Промышленные электронные устройства. Промышленная электроника. Электрические машины

 
 
 
 
 
С. А. Микаева 
 
 
 
 
 
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ  
УСТРОЙСТВА 
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.382 
ББК 32.844.1 
М59 
 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент кафедры электроники Института перспективных 
технологий и индустриального программирования МИРЭА - Российского технологического 
университета Журавлева Юлия Алексеевна; 
доктор технических наук, доцент, заведующий базовой кафедрой источников света 
Института электроники и светотехники Национального исследовательского Мордовского 
государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева») 
Ашрятов Альберт Аббясович 
 
 
 
 
 
 
Микаева, С. А. 
М59  
Промышленные электронные устройства. Промышленная электроника. Электрические машины : учебное пособие / С. А. Микаева. - Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1745-7 
 
Представлены различные виды промышленных электронных устройств, трансформаторов, электрические машины постоянного и переменного тока, их устройства, 
принципиальные схемы, векторные диаграммы, условия работы, а также индукционные машины синхронной связи и датчики. 
Для студентов специальности «Промышленная электроника», а также специалистов в области приборостроения и радиоэлектроники, инженерно-технических и 
научных работников светотехнической и химической промышленности, занятых разработкой, производством и применением промышленных электронных устройств, 
трансформаторов и электрических машин.  
 
УДК 621.382 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1745-7 
” Микаева С. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Одной из предпосылок хорошего усвоения студентами изучаемого материала является самостоятельное изучение материала при прохождении любой 
дисциплины. 
Курс предназначен для лучшего усвоения студентами читаемых лекций 
по промышленной электронике. Во всех 5-ти главах по трансформаторам, электрическим машинам постоянного и переменного тока изложен материал в форме, доступной для усвоения. 
В начале каждого раздела приведен аналитический материал, вывод формул в доступном виде для решения задач, а также построения диаграмм, графиков. 
Все разделы сопровождаются обоснованным объяснением физике процессов, происходящих в электрических цепях, что позволяет студентам более 
углубленно изучать общий курс промышленных электронных устройств, промышленной электроники и электротехники. 
3 

СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ................................................ 7 
ГЛАВА I. ТРАНСФОРМАТОРЫ .............................................................................. 8 
1.1. Устройство трансформатора ......................................................................... 8 
1.2. Схема включения трансформатора ............................................................ 15 
1.3. Векторная диаграмма трансформатора тока ............................................. 19 
1.4. Условия работы трансформатора тока 
....................................................... 21 
1.4.1. Холостой ход однофазного трансформатора ................................... 22 
1.4.2. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой 
...................... 24 
1.4.3. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора ......... 27 
1.5. Совмещение режимов .................................................................................. 30 
1.6. Трехфазные трансформаторы ..................................................................... 34 
1.6.1. Группы соединения трансформаторов 
.............................................. 36 
1.6.2. Переходные режимы трансформаторов 
............................................ 44 
1.7. Вопросы для самопроверки 
......................................................................... 53 
 
ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ........................................................... 54 
2.1. Основные понятия и функции .................................................................... 54 
2.2. Механические характеристики электрических двигателей  
и производственных механизмов ...................................................................... 55 
2.2.1. Условие устойчивого функционирования электропровода 
............ 55 
2.3. Классификация электрических машин ...................................................... 57 
2.4. Вопросы для самопроверки 
......................................................................... 58 
 
ГЛАВА III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА .............. 59 
3.1. Устройство машины постоянного тока...................................................... 59 
3.1.1. Принцип действия машины постоянного тока ................................ 60 
3.1.2. Уравнение вращающего момента 
...................................................... 62 
3.1.3. Реакция якоря ...................................................................................... 63 
3.1.4. Процесс коммутации .......................................................................... 64 
3.1.5. Способы включения обмоток возбуждения машин  
постоянного тока ........................................................................................... 66 
3.2. Генератор постоянного тока ....................................................................... 67 
3.2.1. Режим генератора постоянного тока 
................................................. 67 
3.2.2. Характеристики генераторов постоянного тока .............................. 68 
3.2.3. Генератор с независимым возбуждением 
......................................... 69 
3.2.4. Процесс самовозбуждения генератора постоянного тока .............. 71 
4 

