Электрические машины

 
 
 
 
 
А. В. Дробов, В. Н. Галушко 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.313  
ББК 31.261 
Д75 
 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь»  
УО БелГУТ, к. т. н., доцент Матусевич Вячеслав Олегович; 
доцент кафедры «Электроснабжение» ГГТУ им. П. О. Сухого,  
к. т. н., доцент Алфёрова Тамара Викторовна 
 
 
 
 
 
Дробов, А. В. 
Д75   
Электрические машины : учебное пособие / А. В. Дробов, 
В. Н. Галушко. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
320 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1749-5 
 
Содержит основы теории, описание конструкции и анализ эксплуатационных свойств трансформаторов и электрических машин, даны необходимые примеры решения задач, что должно способствовать лучшему 
пониманию учебного материала.  
Для учебно-методической поддержки лекционного курса по дисциплине «Электрические машины» студентам дневной формы обучения, 
обучающимся по направлению «Тяговый состав железнодорожного транспорта (электрический транспорт и метрополитен)» специальности «Тяговый состав железнодорожного транспорта (по направлениям)».  
 
УДК 621.313  
ББК 31.261 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1749-5 © Дробов А. В., Галушко В. Н., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

СПИСОК  
УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ  
И ОБОЗНАЧЕНИЙ 
 
АД – асинхронный двигатель 
АМ – асинхронная машина 
ВИД – вентильно-индукторный двигатель 
ГПТ – генератор постоянного тока 
ДПТ – двигатель постоянного тока 
ДПР – датчик положения ротора 
ИМ – индукторная машина 
КЗ – короткое замыкание 
КПД – коэффициент полезного действия 
МДС – магнитодвижущая сила 
МПТ – машина постоянного тока 
ОВ – обмотка возбуждения 
СГ – синхронный генератор 
СД – синхронный двигатель 
СМ – синхронная машина 
ХХ – холостой ход 
ЭДС – электродвижущая сила 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Пособие содержит основы теории, описание конструкции и анализ 
эксплуатационных свойств трансформаторов и электрических машин, 
а также необходимое количество примеров решения задач, что должно 
способствовать лучшему пониманию учебного материала. 
Пособие состоит из пяти основных разделов: трансформаторы, 
асинхронные машины, синхронные машины, вентильно-индукторные 
двигатели, машины постоянного тока. 
Первый раздел касается трансформаторов, которые применяются 
в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к 
потребителям, в различных электроустановках (печных, сварочных, 
выпрямительных), в системах автоматики и телемеханики и т. п.  
Материалы второго раздела касаются асинхронных двигателей – 
основных потребителей электрической энергии на промышленных 
предприятиях.  
В третьем разделе рассматриваются синхронные машины, широко 
применяемые в качестве генераторов на электростанциях.  
Четвертый раздел касается одного из широко внедряемых в 
настоящее время интеллектуальных электромеханических преобразователей энергии – вентильно-индукторного двигателя.  
В пятом разделе описываются машины постоянного тока, которые 
используются в генераторном и двигательном режимах. Наибольшее 
применение двигатели постоянного тока получили в качестве тяговых двигателей транспортных средств, привода устройств автоматики, приводы различных обрабатывающих станков и пр.  
При изложении материала учебно-методического пособия основной акцент сделан на раскрытие физической сущности явлений и 
процессов, определяющих работу трансформаторов и электрических 
машин. 
4 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ  
И ТРАНСФОРМАТОРАХ 
 
Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научнотехнического прогресса, способствуют совершенствованию всех отраслей промышленности и транспорта. Это относится и к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производства электроэнергии, так и в процессе ее потребления. 
Развитие электрических машин ведется по нескольким направлениям: 
– совершенствование технологии изготовления электрических 
машин, с целью увеличения их производства и снижения стоимости; 
– применение в электрических машинах более качественных магнитных и электроизоляционных материалов, с целью повышения 
технико-экономических показателей электрических машин; 
– создание новых видов электрических машин нетрадиционной 
конструкции, с использованием новейших достижений науки. 
Электрическая машина – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую и наоборот. 
Работа всех электрических машин базируется на явлении электромагнитной индукции и на силовом действии электрического тока. 
В процессе работы электрической машины в режиме генератора 
происходит преобразование механической энергии в электрическую. 
Природа этого процесса объясняется законом электромагнитной 
индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в 
магнитное поле проводник длиной l и перемещать его (рисунок 1), 
например, слева направо перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет наводиться 
электродвижущая сила (ЭДС) 
 
E = Blv. 
 
Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рисунок 2). Применив это правило, определим 
направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника 
замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом движущийся проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор. 
 
5 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1 – Правило правой руки для определения направления ЭДС 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2 – Правило левой руки для определения направления  
электромагнитной силы 
 
В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает 
действующая на проводник электромагнитная сила  
 
F = BlI. 
 
Направление этой силы можно определить по правилу «левой руки» (рисунок 2). В рассматриваемом случае эта сила направлена 
справа налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким 
образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F является тормозящей по отношению к движущей силе. 
Умножив обе части равенства для электромагнитной силы на скорость движения проводника, получим 
 
Fv = BlIv = EI. 
 
Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, 
правая часть – значение электрической мощности, развиваемой в за6 

мкнутом контуре током. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая 
внешней силой, преобразуется в электрическую. 
Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I 
в проводнике имел направление, указанное на рисунке 2, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. 
При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику сопротивлением r, уравновешивается наведенной в этом проводнике ЭДС Е, а другая часть составляет падение 
напряжения в проводнике 
 
U = Е + Ir. 
 
Умножим обе части равенства на ток I 
 
UI = EI + I2r. 
 
С учетом формул для ЭДС и электромагнитной силы, получим 
 
UI = Fv + I2r. 
 
Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую 
(Fv), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в 
проводнике (I2r). Следовательно, проводник с током, помещенный в 
магнитном поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель. 
Рассмотренные явления позволяют сделать следующие выводы:  
а) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих 
возможность взаимного перемещения; 
б) при работе электрической машины, как в режиме генератора, 
так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются создание ЭДС 
в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, 
действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при 
протекании по нему электрического тока; 
в) взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направле7 

нии, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в 
режиме двигателя, так и в режиме генератора, это свойство электрических машин называют обратимостью.  
 
Классификация электрических машин 
Выделяют следующие виды электрических машин: 
– трансформаторы; 
– машины постоянного тока; 
– машины переменного тока (асинхронные и синхронные). 
Кроме того, электрические машины классифицируются по роду 
тока, назначению, мощности, напряжению. 
По роду тока электрические машины принято разделять на машины постоянного и переменного тока. 
По назначению их подразделяют на генераторы, двигатели и преобразователи (преобразуют переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяют напряжение, частоту переменного тока, число фаз, 
преобразуют активную мощность в реактивную и т. д.). 
Кроме того, электрические машины бывают общего и специального назначения. Машины общего назначения – это такие машины, 
которые выполнены без учета специальных требований потребителей 
и являются общими для большинства случаев применения. Специального назначения с учетом специальных требований потребителей. 
Классификация по мощности: 
– микромашины (менее 0,5 кВт); 
– малой мощности (от 0,5 до 10 кВт); 
– средней мощности (более 10 кВт); 
– машины большой мощности (более нескольких сотен МВт). 
Добавим, что четких границ по мощности нет. 
По напряжению: 
– низковольтные (менее 100 В); 
– среднего напряжения (от 100 до 1000 В); 
– высоковольтные (более 1000 В). 
У каждой электрической машины имеется щиток, выбитый на металлической пластинке и прикрепленный к корпусу. На щитке указаны паспортные данные, в том числе характеризующие ее работу в 
номинальном режиме. Номинальный режим – это такой режим, для 
работы в котором машина предназначена заводом-изготовителем. 
Его рассчитывают так, чтобы температура обмоток не превышала 
допустимую. Основным параметром, влияющим на степень загрузки 
машины, является температура ее обмоток, если точнее – изоляции, 
8 

