Электропреобразовательные устройства РЭС

ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА РЭС

Г.Н. АРСЕНЬЕВ

2-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано государственным образовательным учреждением высшего
профессионального образования — Общевойсковой академией Вооруженных Сил
Российской Федерации в качестве учебника для курсантов высших
военно-учебных заведений Космических войск, обучающихся по направлению
подготовки «Радиотехника» 

Регистрационный номер рецензии 390 от «13» мая 2009 г. ГУК МО РФ

УЧЕБНИК

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2020

УДК  621.314(075.8)
ББК 31.261я73
 
А85

Арсеньев Г.Н.
А85 
 
Электропреобразовательные устройства РЭС : учебник / Г.Н. Арсеньев. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 
2020. — 544 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-8199-0698-9 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-013210-5 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-100314-5 (ИНФРА-М, online)

Изложены теоретические и практические вопросы построения, физических принципов функционирования, инженерных методов анализа 
и расчета электромашинных устройств постоянного тока, синхронных 
и асинхронных генераторов и двигателей, широко применяемых в радиоэлектронных комплексах; трансформаторных устройств различного назначения; датчиков и измерительных устройств. Рассмотрены принципы 
построения источников вторичного электропитания: выпрямителей, инверторов, конверторов, стабилизаторов с непрерывным и импульсным 
регулированием, импульсных источников электропитания. Даны общие 
теоретические сведения о методах расчета, показана методика применения 
методов расчета, входящих в программы подготовки специалистов по направлению «Радиотехника». Изложение принципов функционирования 
устройств сопровождается составлением статических и динамических математических моделей в виде передаточных функций, уравнений равновесия эквивалентных процессов в типовых электрических цепях.
Для студентов и курсантов электро- и радиотехнических специальностей средних и высших учебных заведений, а также может быть полезным 
для инженеров и технических специалистов, занимающихся анализом, 
синтезом и эксплуатацией электропреобразовательных устройств, обеспечивающих функционирование радиоэлектронных и радиотехнических 
средств.

УДК 621.314(075.8)
ББК 31.261я73

Р е ц е н з е н т ы:
д-р техн. наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой 
проблемы управления Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) 
В.М. Лохин;
д-р техн. наук, профессор кафедры математики Московского военного института радиоэлектроники Космических войск В.В. Горячкин

ISBN 978-5-8199-0698-9 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-013210-5 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-100314-5 (ИНФРА-М, online)
© Арсеньев Г.Н., 2014
© ИД «ФОРУМ», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..................................................................................................8

Часть 1. Электромашинные устройства постоянного тока .........11

Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ................11

 1.1. Общие сведения и устройство 

электрических машин постоянного тока .....................................11

 1.2. Реакция якоря ...............................................................................18
 1.3. Генераторы постоянного тока и способы их возбуждения ..........21
 1.4. Статические характеристики генераторов постоянного тока .....26
 1.5. Динамические характеристики 

генератора постоянного тока 
с независимым возбуждением ......................................................29

 1.6. Тахогенераторы постоянного тока ...............................................32

Глава 2. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ 

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ — ЭМУ ..........................................37

 2.1. Применение и устройство 

электромашинных усилителей мощности ...................................37

 2.2. Принцип действия электромашинного усилителя мощности ....40
 2.3. Статические характеристики 

и коэффициент усиления электромашинного усилителя ...........42

 2.4. Динамические характеристики 

электромашинного усилителя мощности ....................................50

Глава 3. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ..........................................57

 3.1. Классификация и область применения 

двигателей постоянного тока .......................................................57

 3.2. Принцип действия и уравнения равновесия ЭДС 

двигателя постоянного тока .........................................................58

 3.3. Уравнение равновесия моментов 

двигателя постоянного тока .........................................................60

Оглавление

 3.4. Приведение моментов инерции к валу двигателя .......................61
 3.5. Пуск в ход двигателей постоянного тока .....................................62
 3.6. Рабочие характеристики двигателей постоянного тока ..............63
 3.7. Механические и регулировочные характеристики 