3.2.5. Генератор с параллельным возбуждением ....................................... 71 
3.2.6. Генератор со смешанным возбуждением ......................................... 72 
3.3. Двигатель постоянного тока ....................................................................... 73 
3.3.1. Режим двигателя постоянного тока .................................................. 73 
3.3.2. Характеристики двигателей постоянного тока 
................................ 74 
3.3.3. Двигатель с независимым возбуждением 
......................................... 75 
3.3.4. Двигатель с параллельным возбуждением ....................................... 76 
3.3.5. Двигатель с последовательным возбуждением ............................... 78 
3.3.6. Двигатель со смешанным возбуждением ......................................... 79 
3.4. Вопросы для самопроверки 
......................................................................... 80 
 
ГЛАВА IV. ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 
.............................................. 82 
4.1. Асинхронный двигатель .............................................................................. 82 
4.1.1. Устройство асинхронного двигателя ................................................ 82 
4.1.2. Принцип действия асинхронного двигателя .................................... 85 
4.1.3. Вращающееся магнитное поле .......................................................... 85 
4.1.4. Логическая диаграмма функционирования 
...................................... 88 
4.1.5. Скольжение 
.......................................................................................... 88 
4.1.6. Электродвижущие силы ротора и статора........................................ 89 
4.1.7. Основные уравнения асинхронного двигателя 
................................ 90 
4.1.8. Вращающий момент ........................................................................... 91 
4.1.9. Потери мощности и КПД двигателя ................................................. 92 
4.1.10. Механическая характеристика асинхронного двигателя 
.............. 93 
4.1.11. Рабочие характеристики асинхронного двигателя ........................ 94 
4.2. Синхронный двигатель ................................................................................ 95 
4.2.1. Общие сведения .................................................................................. 95 
4.2.2. Устройство синхронных машин ........................................................ 97 
4.2.3. Принцип действия 
............................................................................... 97 
4.2.4. Основные уравнения двигателя 
......................................................... 99 
4.2.5. Характеристики двигателя ............................................................... 100 
4.3. Вопросы для самопроверки 
....................................................................... 102 
 
ГЛАВА V. ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ.  
ДАТЧИКИ ................................................................................................................ 103 
5.1. Сельсины. Устройство и принцип действия ........................................... 103 
5.1.1. Общие сведения ................................................................................ 103 
5.1.2. Конструкция ...................................................................................... 104 
5.1.3. Бесконтактные сельсины 
.................................................................. 105 
5.1.4. Трансформаторный режим 
............................................................... 106 
5 

5.2. Поворотные (вращающиеся) трансформаторы ....................................... 109 
5.2.1. Общие сведения ................................................................................ 110 
5.2.2. Конструкция ...................................................................................... 112 
5.2.3. Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы.  
Принцип действия 
....................................................................................... 112 
5.2.4. Симметрирование вращающихся трансформаторов 
..................... 114 
5.2.5. Погрешности и классы точности вращающихся  
трансформаторов 
......................................................................................... 116 
5.3. Многополюсные преобразователи угла 
................................................... 118 
5.3.1. Общие сведения ................................................................................ 118 
5.4. Первичные преобразователи (датчики). Классификация датчиков,  
основные требования к ним ............................................................................. 121 
5.5. Вопросы для самопроверки 
....................................................................... 134 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 135 
6 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
ТТ 
трансформатор тока 
ИПТ 
измерительный преобразователь тока  
ИП 
измерительный преобразователь  
ХХ 
холостой ход 
МДС 
магнитодвижущая сила 
ЭДС 
электродвижущая сила 
КЗ 
короткое замыкание 
КПД 
коэффициент полезного действия 
МПТ 
электрические машины постоянного тока  
ГН 
геометрическая нейтраль 
ФН 
физическая нейтраль 
АД 
асинхронный двигатель 
ЭМИ 
закон электромагнитной индукции 
ЭМС 
электромагнитные силы 
АД 
асинхронный двигатель  
ВТ 
вращающиеся трансформаторы  
СКВТ 
синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы 
ЛВТ 
линейные вращающиеся трансформаторы 
ВТДП 
датчики и приемники трансформаторных дистанционных  
передач угла  
Термо-ЭДС термоэлектродвижущая сила 
 
