Электрические машины для энергетики и транспорта. Применение электрических машин

 
ǷǴǿȚȒȣȊȇǧǧDzȇȈȚșȏȔ 
 
 
 
 
 
 
 
ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǬdzǧǿǯǴȂ
ǫDzȆȄǴǬǷǪǬǹǯDZǯǯǹǷǧǴǸǶǵǷǹǧ
ǶǷǯdzǬǴǬǴǯǬ  
ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǼdzǧǿǯǴ 
 
 
ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ 
ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 
2024


УДК 621.313 
ББК 31.261 
 
Ш95 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
д. т. н., проф., НТЦ ФСК ЕЭС Хренников А. Ю.; 
к. т. н., доц. каф. ТЭВН Хренов С. И. 
 
 
 
 
 
 
 
Шульга, Р. Н. 
Ш95  
Электрические машины для энергетики и транспорта. Применение электрических 
машин : учебное пособие / Р. Н. Шульга, А. А. Лабутин. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 156 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-2124-9 
 
Исследованы динамика, особенности и методы испытаний быстроходных электрических машин. Разработан геометрический метод расчета и моделирования указанных машин. Предлагаются новые материалы и технологии изготовления электрических машин. Рассмотрены вопросы выбора изоляции, диагностики и испытаний. 
Предлагаются решения по выбору систем управления электрических машин. 
Для студентов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также для слушателей программ профессиональной переподготовки. 
 
УДК 621.313 
ББК 31.261 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2124-9 
‹ Шульга Р. Н., Лабутин А. А., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ
 
Термины и определения ......................................................................................... 7 
Введение 
................................................................................................................... 9 
 
1. Динамика и тенденции рынков электрических машин и аппаратов ........... 11 
1.1. Рынок электродвигателей (ЭД) 
.................................................................. 12 
1.2. Рынок электрических аппаратов (ЭА) ...................................................... 12 
1.3. Рынок трансформаторов (ТР) .................................................................... 12 
1.4. Рынок источников питания и накопителей электроэнергии .................. 13 
1.5. Рынок магнитомягких материалов (ММ) ................................................. 16 
1.6. Рынок электромашин с пониженными габаритами и повышенной 
энергоэффективностью 
...................................................................................... 17 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 19 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 19 
Список используемой литературы ................................................................... 19 
 
2. Рынок силовой электроники: динамика и тенденции развития ................... 21 
2.1. Состояние рынка СЭ на начало века 
......................................................... 22 
2.2. Предшествующая динамика развития рынка СЭ .................................... 23 
2.3. Современное положение дел на рынках СЭ 
............................................. 25 
2.4. Рынок источников питания и накопителей электроэнергии .................. 25 
2.5. Ожидания рынка СЭ с учетом новых технологий 
................................... 27 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 28 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 29 
Список используемой литературы ................................................................... 29 
 
3. Тяговые характеристики электродвижения 
.................................................... 30 
3.1. Качественный расчет ТХ 
............................................................................ 31 
3.2. Моделирование ТХ (по материалам [5]) .................................................. 34 
3.3. К выбору параметров пропульсивной системы  
водоизмещающих судов .................................................................................... 34 
3.4. Автоматическое проектирование пропульсивного комплекса .............. 37 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 40 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 40 
Список используемой литературы ................................................................... 40 
 
4. Повышение энергоэффективности распределенного электродвижения 
..... 41 
4.1. Основные элементы электродвижения  
(ВРК и статические преобразователи) ............................................................. 43 
4.2. Электродвижение автомобилей 
................................................................. 45 
3 

4.3. Винторулевые колонки большой мощности [1] ...................................... 46 
4.4. Движительная и рулевая система ВРК Azipod ........................................ 46 
4.5. Электрическая движительная и силовая установка ................................ 47 
4.6. ВРК Azipod и суда, работающие по системе двойного действия .......... 48 
4.7. Принципы разработки ВРК Azipod серии VI 
........................................... 48 
4.8. Технические данные. Размеры и массы ВРК Azipod .............................. 50 
4.9. Пример пропульсивной системы с ВРК Azipod и силовой установкой 
.... 52 
Выводы ................................................................................................................ 53 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 53 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 54 
Список используемой литературы ................................................................... 54 
 