потому что температура, при которой изоляция выходит из строя 
(95–180 °С), зависит от класса нагревостойкости изоляции. 
Паспортная табличка обычно информирует о режиме работы 
электрической машины (S1–S8). 
S1 – продолжительный режим. Машина работает длительное 
время с постоянной нагрузкой, и нагрев обмоток достигает установившейся температуры (количество тепла, получаемого машиной в 
виде потерь энергии, равно количеству тепла, теряемого машиной в 
результате охлаждения). 
S2 – кратковременный режим. Машина включается на короткое 
время, нагрев не успевает достигнуть установившейся температуры и 
отключается на длительное время, достаточное, чтобы машина охладилась до температуры окружающей среды. 
S3, S4, S5 – повторно-кратковременные режимы. Нагрев не успевает достигнуть установившейся температуры, но и не охлаждается 
до температуры окружающей среды после отключения.  
S4 – с частыми пусками, S5 – с электрическим торможением. 
S6, S7, S8 – перемежающиеся режимы. То же самое, что и повторно-кратковременные режимы, только двигатель не отключается, 
а работает вхолостую. 
 
Требования, предъявляемые к электрическим машинам 
 
Общие технические требования. Электрические машины должны иметь высокую надежность работы, хорошие энергетические показатели (КПД, а для машин переменного тока и коэффициент мощности), по возможности минимальные габаритно-установочные размеры, массу и стоимость: они должны быть простыми по конструкции, несложными в изготовлении и удобными в обслуживании и эксплуатации. Общие технические требования для машин общепромышленного применения сформулированы в ГОСТ 52776–2007 
(МЭК 60034-1–2004). 
Термин надежность можно определить, как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые 
функции в заданных режимах и условиях применения, технического 
обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002–2015). 
Каждая электрическая машина рассчитана на работу при вполне 
определенных условиях эксплуатации: режиме нагрузки, допускаемых перегрузках, напряжении, частоте переменного тока, частоте 
вращения, температуре охлаждающей среды, влажности и др. При 
9 

этом машина должна развивать номинальную мощность и работать 
без аварий и повреждений в течение установленного времени (обычно в течение времени между периодическими ремонтами). 
Надежность работы машины обеспечивается путем закладки достаточных запасов при проектировании, применения высококачественной технологии изготовления и правильной эксплуатации (работы в режимах, для которых она спроектирована, и своевременного 
выполнения профилактических ремонтов). 
При проектировании должны быть обеспечены: 
– механическая прочность всех элементов машины (вала, станины, ротора, статора, деталей крепления обмоток и пр.). В частности, 
машины должны без повреждений и деформаций выдерживать кратковременные перегрузки по току и превышения частотой вращения 
номинального значения; 
– электрическая прочность изоляции обмоток, которая не должна 
терять своих качеств при длительной эксплуатации машины. Изоляция обмоток относительно корпуса, изоляция между обмотками и 
изоляция между витками обмоток должна выдерживать повышенное 
по сравнению с номинальным испытательное напряжение. Сопротивление изоляции обмоток должно соответствовать значениям, указанным в ГОСТ 11828–86; 
– достаточное охлаждение элементов машины, в которых при работе выделяется теплота (магнитопровод, скользящие контакты, обмотки, подшипники). Наиболее чувствительными к нагреванию являются электроизоляционные материалы обмоток, от качества которых зависит допустимый уровень нагрева электрической машины. 
Максимальные температуры частей машины не должны превышать 
значений, указанных в ГОСТах; 
– выбор электромагнитных нагрузок (плотности тока в обмотках и 
индукции в элементах магнитопровода), при которых выделяемая в 
обмотках и магнитопроводе теплота успевает отводиться из машины 
системой ее охлаждения и не вызывает недопустимого нагрева машины; 
– применение в машинах постоянного тока ряда конструктивных 
мер (введение добавочных полюсов и компенсационной обмотки, 
выбор соответствующих марок щеток), которые предотвращают недопустимое искрение на коллекторе. 
Защита от внешних воздействий. Конструктивное выполнение 
электрической машины во многом определяют требования, предъявляемые к защите ее от внешних воздействий. В зависимости от этого 
устанавливается буквенно-цифровое обозначение исполнений элек10