7 

ГЛАВА I. ТРАНСФОРМАТОРЫ 
1.1. Устройство трансформатора 
Определение: трансформатор - статистический электромагнитный аппарат преобразующий систему переменного тока одного напряжения в систему 
переменного тока другого напряжения. 
Назначение: трансформаторы служат для передачи и распределения электроэнергии потребителей. Повышающие трансформаторы повышают напряжение, число витков вторичной обмотки W2 у них больше числа витков первичной 
обмоткиW1: W2 ! W1 у понижающих трансформаторов W1 < W2. 
Трансформатором тока (ТТ), называется такой трансформатор, в котором 
выходной ток, практически пропорционален первичному току и сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю. 
Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на нагрузку, обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке. В ТТ высокого 
напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное 
рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется, поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли. ТТ разделяются на 
трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ. ТТ для измерений 
предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они 
устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, 
т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Т. о., 
трансформатор тока для измерений обеспечивает: 
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный, ток, 
приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов; 
2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.  
ТТ для защиты предназначаются для передачи измерительной информации в устройства защиты и управления. Соответственно, трансформатор тока 
для защиты обеспечивает:  
8 

1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, 
приемлемый для питания устройств релейной защиты; 
2) изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения. 
ТТ в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях, 
когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется. 
Измерительный преобразователь тока (ИПТ) это устройство, предназначенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, информативные параметры которого функционально связаны с информативными 
параметрами первичного тока. ИПТ обычно создаются на основе широко применяемого в электротехнике трансформаторного эффекта - в виде трансформатора. В зависимости от рода тока ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП 
постоянного тока. В данной работе будут рассмотрены ИПТ переменного тока 
для установок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц. ИПТ для защиты 
предназначаются для работы только в установившихся (статических) режимах 
либо в установившихся и переходных (динамических) режимах. В зависимости 
от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в 
напряжение (трансреакторы, магнитные ТТ), а также тока в неэлектрическую 
величину, например, в световой поток. При этом по способу представления выходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные. Целесообразно разделять ИПТ в зависимости от уровня напряжения, определяющего конструкцию, а иногда и принцип действия ИПТ. С учетом применяемых 
номинальных напряжений различают ИПТ низкого (номинальное напряжение 
до 1000 В) и высокого напряжения (1-1150 кВ и выше).  
Все ТТ классифицируются по следующим основным признакам. 
По роду установки:  
 ТТ для работы на открытом воздухе (категория размещения 1 по ГОСТ 
15150-69);  
 для работы в закрытых помещениях (категории размещения 3 или 4  
по ГОСТ 15150-69);  
 для встраивания в полости электрооборудования;  
 для специальных установок (в шахтах, на судах, электровозах и т. д.). 
По способу установки:  
 проходные ТТ, предназначенные для использования в качестве ввода и 
устанавливаемые в проемах стен, потолков или в металлических конструкциях;  
 опорные, предназначенные для установки на опорной плоскости;  
 встраиваемые, т. е. предназначенные для установки в полости электрооборудования. 
9 

По числу коэффициентов трансформации:  
 с одним коэффициентом трансформации;  
 с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих 
обмоток, или применением нескольких вторичных обмоток с различным числом витков, соответствующим различному номинальному 
вторичному току. 
По числу ступеней трансформации:  
 одноступенчатые;  
 каскадные (многоступенчатые), т. е. с несколькими ступенями трансформации тока. 
По выполнению первичной обмотки:  
 одновитковые;  
 многовитковые. 
Одновитковые ТТ (рис. 1.1) имеют две разновидности: без собственной 
первичной обмотки и с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не 
имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными. Встроенный ТТ 1 представляет собой магнитопровод с 
намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет собственной первичной 
обмотки, ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. 
Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов, их роль выполняет изоляция проходного изолятора. В шинном ТТ роль первичной обмотки выполняют одна или несколько шин распределительного устройства, пропускаемые при монтаже сквозь полость проходного изолятора, который изолирует такую первичную обмотку от вторичной. Разъемный ТТ 2 тоже не имеет собственной первичной обмотки. Его магнитопровод состоит из двух частей, стягиваемых болтами. Он может размыкаться и смыкаться вокруг проводника с 
током, являющимся первичной обмоткой этого ТТ. Изоляция между первичной 
и вторичной обмотками наложена на магнитопровод со вторичной обмоткой. 
Одновитковые ТТ, имеющие собственную первичною обмотку, выполняются со стержневой первичной обмоткой или с U-образной. ТТ 3 имеет первичную обмотку в виде стержня круглого или прямоугольного сечения, закрепленного в проходном изоляторе. ТТ 4 имеет U-образную первичную обмотку, 
выполненную таким образом, что на нее наложена почти вся внутренняя изоляция ТТ. 
Многовитковые ТТ (рис. 1.1) изготовляются с катушечной первичной 
обмоткой, надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой 5, 
состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой, у которой 
10