5. К вопросу об облике универсального транспортного  
электрического судна для арктики ...................................................................... 55 
5.1. Постановка задачи 
....................................................................................... 55 
5.2. Область применения МЭС ......................................................................... 56 
5.3. Система энергоснабжения для МЭС и ее разновидности 
....................... 57 
5.4. Основные подсистемы судна ..................................................................... 61 
5.5. Новые решения МЭС – набор самоходных судов (отсеков)  
на гибкой сцепке ................................................................................................ 61 
5.6. Основные элементы электродвижения ..................................................... 63 
5.7. Предполагаемый облик универсального транспортного МЭС .............. 64 
Выводы ................................................................................................................ 65 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 66 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 66 
Список используемой литературы ................................................................... 66 
 
6. Применение магнитогидродинамических насосов для реакторных 
установок с жидкометаллическим теплоносителем .......................................... 68 
6.1. Состояние проблемы по МГД насосам 
..................................................... 68 
6.2. Исходное состояние, предшествующее началу работ 
............................. 69 
6.3. Винтовые насосы (ВИН) ............................................................................ 72 
6.4. Предлагаемая конструкция МГД насоса типа ВИН 
................................ 74 
6.5. Новизна подхода и области применения .................................................. 74 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 75 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 75 
Список используемой литературы ................................................................... 75 
 
7. Энергетические платформы с использованием цифровых  
модульных подстанций и энергоблоков ............................................................. 77 
7.1. Введение 
....................................................................................................... 77 
7.2. Цифровые модульные подстанции переменного тока ЦМП АС ........... 81 
4 

7.3. Разработанные и изготовленные в ВЭИ цифровые датчики тока  
и напряжения (ЦДТН) ....................................................................................... 82 
7.4. Цифровые модульные подстанции постоянного тока ЦМП DС 
............ 84 
7.5. Накопители электроэнергии ...................................................................... 86 
Выводы ................................................................................................................ 88 
Контрольные вопросы ....................................................................................... 89 
Темы рефератов и докладов .............................................................................. 89 
Список используемой литературы ................................................................... 89 
 
8. Синхронный реактивный двигатель в современном электроприводе 
......... 91 
8.1. Конструкция и принцип действия СРД .................................................... 91 
8.2. Характеристики СРД .................................................................................. 94 
8.3. Модельный ряд ПЧ YASKAWA GA 
......................................................... 97 
8.4. Достоинства и недостатки СРД ................................................................. 98 
8.5. Сопоставление СРД с АД 
........................................................................... 99 
8.6. Сопоставление СРД с АД, ДПТ и СДПМ 
............................................... 101 
Выводы .............................................................................................................. 102 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 103 
Темы рефератов и докладов ............................................................................ 103 
Список используемой литературы ................................................................. 103 
 
9. Динамика синхронных двигателей с постоянными магнитами ................. 105 
9.1. Преимущества и недостатки СДПМ ....................................................... 105 
9.2. Пусковые характеристики СДПМ ........................................................... 106 
9.3. Синхронные микро-СДПМ ...................................................................... 107 
9.4. Рабочие характеристики СДПМ .............................................................. 112 
9.5. Генераторный режим СДПМ ................................................................... 114 
9.6. Управляющая система СДПМ ................................................................. 115 
9.7. Преимущества и область применения СДПМ ....................................... 116 
Выводы .............................................................................................................. 116 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 117 
Темы рефератов и докладов ............................................................................ 117 
Список используемой литературы ................................................................. 117 
 
10. Магнитные системы электромашин и трансформаторов 
.......................... 119 
10.1. Магнитные поля вращающихся ЭМ ..................................................... 119 
10.2. Магнитные поля трансформатора (ТР) 
................................................. 124 
Выводы .............................................................................................................. 129 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 129 
Темы рефератов и докладов ............................................................................ 129 
Список используемой литературы ................................................................. 130 
 
