Электрические машины

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Южно-Уральский государственный университет 
Кафедра «Теоретические основы электротехники» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Серия «Библиотека электроприводчика»  
 
 
В.Л. Горохов, А.А. Радионов 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
 
 
 
Электронное учебное пособие 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
140400 «Электроэнергетика и электротехника» 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-696-04486-6 
 
© Издательский центр ЮУрГУ, 2013 
© Горохов В.Л., Радионов А.А., 2013 

УДК 621.3 
 
 
 
Одобрено научно-методическим советом направления 
«Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника» 
 
 
Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода и мехатроники 
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» А.С. Сарваров; 
кандидат технических наук, начальник центральной электротехнической лаборатории ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» В.В. Головин 
 
 
 
Горохов, В.Л. 
Электрические машины [Электронный ресурс]: электронное 
ученое пособие / В.Л. Горохов, А.А. Радионов. – Электрон. текст. 
дан. (3,68 Мб). – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. – 
1 электрон. опт. диск (DVD); 12 см – Системные требования: РС не 
ниже класса Pentium I; ОЗУ 512 Mb; ОС Windows 2000/XP/Vista/7; 
Adobe Acrobat Reader; DVD-ROM дисковод. – Загл. с экрана.  
 
Изложены основы теории электрических машин постоянного и переменного тока. Рассмотрены устройство принцип действия и основные характеристики двигателей и генераторов постоянного тока, трансформаторов, асинхронных двигателей, синхронных двигателей и генераторов, шаговых двигателей. 
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно для студентов других 
технических направлений, интересующихся проблемами электромеханического преобразования энергии. 
 
 
Учебное текстовое электронное издание 
 
 
 
 
© Издательский центр ЮУрГУ, 2013 
 
© Горохов В.Л., Радионов А.А., 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие....................................................................................... 7 
Лекция 1 
 
Введение............................................................................................. 9 
Глава 1. Машины постоянного тока 
 
1.1. Общие положения…………………………………………………... 12 
1.2. Принцип действия и устройство машин постоянного тока…... 12 
1.3. Основные типы обмоток якоря…………………………………… 15 
Лекция 2 
 
1.4. Электродвижущая сила обмотки якоря и  
электромагнитный момент машины постоянного тока………..…… 
 
22 
1.5. Реакция якоря машин постоянного тока………………………... 24 
Лекция 3 
 
1.6. Коммутация в машинах постоянного тока……………………… 27 
1.7. Способы улучшения коммутации………………………………… 32 
1.8. Экспериментальная проверка и наладка коммутации……….. 37 
Контрольные вопросы....................................................................... 39 
Лекция 4 
 
1.9. Генераторы постоянного тока 
 
1.9.1. Общие сведения о генераторах постоянного тока............ 40 
1.9.2. Характеристики генератора независимого возбуждения….. 43 
Лекция 5 
 
1.9.3. Характеристики генератора параллельного возбуждения.... 46 
1.9.4. Генератор последовательного возбуждения...................... 49 
1.9.5. Генератор смешанного возбуждения.................................. 49 
1.9.6. Параллельная работа генераторов постоянного тока....... 51 
Контрольные вопросы........................................................................ 53 
Лекция 6 
 
1.10. Двигатели постоянного тока 
 
1.10.1. Общие сведения о двигателях постоянного тока............ 54 
1.10.2. Характеристики двигателей постоянного тока…………... 56 
1.10.2.1. Рабочие характеристики двигателя  
параллельного (независимого) возбуждения....................... 
 
57 
1.10.2.2. Рабочие характеристики двигателя  
последовательного возбуждения.......................................... 
 
58 
Лекция 7 
 
1.10.2.3. Естественные и искусственные характеристики 
двигателя параллельного (независимого) возбуждения..... 
 
60 
1.10.2.4. Естественные и искусственные характеристики 
двигателя последовательного возбуждения........................ 
 
62 
1.10.3. Двигатель смешанного возбуждения................................ 63 

Оглавление 
 
Контрольные вопросы........................................................................ 64 
Лекция 8 
 
Глава 2. Трансформаторы 
 
2.1. Назначение, устройство и типы трансформаторов.………….. 65 
2.2. Исполнение элементов и габариты трансформаторов 
 
2.2.1. Магнитная система трансформаторов................................ 70 
2.2.2. Обмотки трансформаторов.................................................. 72 
2.2.3. Изоляция и вводы трансформаторов.................................. 73 
2.2.4. Габариты трансформаторов................................................ 74 
2.3. Принцип действия трансформаторов…………………………… 74 
Лекция 9 
 
2.4. Режим холостого хода……………………………………………... 77 
2.5. Основные уравнения и векторные диаграммы………………… 79 
2.6. Схема замещения трансформатора и определение ее  
параметров.……………………………………………………………….. 
 
