постоянного тока .............................................................. 
192 
5.1. Роль и значение машин постоянного тока .............................. 
192 
5.2. Принцип работы машин постоянного тока ............................. 
192 
5.3. Конструкция машин постоянного тока ................................... 
196 
5.4. Якорные обмотки машин постоянного тока ........................... 
199 
5.5. ЭДС в обмотке якоря 
................................................................. 
203 
5.6. Электромагнитный момент 
....................................................... 
205 
5.7. Реакция якоря в машинах постоянного тока 
........................... 
207 
5.8. Коммутация машин постоянного тока..................................... 
212 
5.9. Генераторы постоянного тока .................................................. 
216 
5.10. Уравнения генераторов постоянного тока ............................ 
219 
5.11. Условия самовозбуждения генератора 
с параллельным возбуждением ....................................................... 
221 
5.12. Характеристики генераторов постоянного тока ................... 
224 
5.13. Двигатели постоянного тока 
................................................... 
231 
5.14. Уравнения двигателей постоянного тока .............................. 
232 
5.15. Характеристики двигателей постоянного тока 
..................... 
234 
5 

5.16. Условия устойчивой работы двигателей 
постоянного тока .............................................................................. 242 
5.17. Пуск двигателей постоянного тока 
........................................ 244 
5.18. Изменение направления вращения якоря двигателей 
постоянного тока .............................................................................. 245 
5.19. Регулирование скорости вращения 
........................................ 246 
5.20. Сравнение двигателей постоянного тока .............................. 255 
5.21. Серии машин постоянного тока. Машины постоянного 
тока, применяемые в горной промышленности 
............................. 255 
Контрольные вопросы 
...................................................................... 258 
Библиографический список 
................................................................. 260 
 
6 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Имеется большое количество учебников по дисциплине «Электрические машины», отличающихся высоким методическим уровнем 
и полнотой изложения материала. Однако при существующем объёме числа часов, отводимых на изучение данной дисциплины, студенты просто физически не успевают освоить изложенный в них материал за отведённое время. Поэтому была поставлена цель: написать 
учебник, позволяющий дать студентам необходимый минимум знаний по данной дисциплине, опираясь на который они смогут в дальнейшем самостоятельно освоить по имеющимся литературным источникам требуемый в их практической деятельности материал.  
В учебнике рассмотрены устройство и принцип действия трансформаторов, электрических машин переменного и постоянного тока. 
Даны основы теории, рассмотрены характеристики и режимы работы 
электрических машин. Наряду с традиционными вопросами, излагаемыми в курсе «Электрические машины», рассмотрены основные 
типы электрических машин, применяемых на горных предприятиях.  
При написании учебника автор опирался на опыт и характер изложения материала в учебниках и учебных пособиях по электрическим машинам, авторами которых являются Б.Ф. Токарев, В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец, М.М. Кацман и др. 
7 

ВВЕДЕНИЕ 
Электрические машины широко применяются в промышленности, 
сельском хозяйстве, в энергетике, на транспорте, быту и т.д. Такому 
распространению электрических машин способствуют их высокие 
энергетические показатели, удобство обслуживания и простота 
управления. 
Электрическая машина – это электромеханический преобразователь, который может превращать механическую энергию в электрическую или, наоборот, электрическую в механическую. Электрические машины имеют неподвижную часть, называемую статором, и 
вращающую часть, называемую ротором. Ротор располагается внутри статора.  
Электрические машины, в которых происходит преобразование 
механической энергии в электрическую, называются электрическими 
генераторами. 
Электрические машины, в которых совершается преобразование 
электрической энергии в механическую, называются электрическими 
двигателями. Конструктивно двигатель устроен так же, как и генератор. 
Электрические генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии. Более половины вырабатываемой электроэнергии потребляют электрические двигатели. 
Для электрических машин справедлив принцип обратимости, который был установлен русским академиком Э.X. Ленцем в 1833 г. В 
электрической машине взаимное преобразование механической и 
электрической энергии может происходить в любом направлении, 
т.е. одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором. 
Принцип обратимости применим к любой электрической машине. 
Однако каждая выпускаемая заводом-изготовителем электрическая 
машина проектируется и предназначается для одного определенного 
режима работы (двигателем или генератором). При этом оказывается 
возможным наилучшим образом приспособить машины для заданных условий работы. 
По роду тока электрические машины подразделяются на машины 
постоянного тока и машины переменного тока.  
Особенностью машин постоянного тока является наличие у них 
механического переключающего устройства, которое называется 
8 

