Электрические машины

. . 


   «-» 
2022 

621.3 
31.2 
55 

: 

. . ., . . ; 
(. . ., . . ); 
. . ., . . 
, . . 
55 : / . . . – ;
: -, 202. – 480 . : ., . 
ISBN 978-5-9729-0873-8 

, 
, , , , . , . 
, «» «» , .  

621.3 
31.2 

ISBN 978-5-9729-0873-8 
© . ., 2022  
© «-», 2022  
© . «-», 2022 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При подготовке учебного пособия автор опирался на многолетний опыт чтения курса лекций по дисциплине «Электрические машины» студентам, обучающимся по профилю «Электроснабжение» направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» и других электротехнических специальностей, а также на опыт исследовательской и практической деятельности в этой области. 
Первое издание пособия в двух частях вышло в 2015 г., и было 
ориентировано главным образом на подготовку специалистов электротехнического профиля в региональных учебных заведениях, в программах которых предусматривался данный курс. 
Неожиданно для автора оказалось, что пособие вызвало гораздо 
более широкий интерес, и было включено в качестве основной и дополнительной литературы в рабочие программы дисциплины «Электрические машины» высших и средних специальных учебных заведений различных профилей и направлений подготовки далеко за пределами региона. В ряде случаев оно рекомендовано по некоторым смежным дисциплинам: «Электрические машины и аппараты», «Электронные и электромеханические устройства» и другим. 
Это явилось главной причиной подготовки нового издания. Сохранив последовательность изложения и основное содержание, автор 
счел целесообразным объединение двух частей предыдущего издания 
в одной книге, и внес определенные изменения и дополнения, улучшающие ее качество. В первую очередь это относится к вопросам, 
теории и практики электрических машин, связанным с качеством 
электроэнергии в электрических сетях, которые, по мнению автора, 
весьма важны для специалистов в области электроснабжения, но пока 
недостаточно полно рассматриваются в существующих изданиях.  
Особое внимание уделено режимам  несимметричной нагрузки 
трехфазных трансформаторов и несимметричного питания асинхронных двигателей, способам улучшения качества электроэнергии с помощью специальных трансформаторов и автотрансформаторов, а также методам и средствам энергосбережения в электроприводе с асинхронными двигателями. 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие состоит из пяти разделов, каждый из которых 
представляет собой самостоятельный модуль, посвященный изучению 
определенного класса электрических машин.  
Первый раздел, состоящий из шести глав, посвящен электрическим машинам постоянного тока. 

В первой главе рассматриваются общие вопросы теории элек
трических машин постоянного тока: их конструкция и принцип действия, преобразования энергии, устройство обмоток якоря. 

Вторая глава посвящена изучению магнитного поля, анализу 

ЭДС, электромагнитного момента, и реакции якоря МПТ. Рассматриваются коммутационные процессы и способы улучшения коммутации. 

В третьей главе анализируются механические и электромеха
нические характеристики машин постоянного тока с независимым и 
параллельным возбуждением в двигательном и тормозных режимах 
работы, и пути реализации этих режимов. 

Четвертая глава посвящена анализу особенностей характери
стик и режимов работы двигателей постоянного тока с последовательным и смешанным возбуждением. 

В пятой главе рассматриваются назначение, способы возбужде
ния и характеристики генераторов постоянного тока, особенности их 
включения на параллельную работу. 

Шестая глава посвящена изучению способов управления и ха
рактеристик исполнительных двигателей постоянного тока, которые 
применяются при высоких требованиях к регулированию. 

Второй раздел посвящен изучению трансформаторов, которые 

являются не только важнейшими элементами систем электроснабжения, но и находят широкое применение в блоках питания, выпрямителях, электросварке и других электроустановках. 

Седьмая глава посвящена изучению устройства, принципа дей
ствия, основных уравнений и способов приведения параметров трансформаторов к одной ступени напряжений. 

В восьмой главе рассматриваются векторные диаграммы транс
форматоров, Т-образная и Г-образная схемы замещения, способы определения их параметров по опытам холостого хода и короткого замыкания и расчета по паспортным данным. 

Девятая глава посвящена анализу внешних и энергетических 

характеристик трансформаторов. 

В десятой главе излагаются общие особенности трехфазных 

трансформаторов, рассматриваются способы маркировки выводов обмоток, схемы и группы их соединения. 

В одиннадцатой главе приведены методы расчета режимов не
симметричной нагрузки трехфазных трансформаторов, анализируется 
сопротивление нулевой последовательности при различных схемах 
соединения обмоток, дается оценка внешних и энергетических характеристик и влияния мощных однофазных потребителей на характери-
стики трехфазных трансформаторов. 

