Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебное пособие для СПО.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Москва
2026
Саратов
2026
__________________________________________________________________
А. В. Угольников
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СПО
2-е издание, стереотипное
Рекомендовано Учебно-методическим отделом СПО в качестве
учебного пособия для использования в учебном процессе
образовательными учреждениями среднего профессионального образования
по укрупненным группам специальностей
«Электро- и теплоэнергетика» и «Машиностроение»
Ай Пи Ар Медиа
Профобразование
УДК 62
ББК 31.2
У26
Автор:
Угольников А. В. — канд. техн. наук, доц.,
зав. кафедрой электротехники
Уральского государственного горного университета, профессор РАЕ
Угольников, Александр Владимирович.
У26 Электрические машины : учебное пособие для СПО / А. В. Угольников. —
2-е изд., стер. — Москва : Ай Пи Ар Медиа ; Саратов : Профобразование,
2026. — 157 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-4497-0026-1 (Ай Пи Ар Медиа)
ISBN 978-5-4488-0267-6 (Профобразование)
Учебное пособие посвящено ключевым аспектам передачи и использования электрической энергии. Рассмотрены основные виды электрических
машин: трансформаторы, асинхронные двигатели, машины постоянного
тока — их устройство, принцип действия и область применения. В издание
также включены лабораторные и практические работы с методическими
указаниями по их выполнению.
Подготовлено с учетом требований Федерального государственного
образовательного стандарта среднего профессионального образования.
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по укрупненным группам специальностей «Электро- и теплоэнергетика» и «Машиностроение», изучающих дисциплину «Электрические машины».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-0026-1 © Угольников А. В., 2019
ISBN 978-5-4488-0267-6 © ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026
© ООО «Профобразование», 2026
Учебное издание
Угольников Александр Владимирович
Редактор Н. Г. Шиндина
Технический редактор, компьютерная верстка Т. П. Устьянцева
Корректор А. В. Полева
Обложка С. С. Сизиумовой
Подписано к использованию 05.09.2025. Объем данных 8 Мб.
ООО «Профобразование»
8-800-511-14-70 (бесплатный звонок по России)
E-mail: office@profspo.ru, sale@profobr.pro
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6
РАЗДЕЛ 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ ............................................................................ 9
1. Основы теории ...................................................................................................... 9
1.1. Краткая классификация и область применения трансформаторов ...... 9
1.2. Паспортные данные трансформаторов .................................................. 12
1.3. Устройство трансформаторов ................................................................. 13
1.4. Однофазные двухобмоточные трансформаторы .................................. 14
1.4.1. Принцип действия трансформатора .............................................. 15
1.4.2. Режим холостого хода трансформатора ....................................... 20
1.4.3. Режим нагрузки трансформатора .................................................. 21
1.4.4. Уравнение электрического состояния трансформатора ............. 25
1.4.5. Схемы замещения приведенного трансформатора ...................... 27
1.4.6. Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки
трансформатора. Внешние характеристики трансформатора .............. 30
1.4.8. Испытание трансформатора косвенным методом ....................... 35
2. Лабораторная работа «Испытания однофазного трансформатора» ............. 42
2.1. Цель работы .............................................................................................. 42
2.2. Последовательность выполнения работы .............................................. 42
2.3. Содержание отчета по лабораторной работе ........................................ 46
3. Практическая работа «Исследование трехфазного трансформатора» ......... 47
Вопросы для самоконтроля ................................................................................... 61
РАЗДЕЛ 2. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ......................................................... 62
4. Основы теории .................................................................................................... 62
4.1. Принцип работы асинхронного двигателя ............................................ 62
4.2. Схема замещения асинхронного двигателя ........................................... 68
4.3. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя ........................... 73
4.4. Уточненная Г-образная схема замещения. Ток ротора и
электромагнитный момент ............................................................................. 75
4.5. Построение механической характеристики по каталожным
данным. Формула Клосса ............................................................................... 81
4.6. Рабочие характеристики .......................................................................... 82
4.7. Реостатный пуск асинхронного двигателя ............................................ 83
5. Лабораторная работа «Испытание асинхронного двигателя с фазным
ротором» .................................................................................................................. 86
5.1. Цель работы .............................................................................................. 86
5.2. Объект и средства испытания ................................................................. 86
5.3. Рабочее задание ........................................................................................ 87
4
5.4. Методические рекомендации по выполнению рабочего задания ...... 88
5.5. Расчетная часть ......................................................................................... 94
5.6. Методические указания к оформлению отчета по лабораторной
работе ................................................................................................................ 95