84 
Лекция 10 
 
2.7. Изменение напряжения и внешние характеристики………….. 93 
2.8. Потери и КПД трансформатора………………………………….. 97 
2.9. Трехфазные трансформаторы…………………………………… 100 
Лекция 11 
 
2.10. Параллельная работа трансформаторов…………………….. 106 
2.11. Несимметричные режимы трехфазных трансформаторов… 109 
2.12. Автотрансформаторы…………………………………………….. 115 
Лекция 12 
 
2.13. Трехобмоточные трансформаторы…………………………….. 119 
2.14. Измерительные трансформаторы……………………………… 121 
2.15. Трансформаторы последовательного включения…………… 124 
2.16. Сварочные и печные трансформаторы……………………….. 126 
Контрольные вопросы....................................................................... 127 
Лекция 13 
 
Глава 3. Общие вопросы теории машин переменного тока 
 
3.1. Общие положения. Краткая историческая справка…………… 129 
3.2. Устройство машин переменного тока…………………………… 132 
3.3. Формирование вращающегося магнитного потока…………… 136 
Лекция 14 
 
3.4. ЭДС обмоток переменного тока………………………………….. 139 
3.5. Намагничивающая сила обмоток машин переменного тока… 144 
Контрольные вопросы........................................................................ 148 
Лекция 15 
 
Глава 4. Асинхронные машины переменного тока 
 
4.1. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя…… 150 
 
 

4.2. Электромагнитные процессы в асинхронной машине  
при неподвижном и вращающемся роторе 
 
 
4.2.1. Трехфазная асинхронная машина  
при неподвижном роторе............................................................... 
 
151 
4.2.2. Трехфазная асинхронная машина  
при вращающемся роторе............................................................. 
 
154 
4.2.3. Схема замещения асинхронной машины............................ 155 
Лекция 16 
 
4.2.4. Режимы работы и векторная диаграмма  
асинхронной машины..................................................................... 
 
157 
4.2.5. Вращающие моменты и мощности асинхронного 
двигателя........................................................................................ 
 
159 
Контрольные вопросы....................................................................... 164 
Лекция 17 
 
4.3. Характеристики асинхронных двигателей 
 
4.3.1. Рабочие характеристики………………………………………. 165 
4.3.2. Естественные и искусственные механические 
характеристики................................................................................ 
 
167 
4.4. Способы пуска трехфазных асинхронных двигателей……….. 170 
4.4.1. Пуск двигателей с фазным ротором.................................... 171 
4.4.2. Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором.................. 172 
4.4.3. Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми  
характеристиками............................................................................ 
 
174 
Контрольные вопросы........................................................................ 176 
Лекция 18 
 
4.5. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей... 177 
4.5.1. Регулирование скорости вращения изменением  
числа полюсов обмотки статора.................................................... 
 
177 
4.5.2. Регулирование скорости вращения изменением  
частоты питающей сети.................................................................. 
 
179 
4.5.3. Регулирование скорости вращения воздействием  
со стороны ротора........................................................................... 
 
180 
4.6. Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели………… 183 
4.7. Исполнительные асинхронные двигатели……………………… 186 
Контрольные вопросы........................................................................ 187 
Лекция 19 
 
Глава 5. Синхронные машины переменного тока 
 
5.1. Магнитные поля и основные электромагнитные параметры 
синхронных машин 
 
 
5.1.1. Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения......... 188 
5.1.2. Магнитное поле и параметры обмотки статора.................. 191 
 
 

Оглавление 
 
Лекция 20 
 
5.2. Векторные диаграммы синхронной машины…………………… 197 
5.3. Энергетические диаграммы синхронной машины.……………. 200 
Контрольные вопросы........................................................................ 203 
Лекция 21 
 
5.4. Синхронные генераторы 
 
5.4.1. Характеристики синхронных генераторов........................... 203 
5.4.2. Параллельная работа синхронных генераторов с сетью…. 208 
Лекция 22 
 
5.4.3. Регулирование активной мощности. Угловые  
характеристики активной мощности.............................................. 
 