коллектором. Коллектор осложняет работу машины, однако опыт 
эксплуатации показал, что правильно спроектированная и изготовленная машина постоянного тока не уступает по надёжности более 
простым по конструкции машинам переменного тока. 
Машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Принцип действия машин переменного тока основан на использовании вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора. У синхронных машин скорость 
вращения ротора постоянна при любых нагрузках и равна скорости 
вращения поля. У асинхронных машин скорость вращения ротора 
отличается от скорости вращения поля и зависит от момента нагрузки на валу двигателя. 
Электрические машины выпускаются на различные мощности: от 
долей ватта до нескольких десятков и сотен мегаватт. 
В курсе электрических машин изучают также трансформаторы. В 
трансформаторе электрическая энергия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого напряжения.  
Трансформатор не является электрической машиной, так как в 
нем не происходит превращения одного вида энергии в другой. Однако физические процессы, происходящие в трансформаторе, имеют 
много общего с процессами, происходящими во вращающихся электрических машинах. Аналогичны и уравнения, описывающие эти 
процессы. Поэтому теорию трансформаторов рассматривают совместно с теорией электрических машин. 
Электрические машины изготовляют, как правило, сериями. Серия электрических машин представляет собой ряд подобных машин с 
возрастающей по заданной шкале мощностью, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих единому комплексу требований. Они создаются как для машин общего назначения, так и для 
электрических машин специального назначения. 
Каждая электрическая машина, входящая в серию, представляет 
собой типоразмер с определенными параметрами (мощность, частота 
вращения, масса и т.п.) и установочно-присоединительными размерами. 
Для того чтобы серия электрических машин была экономически 
выгодной, принимают такие размеры статоров и роторов, которые 
позволяют довести до минимума количество требуемых штампов 
при минимальных отходах электротехнической стали. Другие меро9 

приятия по унификации типоразмеров серии позволяют сократить 
номенклатуру пресс-форм, моделей для отливок и другой технологической оснастки. 
По мере создания новых материалов с улучшенными свойствами, 
накопления опыта проектирования и эксплуатации электрических 
машин создаются более совершенные серии электрических машин 
как по техническим, так и по экономическим показателям. 
Некоторые крупные серии электрических машин помимо машин 
основного исполнения содержат ряд модификаций. Например, для 
серий асинхронных двигателей существуют следующие модификации: частотно-регулируемые, с повышенным пусковым моментом, с 
повышенным скольжением, с повышенными энергетическими показателями, многоскоростные, встраиваемые. 
В горных выработках, где возможно образование взрывоопасной 
окружающей среды, должно применяться рудничное взрывозащищённое электрооборудование. Поэтому разработаны специальные 
серии рудничных электрических машин. 
Современные серии электрических машин проектируются с учетом международных требований и стандартов, которые увязывают 
ряд номинальных мощностей электрических машин с их габаритными, установочными и присоединительными размерами. Эти международные требования регламентируются документами различных 
организаций. 
В настоящее время в России принято руководствоваться главным 
образом рекомендациями Европейского комитета электротехнической 
стандартизации 
CENELEC 
(фр. 
Comité 
Européen 
de 
Normalisation Électrotechnique) – организации, отвечающей за европейские стандарты в области электротехники. Некоторые выпускаемые серии электрических машин имеют две версии: одну для внутреннего рынка, выполненную по стандартам России, а другую для 
экспорта, выполненную по нормам CENELEC. 
Более подробную информацию о выпускаемых сериях электрических машин можно получить на сайтах электромашиностроительных 
заводов в Интернете, адреса которых приведены в таблице: 
 
 
 
 
10