 
5 

11. Магнитные системы электромашин с постоянными магнитами ............. 131 
11.1. Классификация ЭМ с ПМ 
....................................................................... 131 
11.2. Синхронные электродвигатели с ПМ ................................................... 134 
11.3. Патентный обзор технических решений по синхронным ЭМ с ПМ ..... 136 
Выводы .............................................................................................................. 139 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 139 
Темы рефератов и докладов ............................................................................ 139 
Список используемой литературы ................................................................. 140 
 
Приложение 1 ...................................................................................................... 141 
Приложение 2 ...................................................................................................... 149 
 
 
 
 
6 

 
 
 
ǹǬǷdzǯǴȂǯǵǶǷǬǫǬDzǬǴǯȆ
 
 
АБ – аккумуляторная батарея 
АМ – асинхронная машина 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
ГП – гидравлический привод 
Г/Д – генератор/двигатель 
ГТ – газовая турбина 
ДГ – дизель-генератор 
ДН – делитель напряжения 
ДТ – делитель тока 
ВИЭ – возобновляемый источник энергии 
ВИРМ – вентильно-индукторная реактивная машина 
ВЭИ – Всероссийский электротехнический институт 
ВЭУ – ветроэлектрическая установка 
ДВС – двигатель внутреннего сгорания 
ДИБП – динамический источник бесперебойного питания 
ДПИ – динамическая прочность изоляции 
ИБП – источник бесперебойного питания 
ИВН – импульс высокого напряжения 
ИГ – индукторный генератор 
ИН – испытательное напряжение 
ИС – испытательный стенд 
ИЭМ – индукторная электрическая машина 
КБ – конструкторское бюро 
КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока 
ЛИА – литий-ионный аккумулятор 
МВИ – межвитковая изоляция 
ММ – магнитомягкий материал 
МКЭ – метод конечных элементов 
МП – магнитное поле 
МУ – механизм управления 
НЭЭ – накопитель электроэнергии 
ПВМ – пространственно-векторная модуляция 
РЖД – Российские железные дороги 
РН – рабочее напряжение 
7 

ПГУ – парогазовая установка 
ПИД – пропорциональный, интегральный, дифференциальный 
ПК – пропульсивный комплекс 
ПМ – постоянный магнит 
ПН – преобразователь напряжения 
ПП – пневматический привод 
ОИМ – одноименнополюсная индукторная машина 
САПР – система автоматического проектирования 
СВЧ – сверхвысокая частота 
СДПМ – синхронный двигатель с постоянными магнитами 
СИБП – статический источник бесперебойного питания  
СК – суперконденсатор 
СПИНЭ – сверхпроводящий индуктивный накопитель 
СМПМ – синхронная машина с постоянными магнитами 
СНЭ – система накопления электроэнергии 
СРМ – синхронная реактивная машина 
СЭП – система электропитания 
СЭС – система электроснабжения 
СУ – система управления 
ТР – трансформатор 
ТПТЭ – твердополимерный топливный элемент 
ТПУ – технологический пуль управления 
ТОТЭ – твердооксидный топливный элемент 
ТР – трансформатор 
ТХ – тяговая характеристика 
ТЭ – топливный элемент 
ТЭС – тепловая электростанция 
ЭА – электрический аппарат 
ЭД – электродвигатель 
ЭДС – электродвижущая сила 
ЭМП – электромагнитное поле 
ЭМ – электрическая машина 
ЭП – электрический привод 
ФКТЭ – фосфорно-кислотный топливный элемент 
ФЭСС – фильтр экспоненциального скользящего среднего 
ФЭУ – фотоэлектрическая установка 
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь 
ЦОД – центр обработки данных 
ШИМ – широтно-импульсная модуляция 
ЧР – частичный разряд 
 