В двенадцатой главе рассматривается регулирование вторично
го напряжения трансформаторов с ПБВ и РПН. Предложена новая схема замещения трансформаторов с регулировочными отпайками и методика расчета ее параметров. Дан анализ условий включения трансформаторов на параллельную работу. 

Тринадцатая глава посвящена изучению переходных процессов, 

возникающих при включении трансформаторов на холостой ход и 
внезапных коротких замыканиях, и анализу их последствий. 

В четырнадцатой главе изложены особенности конструкции, 

характеристики и области применения многообмоточных трансформаторов, автотрансформаторов и преобразователей числа фаз. Особое 
внимание уделено возможности использования автотрансформаторов 
для повышения качества напряжений в электрических сетях. 

В пятнадцатой главе рассматриваются специфические особен
ности расчета токов, напряжений и мощности трансформаторов, работающих в составе различных схем выпрямления. 

В шестнадцатой главе изложены особые требования к свароч
ным трансформаторам, которые должны обеспечивать надежное зажигание, устойчивое горение дуги, и регулирование тока сварки. 

В семнадцатой главе приведен анализ режимов работы и спосо
бов повышения точности измерительных трансформаторов тока и напряжения, применяемых в системах электроснабжения для измерения 
больших токов и высоких напряжений. 

В третьем разделе изложены общие вопросы теории синхрон
ных и асинхронных электрических машин, принцип действия которых 
основан на использовании вращающегося магнитного поля, получаемого посредством расположенных на статоре  многофазных обмоток, 
в которых генерируются необходимые для их работы ЭДС и создаются магнитодвижущие силы. 

В восемнадцатой главе рассматриваются общие принципы ис
полнения обмоток, распределенные обмотки, обмотки с укороченным 
шагом, скос пазов, а также обмоточный коэффициент и ЭДС обмоток. 

Девятнадцатая глава посвящена анализу пульсирующего маг
нитного поля однофазных обмоток, образованию и аналитическому 
описанию вращающегося магнитного поля трехфазных и ортогональных двухфазных обмоток. 

В четвертом разделе излагаются основы теории синхронных 

электрических машин. 

В двадцатой главе приведены основные сведения о назначении 

и устройстве явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин, 
принципе действия синхронных генераторов и двигателей, показано, 
что основной магнитный поток создается специальной обмоткой возбуждения, которая получает питание от источника постоянного тока. 
Рассматриваются характеристики холостого хода и виды реакции якоря, возникающей в синхронных машинах при работе под нагрузкой. 

В двадцать первой главе изложен анализ уравнений ЭДС, внеш
них и регулировочных характеристик явнополюсных и неявнополюсных синхронных генераторов, показано, что изменение потока возбуждения позволяет воздействовать на эти характеристики, изложена 
методика определения индуктивных сопротивлений и отношения короткого замыкания синхронных машин. 

В двадцать второй главе даны вывод уравнения электромаг
нитного момента, анализ угловых характеристик, условий статической 
устойчивости явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин и 
способов ее повышения. 
Двадцать третья глава посвящена параллельной работе синхронных генераторов сетью. Изложены условия включения их на параллельную работу, приведен анализ U-образных характеристик и режимов работы синхронных машин по реактивной мощности, рассмотрен принцип действия синхронного компенсатора в режимах компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.  

Двадцать четвертая глава посвящена изучению синхронных 

двигателей. Рассматриваются способы их пуска, работа при постоянном моменте сопротивления и при неизменном токе возбуждения, 
приводятся типовые рабочие характеристики. Показано, что важнейшее преимущество синхронных двигателей заключаются в их способности генерировать в сеть реактивную мощность. 

Пятый раздел пособия посвящен асинхронным машинам, кото
рые характеризуются трансформаторной связью между обмотками 
статора и ротора, и с теоретической точки зрения имеют много общего 
с трансформаторами. 