исполнительных двигателей постоянного тока 
при якорном управлении ..............................................................67

 3.8. Регулировочная характеристика 

двигателя постоянного тока при полюсном управлении ............72

 3.9. Динамические характеристики исполнительного 

двигателя постоянного тока при якорном управлении ...............74

3.10. Магнитоэлектрические двигатели ...............................................83
3.11. Малоинерционные двигатели постоянного тока 

с печатной обмоткой на якоре [43]...............................................86

3.12. Вентильные двигатели постоянного тока ....................................90

Часть вторая. Трансформаторные 
электропреобразовательные устройства .................................. 106

Глава 4. ТРАНСФОРМАТОРЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ....... 106

 4.1. Назначение и конструктивные элементы трансформаторов ....106
 4.2. Основные термины и определения [114] ............................ 109
 4.3. Трансформаторы питания ..........................................................113
 4.4. Трансформаторы согласующие ..................................................121
 4.5. Работа трансформатора в режиме холостого хода .....................130
 4.6. Работа трансформатора в режиме короткого замыкания .........136
 4.7. Полная и упрощенная схемы замещения 

и векторная диаграмма трансформатора, 
работающего под нагрузкой .......................................................139

 4.8. Автотрансформаторы ..................................................................141
 4.9. Измерительные трансформаторы ..............................................143

Глава 5. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ  ............... 146

 5.1. Общие положения о трехфазных системах ................................146
 5.2. Трехфазные системы, соединенные звездой ..............................149
 5.3. Трехфазные системы, соединенные треугольником .................153
 5.4. Мощность трехфазной системы .................................................154
 5.5. Трехфазные трансформаторы .....................................................156

Глава 6. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ..................................................... 158

 6.1. Общие сведения ..........................................................................158
 6.2. Устройство и принцип действия магнитного усилителя ...........159
 6.3. Конструкции магнитных усилителей .........................................164

Оглавление

 6.4. Трансформаторный магнитный усилитель ................................167
 6.5. Коэффициент усиления магнитного усилителя ........................168
 6.6. Методы повышения коэффициента усиления 

магнитного усилителя .................................................................173

 6.7. Коэффициент усиления магнитного усилителя 

с обратной связью .......................................................................174

 6.8. Магнитные усилители с внутренней обратной связью .............178
 6.9. Динамические свойства магнитных усилителей .......................180
6.10. Методы уменьшения постоянной времени 

магнитного усилителя .................................................................182

6.11. Реверсивные (двухтактные) магнитные усилители ...................185

Часть третья. Электропреобразовательные 
устройства переменного тока.................................................. 191

Глава 7. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ................................................. 191

 7.1. Общие сведения и устройство синхронных машин ..................191
 7.2. Электродвижущая сила обмотки синхронного генератора .......193
 7.3. Реакция якоря синхронного генератора ....................................195
 7.4. Параллельная работа синхронных генераторов ........................199
 7.5. Генераторы повышенной частоты ..............................................206
 7.6. Синхронные тахогенераторы .....................................................210

Глава 8. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ................................................... 212

 8.1. Синхронные двигатели и их характеристики ............................212
 8.2. Электромагнитная мощность 

и вращающий момент 
синхронных двигателей ..............................................................215

 8.3. Асинхронный пуск синхронных двигателей ..............................216
 8.4. Синхронные двигатели для систем автоматики .........................217

Глава 9. ТРЕХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ........................ 230

 9.1. Принцип действия асинхронных двигателей ............................230
 9.2. Устройство асинхронного двигателя ..........................................231
 9.3. Физические явления, происходящие 

в асинхронном двигателе при вращающемся роторе ................233

 9.4. Схема замещения асинхронного двигателя ...............................236
 9.5. Электромагнитный вращающий момент 

асинхронного двигателя .............................................................237