8 

 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ
 
 
Учебное пособие «Применение электрических машин» написано в связи 
с бурным развитием электрификации в электроэнергетике, на транспорте, 
электроприводе, нефте- и газодобыче, в коммунальном и домашнем хозяйстве. 
Основой этого направления является общемировой тренд на замещение углеводородной энергетики «зеленой» энергетикой в составе ВИЭ, ФЭУ, ВЭУ, 
НЭЭ и различных средств силовой электроники. Основным элементом указанного направления являются ЭМ, которые за последнее время получили второе 
дыхание, как в части схемотехники и разнообразия на переменном и постоянном токе.  
Особенное развитие наблюдается в части быстроходных и высоковольтных машин, а также в части новых технологий и материалов, повышающих 
энергоэффективность, нагревостойкость и снижающих массогабаритные показатели ЭМ. Последнее направление особенно актуально, т. к. требует разработки и применения новых магнитомягких материалов в виде сплавов для замещения электротехнической стали, новых компаундов и диэлектриков с повышенной надежностью и нагревостойкостью. 
ЭМ нового поколения разрабатываются в составе электротехнических 
комплексов, которые содержат в своем составе наряду с ЭМ, ПН, СУ, НЭЭ и 
другие элементы. В результате на ЭМ воздействуют дополнительные воздействия в виде импульсных, гармонических и др. составляющих токов и напряжений, которые способствуют старению и износу изоляции ЭМ и требуют дополнительного учета при разработке, испытаниях и эксплуатации электрооборудования. 
Учебное пособие состоит из двух самостоятельных частей. Первая часть 
посвящена разработке и испытаниям ЭМ, преимущественно быстродействующих, малой и средней мощности. Базой таких машин принята индукторная 
электрическая машина ИЭМ с осевым возбуждением, которая недостаточно 
исследована в литературе, но находит все большее применение в электроэнергетике и электроприводе. Такая машина в отличие от других ЭМ требует расчета в 3D измерениях, в связи с чем начальные главы посвящены исследованию динамики, методики расчета и геометрического моделирования, возможности разработки САПР и цифровых двойников ИЭМ. 
Следующие главы посвящены разработке и применению новых технологий и материалов ЭМ и выбору изоляции с их использованием. Важным раз- 
9 

делом пособия являются вопросы диагностики и испытаний изоляции ЭМ, которая определяет надежность ЭМ за счет старения в процессе эксплуатации, 
и требует новых подходов с использованием методик спектрального анализа, 
измерения ЧР и др. методик. 
Последняя глава первого раздела посвящена системам управления и преобразования в составе СЭП и СЭС, являющихся основой электроснабжения и 
электропитания различных применений. 
Данная часть пособия посвящен применению ЭМ в составе электроэнергетических установок, различных видов транспорта, преобразования и накопления электроэнергии. 
Первые две главы описывают динамику и тенденции рынков электрических машин, электрических аппаратов и силовой электроники, определяющих 
потребности развития ЭМ. 
Главы 3–5 описывают проблемы и решения в области применения энергоэффективного и распределенного электродвижения, включая ВРК и модульные электрические суда. 
Главы 6–7 дают характеристики и применение МГД генераторов и насосов для выработки электроэнергии и электродвижения, включая цифровые модульные подстанции, и энергоблоки. 
Главы 8–9 посвящены описанию СРД и СДПМ, включая их динамику. 
Магнитные системы ЭМ и ТР приведены в главах 10–11. 
В Приложении П1 приведены данные по гребным винтам, являющимся 
движителями электроприводов для морских судов разного назначения, которые определяют эффективность электродвижения. 
В Приложении П2 изложены основные положения стандартов по разработке и постановке продукции на производстве, основополагающих для применения ЭМ и электроприводов в процессе их приемки и эксплуатации.  
Учебное пособие предназначено по курсу «Спец. вопросы электрической 
части электроустановок» для слушателей программ профессиональной переподготовки НОЦ «Экология энергетики», а также для студентов по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». 
При написании и оформлении учебного пособия неоценимую помощь 
оказали Н. С. Иванова и Т. С. Смирнова, которым авторы выражают благодарность и всяческое содействие в научном развитии. 
 
 
10