В двадцать пятой главе рассматриваются принцип действия и 

конструкция асинхронных машин с короткозамкнутым и фазным ротором, приведение ЭДС, токов, и сопротивлений ротора к обмотке 
статора, вывод уравнений и схем замещения асинхронной машины, 
излагается методика опытного определения ее параметров. 
В двадцать шестой главе приведен анализ полезной мощности 
на валу машины, ее механических и рабочих характеристик, изложена 
методика построения механических характеристик по каталожным 
данным с учетом пространственных гармоник магнитного поляДвадцать седьмая глава посвящена специальным режимам работы асинхронных машин: генераторному и электромагнитному торможению, асинхронному генератору с самовозбуждением, асинхронным преобразователям частоты. 
В двадцать восьмой главе дано обоснование и методика построения круговой диаграммы, и анализа с ее помощью режимов работы и характеристик асинхронной машины. Значение таких диаграмм, как средства расчета в настоящее время утрачено, но они дают 
наглядное представление о количественных и качественных взаимосвязях токов, мощностей, моментов и других параметров асинхронной 
машины во всех режимах работы, поэтому их роль в общей теории 
электрических машин остается весьма значительной. 
В двадцать девятой главе излагаются общие требования к пусковым характеристикам АД, дается анализ потерь энергии при различных способах и условиях пуска (пуск под нагрузкой, при пониженном напряжении, в условиях соизмеримой мощности). Рассматриваются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами, способы и 
устройства для улучшения пусковых характеристик. 
В тридцатой главе анализируются способы регулирования частоты вращения АД путем изменения скольжения, переключения числа 
пар полюсов и частотного регулирования. 
Тридцать первая глава позволяет более глубоко ознакомиться с 
проблемой эксплуатации АД при отклонениях и несимметрии напряжений. Показано, что снижение напряжения приводит к уменьшению 
мощности и электромагнитного момента, а при несимметрии возникает тормозной момент, возрастают потери мощности, снижается КПД. 

, , . 
, . , , , , . 
. 
, , , 
, . 
. 
, , . 
. 
, , , . 
 ..., . . , (..., . . ), . . , .  
. .  
 

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА 

1.1. Назначение, конструкция и принцип действия МПТ 

Любая электрическая машина осуществляет преобразование 
электрической энергии в механическую (при использовании в качестве двигателя), или наоборот, механической энергии – в электрическую 
(при использовании в качестве генератора). 
Электрические машины постоянного тока (МПТ) обладают 
свойством обратимости, и могут использоваться как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов, в обоих случаях имеет место электроэнергия постоянного тока. 
Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют хорошие пусковые 
свойства, обладают отличными регулировочными свойствами, позволяют получить как очень малые, так и большие частоты вращения, и 
различные механические характеристики, позволяют относительно 
просто и эффективно реализовывать не только двигательный, но и 
тормозные режимы работы. Это обусловило преимущественные области их применения: регулируемый электропривод систем автоматики, станков,  прокатных станов, электрического транспорта и др., несмотря на то, что для МПТ характерны и серьезные недостатки. 
Генераторы постоянного тока (ГПТ) используются в качестве 
возбудителей цепей возбуждения мощных синхронных машин, в цеховых сетях постоянного тока, для зарядки аккумуляторов и питания 
электролитических ванн, в электросварке, в устройствах автоматики. 
Промышленность выпускает электрические машины постоянного тока, которые различаются мощностью, частотой вращения, конструктивным исполнением. Подавляющее применение находят коллекторные МПТ, отличительным признаком которых является наличие 
расположенного на валу ротора коллектора. 
Любая электрическая машина постоянного тока, электромагнитная схема и условные обозначения основных элементов которой 
показаны на рис. 1.1, состоит из двух основных частей: статора 1 и 
ротора 2, разделенных между собой воздушным зазором. 

Статор и ротор во всех электрических машинах объединяется с 
помощью подшипниковых щитов, которые являются опорной конструкцией для вращающегося вала.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Статор МПТ состоит из станины с расположенными на ней 
главными полюсами и обмотками возбуждения. Станина является частью магнитной цепи, по которой замыкается создаваемый обмотками 
возбуждения магнитный поток, поэтому ее изготавливают из стали, 
которая обладает не только необходимой механической прочностью, 
но и высокой магнитной проницаемостью. 
Главные полюсы представляют собой полюсные наконечники 5 
с обмоткой возбуждения 6. Обмотки возбуждения бывают двух типов: 
параллельного (Ш1 – Ш2) и последовательного (С1 – С2). Их также 
называют шунтовыми и сериесными обмотками. Во многих  МПТ 
имеются также добавочные полюсы, которые служат для компенсации 
реакции якоря, уменьшения искрения под щетками, и предотвращения 
возникновения «кругового огня». Обмотки добавочных полюсов Д1 – 
Д2 включаются последовательно с обмоткой якоря. Главные и добавочные полюсы изготавливают путем шихтовки штампованных листов электротехнической стали определенной формы.  
В микромашинах основной поток возбуждения может создаваться постоянными магнитами. 
ЭДС в электрических машинах постоянного тока индуктируется 
во вращающейся части, поэтому ротор МПТ называют якорем, а расположенную на нем обмотку 3 – обмоткой якоря. 
Магнитная система (сердечник) якоря представляет собой набор 
изолированных между собой штампованных листов электротехнической стали определенной формы с пазами для укладки секций обмот
Я1              Я2       Д1           Д2 

Ш1          Ш2       С1           С2 

Рисунок 1.1 − Электромагнитная схема  (а) и условные обозначения 
основных элементов машины постоянного тока (б) 

6 
 
 
 
 
7 

5 
4 

 
3 
 
2 
1 

а)                                                                  б)