 9.6. Пуск в ход асинхронных двигателей ..........................................241
 9.7. Регулирование скорости вращения трехфазных 

асинхронных двигателей  ............................................................242

Оглавление

Глава 10. ОДНОФАЗНЫЕ И ДВУХФАЗНЫЕ 

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ................................................. 244

10.1. Однофазные двигатели ...............................................................244
10.2. Двухфазные асинхронные двигатели .........................................247
10.3. Динамические характеристики двухфазного исполнительного 

асинхронного двигателя .............................................................255

10.4. Асинхронные тахогенераторы ....................................................262
10.5. Гироскопические и моментные асинхронные двигатели ..........266
10.6. Линейные асинхронные двигатели ............................................269

Глава 11. ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 

СИСТЕМ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ ............................................ 272

11.1. Сельсины и режимы работы .......................................................272
11.2. Вращающиеся (поворотные) трансформаторы .........................303

Часть четвертая. Источники вторичного электропитания ........ 322

Глава 12. СРЕДСТВА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ..................... 322

12.1. Классификация. Основные термины и определения ................322
12.2. Характеристики входной электроэнергии .................................325
12.3. Электрические требования, предъявляемые 

к источникам вторичного электропитания ...............................327

12.4. Параметры источников вторичного электропитания ...............329

Глава 13. ВЫПРЯМИТЕЛИ  ..................................................................... 334

13.1. Общие сведения о выпрямителях ...............................................334
13.2. Однофазная однотактная схема выпрямителя ..........................336
13.3. Двухфазная однотактная схема выпрямителя ...........................341
13.4. Однофазная двухтактная схема выпрямителя ...........................345
13.5. Трехфазные схемы выпрямления ...............................................348
13.6. Управляемые выпрямители на тиристорах ................................353

Глава 14. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ ................................................358

14.1. Общие сведения о фильтрах 

вторичных источников питания  ................................................358

14.2. Работа выпрямителя на фильтр с емкостной реакцией  ............360
14.3. Работа выпрямителя на фильтр с индуктивной реакцией ........367
14.4. Сложные фильтры ......................................................................369

Глава 15. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ............................ 374

15.1. Параметрические стабилизаторы напряжения .........................375
15.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения 

с принципом управления по отклонению .................................381

Оглавление

15.3. Комбинированные стабилизаторы напряжения .......................399
15.4. Функциональные узлы 

компенсационных стабилизаторов напряжения .......................419

15.5. Параллельные стабилизаторы напряжения. 

Стабилизаторы тока. 
Стабилизаторы с регулированием 
на стороне переменного тока. 
Тиристорные стабилизаторы ......................................................432

15.6. Интегральные стабилизаторы напряжения ...............................444
15.7. Компенсационные импульсные стабилизаторы 

постоянного напряжения ...........................................................453

Глава 16. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ 

ПОСТОЯННОГО ТОКА .............................................................. 483

16.1. Общие положения.......................................................................483
16.2. Транзисторные преобразователи с самовозбуждением 

(автоге нераторы)  ........................................................................489

16.3. Преобразователи на тиристорах .................................................499

Глава 17. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 

С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ ................................ 504

17.1. Основные структурные схемы и входные цепи .........................504
17.2. Транзисторные усилители мощности .........................................508
17.3. Режим работы силовых транзисторов и их базовые цепи .........518
17.4. Устройства управления усилителями мощности .......................521

Литература .................................................................................................533