6. Практическая работа «Испытание асинхронного двигателя с фазным
ротором» .................................................................................................................. 97
Методические указания для выполнения расчетно-графической
работы ............................................................................................................. 103
Вопросы для самоконтроля ................................................................................. 110
РАЗДЕЛ 3. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ................................................ 111
7. Основы теории .................................................................................................. 111
7.1. Конструкция машин постоянного тока ................................................ 111
7.2. Принцип действия двигателя постоянного тока ................................. 112
7.3. Электромагнитный момент и КПД двигателя постоянного тока ..... 115
7.4. Реакция якоря ......................................................................................... 117
7.5. Пуск двигателя постоянного тока ........................................................ 119
7.6. Моментные и скоростные характеристики двигателя
постоянного тока с независимым возбуждением ..................................... 122
7.7. Регулирование скорости вращения якоря и механические
характеристики двигателя постоянного тока с независимым
возбуждением ................................................................................................ 123
7.8. Регулировочные и рабочие характеристики двигателя
постоянного тока ........................................................................................... 126
8. Лабораторная работа «Испытания двигателя постоянного тока с
независимым возбуждением» ............................................................................. 129
8.1. Цель работы ............................................................................................ 129
8.2. Объект и средства испытания ............................................................... 129
8.3. Рабочее задание ...................................................................................... 131
8.4. Методические рекомендации по выполнению рабочего задания .... 132
8.5. Расчетная часть ....................................................................................... 139
8.6. Методические указания к оформлению отчета
по лабораторной работе ................................................................................ 141
9. Практическая работа «Исследования двигателя постоянного тока
с параллельным возбуждением» ............................................................................ 142
Вопросы для самоконтроля ................................................................................. 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 153
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................. 157
5
ВВЕДЕНИЕ
Технологическое развитие человеческого общества в первую очередь
обусловлено созданием и использованием источников энергии.
В настоящее время наиболее эффективно применение электрической
энергии, производство которой во многих странах в последние десятилетия
увеличилось в тысячи раз. Почти вся электрическая энергия вырабатывается
электрическими машинами, в основном синхронными генераторами. Электрические машины также являются основными преобразователями электрической
энергии в механическую. Такие машины (электродвигатели) применяются в качестве одного из главных элементов силового электропривода большинства механизмов и машин, используемых во всех областях хозяйственной деятельности человека.
Суммарная мощность синхронных генераторов, установленных на всех
электростанциях нашей планеты, в настоящее время составляет около 2 700 млн
кВт, а выработка на них электроэнергии достигла 12 000 млрд кВт·ч в год. Следовательно, производство электроэнергии становится глобальным и влияет
на все сферы человеческой деятельности и на окружающую человека среду.
Централизованное производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых
вблизи топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих
районах большое количество электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование дешевой электрической энергии
непосредственно у потребителей, находящихся на значительном удалении, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенных на территории страны, требует при этом создания сложных разветвленных электрических сетей.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой
электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния
от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не
менее пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих
трансформаторах.
Асинхронные двигатели в настоящее время являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу
электропривода большинства механизмов. Такое положение асинхронные машины завоевали благодаря чрезвычайно удачному сочетанию комплекса эксплуатационных и конструктивных характеристик, способности автоматически
изменять значение момента вращения в соответствии с изменением момента
6
сопротивления на валу (в пределах перегрузочной способности) и высокому
КПД, с одной стороны, и относительной простоте и низкой стоимости в сочетании с высокой эксплуатационной надежностью при минимальном обслуживании — с другой стороны.
Асинхронные двигатели общего назначения средней мощности
(0,1–400 кВт) на напряжение до 1 000 В — наиболее широко применяемые
электрические машины. В паре электродвигателей нашей страны они составляют по количеству 90 %, по мощности примерно 55 %.
В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40 % вырабатываемой в стране электроэнергии; на их изготовление расходуется большое
количество дефицитных материалов: обмоточной меди, электротехнической
стали, различных видов изоляции и других изделий, а затраты на обслуживание
и ремонт асинхронных двигателей при их эксплуатации составляют более 5 %
общих затрат на ремонт и обслуживание всего установленного оборудования.
