Основы преобразования энергии. Практикум

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
С. А. ВНУКОВ, Н. Д. ЕРЕЩЕНКО,  
Е. Ю. АБРАМОВ 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 
 
ПРАКТИКУМ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2025 
 

УДК 621.314 (075.8) 
         В607 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент В. В. Бирюков 
канд. техн. наук, доцент Л. В. Садовская 
 
 
Работа подготовлена на кафедре 
 электротехнических комплексов НГТУ 
 
Внуков С. А. 
В607   
Основы преобразования энергии. Практикум : учеб. пособие / С. А. Внуков, Н. Д. Ерещенко, Е. Ю. Абрамов ; под общ. 
ред. Е. Ю. Абрамова. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2025. – 64 с. 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-5374-2 
Рассматриваются основные вопросы теории преобразования различных видов энергии в электрическую. Приводятся примеры расчета 
различных типов преобразователей. Для закрепления изученного материала и ознакомления с разнообразием технологий преобразования 
энергии и сферами их применения студентам предлагаются практические задания для самостоятельного выполнения. 
Предназначено для студентов бакалавриата по направлениям подготовки 13.03.02 «Электротехника и электроэнергетика» и 15.03.04  
«Автоматизация технологических процессов и производств». 
 
 
 
 
УДК 621.314 (075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-5374-2  
 
 
 
 
 
 
© Внуков С. А., Ерещенко Н. Д.,  
    Абрамов Е. Ю., 2025 
© Новосибирский государственный  
    технический университет, 2025 
 

 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Человечество тысячелетиями использует и преобразует энергию. 
Изначально это делалось с целью создания более комфортных условий 
жизни. С развитием науки появилось стремление использовать природные силы не только для освещения и тепла, но и для того, чтобы облегчить физический труд. Однако стремительное развитие техники преобразования энергии началось после ключевых открытий в физике и химии, внедрения новых материалов и установления взаимосвязей между 
различными видами энергии – фундаментальными основами жизни на 
Земле. 
Энергетический обмен играет ключевую роль в функционировании 
современного общества и его технологий. От использования энергии зависит работа промышленных предприятий и транспортных средств, 
обустройство домашнего быта и многих других сфер жизни. При этом 
важно учитывать, что любой процесс преобразования энергии сопряжен 
с потерями, которые возникают в виде тепла, звука, трения и других видов энергии. Эти потери могут значительно снижать эффективность 
преобразования энергии, что делает важным выбор оптимальных методов и технологий для их минимизации. 
При проектировании и эксплуатации технических систем необходимо учитывать не только количество энергии, которое требуется для 
выполнения определенной задачи, но и способы ее преобразования 
с минимальными потерями. Важно постоянно совершенствовать технологии и методы работы с энергией, чтобы обеспечить более эффективное и экономичное использование ресурсов. 
Настоящее пособие предназначено для расширения и уточнения основных положений, изложенных в учебнике «Основы преобразования 
энергии в электротехнических системах» [1]. 

В ходе изучения материала студенты должны получить знания о базовых принципах работы устройств, отвечающих за преобразование 
различных типов энергии. В процессе выполнения практических заданий студенты изучат принцип действия различных преобразователей 
энергии, а также получат практические навыки работы с экспериментальными установками, исследуют достоинства и недостатки современных источников энергии. 
Основная цель выполнения практических заданий – сформировать 
понимание и видение технических решений, позволяющих сократить 
энергетические потери и максимально эффективно использовать физические законы для достижения необходимого результата. Полученные 
знания и навыки будут задействованы не только в организации энергетических потоков, но и в решении большинства других инженерных задач, с которыми придется столкнуться выпускнику в профессиональной 
деятельности. 
Для унификации и стандартизации документооборота в приложениях приведены требования к оформлению отчета по практическому заданию (прил. 1), а также пример титульного листа (прил. 2). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО  
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ 
Цель исследования – теоретическое и практическое изучение процесса преобразования электрической энергии в механическую и обратно; оценка КПД электромеханического преобразования энергии. 
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
Электрическая машина является обратимым преобразователем энергии, т. е. может работать как в двигательном (преобразование электрической энергии в механическую), так и в генераторном (преобразование 
механической энергии в электрическую) режиме. Электрические машины делятся на два больших класса: постоянного и переменного тока. 
В настоящей работе рассматривается работа машины постоянного тока, 
однако принципы, на основе которых работают оба класса машин, во 
многом идентичны. 
Двигатели постоянного тока классифицируют по виду магнитной 
системы статора: 
1) с постоянными магнитами; 
2) с электромагнитами (рис. 1.1).  
По способу включения обмотки якоря и обмотки возбуждения (ОВ) 
выделяют двигатели: 
1) с независимым включением обмоток (независимое возбуждение); 
2) с последовательным включением обмоток (последовательное возбуждение); 
3) с параллельным включением обмоток (параллельное возбуждение); 
4) со смешанным включением обмоток (смешанное возбуждение). 

RРЯ
EЯ
IЯ
Rпуск
Rш
RРЯ
EЯ
IЯ
Rпуск
EЯ
IЯ
U
U
U
I
I
IВ
wпар
S
Rш
wпосл
IВ
wпар
wпосл
IВпар
IВпосл
 
                         а                                          б                                    в 
Рис. 1.1. Основные типы машин постоянного тока: 
а – параллельное возбуждение; б – последовательное возбуждение; в – смешанное  
возбуждение 
Работа электрической машины 
в двигательном режиме 
Упрощенная электрическая машина постоянного тока с постоянными магнитами представлена на рис. 1.2. Между двумя магнитами помещен якорь с одним витком обмотки, который может вращаться. 
Концы якорной обмотки припаяны к изолированным друг от друга медным пластинам, которые образуют простейший коллектор. Ток в обмотку подается с помощью угольных щеток, имеющих контакт с коллекторной пластиной (рис. 1.2, а). 
Работа электрической машины в двигательном режиме основана на 
взаимодействии электромагнитных полей, которые создаются обмотками статора (индуктора) и якоря (ротора). Из курса физики известно, 
что на помещенный в магнитное поле проводник с током действует 
сила, направление которой можно определить по правилу левой руки,  
и ее значение зависит от величины магнитной индукции B, силы тока  
в проводнике I, активной длины проводника l и синуса угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.  

 
                                    а                                                                б 
Рис. 1.2. Упрощенный вид электродвигателя постоянного тока: 
a – изометрическая проекция электродвигателя; б – вид электродвигателя спереди 
На рис. 1.2, б показан возможный вариант подключения обмотки 
якоря (статора) к источнику постоянного напряжения, в результате которого якорь будет вращаться по часовой стрелке (на рисунке наоборот). Если поменять направление тока в обмотке якоря или направление магнитного поля, то направление вращения якоря также изменится. Если же поменять и направление электрического тока в обмотке, и направление магнитного поля, то направление вращения 
якоря не изменится. 
Величина электромагнитного момента, развиваемого двигателем, 
зависит от тока якоря и магнитного потока машины: 
,
M
C
I


 
где C – коэффициент, который является постоянной величиной и зависит от конструкции машины; Φ – основной магнитный поток; I – ток 
обмотки якоря. 
При вращении якоря в магнитном поле в якорной обмотке согласно 
закону электромагнитной индукции будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС), направленная навстречу питающему напряжению, которая называется противоЭДС.