Предисловие

В подготовке инженеров по направлению «Радиотехни
ка» важную роль играет овладение специалистами научнотеоретическими и практическими методами получения и применения новых знаний в своей профессиональной деятельности. Теоретическое и практическое применение этих методов 
начинается уже на начальном этапе обучения, при изучении 
естественно-научных и общепрофессиональных дисциплин. Согласно государственному образовательному стандарту основной 
объем содержания обучения отводится радиотехническим и радиоэлектронным учебным дисциплинам, а также дисциплинам, 
связанным с развитием информационных технологий, информатикой, вычислительной техникой. Это в полной мере отражает 
развитие современных многофункциональных радиоэлектронных и радиотехнических комплексов, решающих сложные задачи по измерению и обработке информации от удаленных объектов, формированию управляющих воздействий и их передаче на 
объекты управления. Надежность и точность функционирования 
таких комплексов, функционально объединенных в радиоэлектронные системы, во многом определяется энергетическим, техническим и эксплуатационным обеспечением. Функционирование аппаратной части практически в любой радиоэлектронной 
системе обеспечивается примерно такой же по объему технической частью энергетического и сервисного обеспечения. В этой 
связи специальной дисциплине «Электропреобразовательные 
устройства РЭС» отводится особое и важное место в подготовке 
специалистов по направлению «Радиотехника».

Важность этой дисциплины обусловливается не только сво
им содержанием, которое охватывает источники вторичного 
электропитания, трансформаторы, электромашинные устройства, а также методы их проектирования и анализа, но и малым 
временем, которое отводится на изучение достаточно сложных 
физических процессов в электрических машинах и устройствах, 
их математического описания.

Предисловие

Автор при выборе структуры и содержания учебника, мето
дики его изложения стремился охватить как наиболее важные, 
уже широко применяемые устройства в РЭС в различных образцах радиоэлектронной техники, так и учесть результаты современных достижений в проектировании электропреобразовательных и устройств вторичного питания. В учебнике показаны 
конструктивные особенности устройств, изложены физические 
принципы их работы, а также методы анализа в статическом и 
динамическом режимах. 

Учебник состоит из четырех частей.
Часть первая. Электропреобразовательные устройства посто
янного тока.

Содержание этой части включает теорию генераторов посто
янного тока, электромашинных усилителей мощности, двигателей постоянного тока.

Часть вторая. Трансформаторные электропреобразовательные 

устройства.

В этой части рассмотрены трансформаторные электропреоб
разовательные устройства, трехфазные системы и трансформаторы, магнитные усилители.

Часть третья. Электропреобразовательные устройства перемен
ного тока.

В эту часть включены вопросы теории и практики примене
ния синхронных генераторов, синхронных двигателей, трехфазных асинхронных двигателей, одно- и двухфазных асинхронных 
двигателей, электропреобразовательных устройств систем синхронной связи.

Четвертая часть. Источники вторичного электропитания.
В этой части рассмотрены средства вторичного электропи
тания (классификация, основные термины и определения), 
вопросы теории и практического применения выпрямителей, 
сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения и тока, 
преобразователей напряжения постоянного тока (инверторов, 
конверторов), источников питания с бестрансформаторным 
входом.

В книге на примерах конкретных устройств изложено прак
тическое применение методов их анализа и расчета. Расчет и 
анализ динамических характеристик осуществляются временными и операторными методами, аналитическими и численными способами. 

Предисловие

При изложении материала, особенно методов анализа, автор 

стремился максимально использовать те теоретические методы, а именно частотные, операторные и временные, которые 
изучались в курсе «Математика». Эти методы являются основополагающими при подготовке специалистов по радиотехнике и 
радиоэлектронным системам. 

При изучении обучающимися в специальных дисциплинах 

образцов радиоэлектронных систем, систем автоматического 
управления содержание книги будет способствовать более быстрому установлению связи между конкретным исполнением 
образца системы, принципами его функционирования и методами теоретического анализа. Комплексное и взаимосвязанное 
изложение материала способствует более глубокому раскрытию 
и пониманию физических процессов в сложных системах, их 
математического описания и формированию обучающимися 
способностей анализировать современное состояние и определять направления развития теории и практики электропреобразовательных устройств в радиоэлектронных средствах. 

Автор благодарен рецензентам доктору технических наук, 

профессору В.М. Лохину, доктору технических наук, профессору В.В. Горячкину за ценные замечания и предложения, которые 
способствовали улучшению содержания учебника.