Следовательно, создание серий высокоэкономичных и надежных асинхронных двигателей является одной из важнейших задач для нашей страны.
Потребность в машинах постоянного тока год от года растет и, очевидно,
будет расти все более высокими темпами. Следовательно, в настоящее время
в промышленности, на транспорте, коммунальном хозяйстве и других сферах
технологической деятельности нашли самое широкое применение трансформаторы и электрические машины всех видов: асинхронные, синхронные и постоянного тока.
Несмотря на то, что в настоящее время в области электромашиностроения
достигнуты несомненные успехи, перед электромеханиками стоят трудные
и интересные проблемы, требующие глубокого знания теории проектирования
и изготовления электрических машин.
К таким проблемам относятся:
− создание электромеханических преобразователей, использующих но-
вые нетрадиционные источники энергии;
− повышение электрических показателей, улучшение надежности, сни-
жение шума и вибрации электрических машин;
− внедрение малоотходных технологий изготовления электрических машин;
− проектирование новых типов электрических машин.
Эти задачи ежедневно решаются большой армией инженеров-электромехаников, обеспечивающих технический прогресс в электромашиностроении.
По результатам освоения данного учебного пособия планируется развитие у студентов следующих навыков:
7
уметь:
- подбирать по справочным материалам электрические машины для за-
данных условий эксплуатации;
знать:
- технические параметры, характеристики и особенности различных ви-
дов электрических машин.
В результате обучения по данной программе у студентов формируются
общие и профессиональные компетенции:
общие компетенции:
1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профес-
сии, проявлять к ней устойчивый интерес.
2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы
и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность
и качество.
3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести
за них ответственность.
4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для
эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и
личностного развития.
5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.
6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами,
руководством, потребителями.
7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.
8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного
развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение
квалификации.
9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.
10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).
профессиональные компетенции:
1. Проводить анализ работоспособности измерительных приборов и
средств автоматизации.
2. Диагностировать измерительные приборы и средства автоматического
управления.
3. Производить поверку измерительных приборов и средств автоматизации.
8
РАЗДЕЛ 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ
1. Основы теории
1.1. Краткая классификация и область
применения трансформаторов
Трансформатор представляет собой статистическое электромагнитное
устройство, преобразующее на основе закона электромагнитной индукции
напряжение питающей сети (первичное напряжение) в другое по значению
напряжение (вторичное напряжение), как правило, при неизменной частоте.
Краткая классификация
Трансформаторы классифицируют:
1. По назначению:
− силовые — для питания синусоидальным напряжением силовой
нагрузки: двигателей, преобразователей, печей, освещения и т.п.;
− специальные — для питания измерительных цепей (измерительные
трансформаторы напряжения и тока); производства сварочных работ (сварочные трансформаторы); питания слаботочных цепей электронных схем, цепей
автоматизации и сигнализации и т.п.; питания однофазных цепей с регулированием напряжения (автотрансформаторы).
Примечание. В электрических цепях промышленного назначения широко
применяют трехфазные автотрансформаторы, которые также относят к силовым трансформаторам.
2. По числу фаз преобразуемого напряжения:
− однофазные (рис. 1.1, а);
− трехфазные (рис. 1.1, б);
− многофазные (шестифазные и т.п.).
3. По числу обмоток вторичного напряжения:
− с одной нерасщепленной обмоткой (рис. 1.1, в);
− с одной расщепленной обмоткой (рис. 1.1, г);
− с двумя обмотками (рис. 1.1, д).
4. По уровню вторичного напряжения:
− понижающие — вторичное напряжение меньше первичного напряже-
ния трансформатора;
9
− повышающие — вторичное напряжение больше первичного напряже-
A X a x U2
U2
U1
U2
U1
U3
U1
U2
д
a
А B C
b c n
X Y Z
a
б в г
а б в
ния трансформатора;
− разделительные — вторичное напряжение равно первичному напряже-
нию трансформатора.
Рис. 1.1. Стандартные условные обозначения трансформаторов:
U1 — первичное напряжение; U2, U3 — вторичное напряжение
5. По конструкции магнитопровода:
− с тороидальным магнитопроводом (рис. 1.2, а);
− со стержневым магнитопроводом (рис. 1.2, б);
− с броневым магнитопроводом (рис. 1.2, в).
Рис. 1.2. Конструкция магнитопровода однофазного трансформатора
10