213 
5.4.4. Условия статической устойчивости параллельной работы... 216 
Контрольные вопросы........................................................................ 218 
Лекция 23 
 
5.5. Синхронные двигатели…………………………………………….. 219 
5.5.1. Рабочие характеристики синхронного двигателя............... 219 
5.5.2. Угловые и U-образные характеристики синхронного 
двигателя......................................................................................... 
 
220 
5.5.3. Способы пуска синхронных двигателей.............................. 223 
5.6. Синхронные компенсаторы……………………………………….. 227 
Контрольные вопросы........................................................................ 229 
Лекция 24 
 
Глава 6. Шаговые двигатели.......................................................... 230 
6.1. Устройство шаговых двигателей 
 
6.1.1. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением…. 230 
6.1.2. Двигатели с постоянными магнитами.................................. 231 
6.1.3. Гибридные двигатели........................................................... 232 
6.2. Механическая характеристика шагового двигателя................. 234 
6.3. Явление резонанса шагового двигателя................................... 236 
Контрольные вопросы........................................................................ 237 
Библиографический список............................................................... 238 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие представляет собой конспект лекций, разработанный в соответствии 
с Федеральным государственным образовательным стандартом 
Российской 
Федерации 
направления 
подготовки 
бакалавров 
140400 «Электроэнергетика и электротехника» и Рабочей программой по дисциплине «Электрические машины» для студентов 
Южно-Уральского государственного университета. 
Поскольку учебное пособие написано в виде конспекта лекций, 
материал тематически объединен и изложен в объеме, позволяющем рассматривать его в течение двух академических часов. Количество лекций рассчитано на изучение дисциплины в течение 
одного семестра (18 недель). 
Материал лекций разбит на введение и шесть глав. Во введении изложена краткая историческая справка развития электрических машин постоянного и переменного тока. В первой главе приведено описание принципа действия и устройства машин постоянного тока, рассмотрены физические процессы, происходящие 
в них. Даны общие сведения о генераторах и двигателях постоянного тока, достаточно подробно рассмотрены их характеристики. 
Во второй главе рассмотрены принцип действия и конструкция 
трансформаторов. Приведены основные уравнения, векторные 
диаграммы и их схемы замещения. Рассмотрены особенности параллельной работы трансформаторов, а также несимметричных 
режимов работы трехфазных трансформаторов. В третьей, четвертой и пятой главах рассмотрены асинхронные и синхронные машины переменного тока. В третьей главе изложены общие вопросы 
теории машин переменного тока: их устройство, формирования 
вращающегося магнитного потока, намагничивающей силы. В последующих четвертой и пятой главах рассмотрены принцип действия, режимы работы, уравнения, векторные и энергетические диаграммы асинхронных и синхронных трехфазных машин. Приведены 
рабочие, естественные и искусственные механические характеристики асинхронных двигателей, а также рабочие, угловые и            
U-образные характеристики синхронных двигателей. Описаны особенности генераторного режима работы синхронных машин. Рассмотрены способы пуска асинхронных и синхронных двигателей. 
Шестая глава посвящена описанию конструкции и принципа действия шаговых двигателей. Рассмотрено устройство таких двигателей, их механические характеристики. Изложены вопросы, связанные с возникновением явления резонанса в них.  
 

В целом, вопросы курса изложены с учетом наличия знаний 
у студентов дисциплин «Физика», «Математика», «Теоретические 
основы электротехники» в объеме, предусмотренном Федеральным образовательным стандартом направления подготовки специалистов 140400. 
Лекции не содержат ссылок на литературу, однако все литературные источники, которые авторы использовали при написании 
пособия, приведены в конце книги. Поэтому при возникновении каких-либо вопросов в процессе изучения курса студентам необходимо пользоваться указанной литературой. 
Авторы надеются, что настоящее учебное пособие окажет достойную помощь студентам при изучении соответствующего курса, а 
также будет полезно в их дальнейшей профессиональной деятельности. 
Понимая, что материал пособия может быть изложен в более 
доступной форме, авторы с благодарностью примут все замечания 
по его содержанию, которые следует направлять на e-mail: 
RadionovAA@rambler.ru. 
 
К оглавлению 
 
 

Введение 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Электрической машиной называют устройство, предназначенное для взаимного преобразования механической и электрической 
энергий. Электрическая машина, преобразующая механическую 
энергию в электрическую, называется генератором. Электрическая 
машина, осуществляющая обратное преобразование – электрической энергии в механическую, называется двигателем. Устройство, 
предназначенное для преобразования одной системы напряжений 
переменного тока в другую систему напряжений переменного тока 
без изменения частоты, называется трансформатором. 
В большинстве случаев электрические генераторы и двигатели 
состоят из двух частей: подвижной (обычно вращающейся) части – 
ротора, и неподвижной части – статора. Принцип работы таких машин основан на взаимодействии электрического и магнитного полей, которое и вызывает перемещение подвижной части машины. 
Трансформаторы же являются статическими электромагнитными 
устройствами. Они имеют две или более индуктивно связанные 
обмотки, размещенные на каком-либо магнитопроводе и осуществляющие преобразование электрической энергии посредством 
электромагнитной индукции.   
Начала развития теории и практики электрических машин принято отсчитывать с 1821 года, когда Майкл Фарадей открыл явление вращения проводника с током вокруг полюса постоянного магнита. Однако следует отметить, что за год до этого, в 1820 году 
Ганс Христиан Эрстед опубликовал работу «Опыты, касающиеся 
действия электрического конфликта на магнитную стрелку», в которой описал действие тока на электромагнит, а Доменик Франсуа 
Араго установил, что проводник, по которому протекает ток, приобретает магнитные свойства. В том же 1820 году Жан Батист Био и 
Феликс Савар установили взаимодействие тока и магнитного поля. 
В 1824 году Араго обнаружил, что при вращении медного диска 
над магнитной стрелкой последняя увлекается в сторону вращения 
диска. Это явление получило объяснение только в 1831 году, после 
того, когда Фарадей, проведя множество опытов, показал возможность «превращения магнетизма в электричество», и тем самым 
открыл закон электромагнитной индукции.  
В 1833 году Эмилий Ленц сформулировал принцип обратимости электрических машин, а в 1838 году доказал это экспериментально. Такие же выводы в 1847 году сделал Борис Якоби.  
В 1834 году Якоби построил электрический двигатель вращательного движения, а в 1842 году – первый в России электрический гене-  
 

Введение 
 
ратор с постоянными магнитами. В 1879 году Вернер Сименс на Берлинской выставке показал первую электрическую железную дорогу. 
Важное значение для развития электрических машин имело 
создание Павлом Яблочковым силового трансформатора с двумя 
отдельными обмотками. В 1885 году венгерские электротехники 
Отто Блати, Микша Дэри и Карой Циперновский создали кольцевой, броневой и стержневой трансформаторы, имеющие высокие 
технико-экономические показатели. Они и ввели термин «трансформатор». 
В 1886 году братья Джон и Эдвард Гопкинсон обосновали метод расчета магнитных цепей электрической машины, распространив закон Ома, открытый ранее в 1827 году, на магнитные цепи. 
Этот год считается годом зарождения научной теории электрических машин постоянного тока. 
В 1889 году выдающийся русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в этом же году построил первый трехфазный трансформатор и 
первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью 180 Вт. 
В 1891 году Энгельберт Арнольд, преподававший в Рижском 
политехническом институте, создал теорию обмоток электрических 
машин, положив конец «кустарщине» в этом вопросе. Арнольд 
также вывел формулу, связывающую геометрические размеры 
электрической машины с ее мощностью и скоростью. В 1899 году 
Арнольд и Густав Мие разработали теорию коммутации для машин 
постоянного тока. 
Первые электрические трамваи появились в Европе в 1881 году, а в России в 1892 году. В 1890 году был переведен на электрическую тягу Лондонский метрополитен, начинаются попытки электрификации сначала пригородных, а затем и магистральных железных дорог. В 1899 году паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение 
электричества во все отрасли промышленности и электрические 
машины прочно вошли во все сферы жизни.  
К 30-м годам ХХ века трудами многих ученых была создана 
классическая теория электрических машин. В дальнейшем процесс 
развития шел по пути углубления теории и методов расчета электрических машин постоянного и переменного тока, развития методов их исследования и проектирования, улучшения качества применяемых материалов, повышения единичной мощности, снижения 
удельной материалоемкости. Параллельно с этим развивалась 
теория электромеханического преобразования энергии, изучались 
возможности и регулировочные свойства электродвигателей.