Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебное пособие.pdf
А. В. Угольников
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Учебное пособие
2-е издание, стереотипное
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2026
УДК 62
ББК 31.2
У26
Авт
ор:
Угольников А. В. — канд. техн. наук, доц.,
зав. кафедрой электротехники
Уральского государственного горного университета, профессор РАЕ
цензент:
Ре
Юнусов Х. Б. — канд. техн. наук, доц. кафедры ЭГП
Уральского государственного горного университета
ольников, Александр Владимирович.
Уг
У26 Электрические машины : учебное пособие / А. В. Угольников. — 2-е изд.,
стер. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2026. — 157 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-
5-4497-0020-9
Учебное пособие содержит основные сведения об асинхронных двигателях, машинах постоянного тока и трансформаторах. В издание также
включены лабораторные и расчетно-графические работы с методическими
указаниями к их выполнению.
Подготовлено с учетом требований Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.
Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей
и направлений подготовки, учебными планами которых предусмотрено
изучение дисциплины «Электрические машины».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-0020-9 © Угольников А. В., 2019
© ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026
Учебное издание
Угольников Александр Владимирович
Редактор Н.Г. Шиндина
Технический редактор, компьютерная верстка Е.В. Якубович
Корректор А.В. Полева
Обложка С.С. Сизиумовой, фотобанк Freepik
Подписано к использованию 05.09.2025. Объем данных 8 Мб.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................... 6
РАЗДЕЛ 1. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ............................................................................. 9
1. Основы теории .......................................................................................................................... 9
1.1. Принцип работы асинхронного двигателя ................................................................... 9
1.2. Схема замещения асинхронного двигателя ................................................................ 15
1.3. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя ................................................ 20
1.4. Уточненная Г-образная схема замещения.
Ток ротора и электромагнитный момент ........................................................................... 22
1.5. Построение механической характеристики
по каталожным данным. Формула Клосса ......................................................................... 28
1.6. Рабочие характеристики ............................................................................................... 29
1.7. Реостатный пуск асинхронного двигателя ................................................................. 30
2. Лабораторная работа «Испытание асинхронного
двигателя с фазным ротором» ................................................................................................. 33
2.1. Цель работы ................................................................................................................... 33
2.2. Объект и средства испытания ...................................................................................... 33
2.3. Рабочее задание ............................................................................................................. 34
2.4. Методические рекомендации по выполнению рабочего задания ........................... 35
2.5. Расчетная часть .............................................................................................................. 41
2.6. Методические указания к оформлению отчета по лабораторной работе ............... 42
3. Расчетно-графическая работа «Испытание асинхронного
двигателя с фазным ротором» ................................................................................................. 44
Методические указания для выполнения расчетно-графической работы ...................... 50
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................. 57
РАЗДЕЛ 2. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ................................................................... 58
4. Основы теории ........................................................................................................................ 58
4.1. Конструкция машин постоянного тока ....................................................................... 58
4.2. Принцип действия двигателя постоянного тока ........................................................ 59
4.3. Электромагнитный момент и КПД двигателя постоянного тока ............................. 62
4.4. Реакция якоря ................................................................................................................ 64
4.5. Пуск двигателя постоянного тока................................................................................ 66
4.6. Моментные и скоростные характеристики двигателя
постоянного тока с независимым возбуждением .............................................................. 69
4.7. Регулирование скорости вращения якоря и механические
характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ............... 70
4.8. Регулировочные и рабочие характеристики двигателя постоянного тока ............. 73
5. Лабораторная работа «Испытания двигателя постоянного тока
с независимым возбуждением» ................................................................................................ 76
5.1. Цель работы ................................................................................................................... 76
5.2. Объект и средства испытания ...................................................................................... 76
5.3. Рабочее задание ............................................................................................................. 78
5.4. Методические рекомендации по выполнению рабочего задания ............................ 79
5.5. Расчетная часть .............................................................................................................. 86
5.6. Методические указания к оформлению отчета по лабораторной работе ................ 88
4
6. Расчетно-графическая работа «Исследования двигателя
постоянного тока с параллельным возбуждением» ................................................................ 89
Методические указания для выполнения расчетно-графической работы ...................... 91
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................. 99
РАЗДЕЛ 3. ТРАНСФОРМАТОРЫ ........................................................................................... 100
7. Основы теории ...................................................................................................................... 100
7.1. Краткая классификация и область применения трансформаторов ....................... 100
7.2. Паспортные данные трансформаторов ..................................................................... 103
7.3. Устройство трансформаторов .................................................................................... 104
7.4. Однофазные двухобмоточные трансформаторы ...................................................... 105
7.4.1. Принцип действия трансформатора ................................................................ 106
7.4.2. Режим холостого хода трансформатора ......................................................... 110
7.4.3. Режим нагрузки трансформатора .................................................................... 112
7.4.4. Уравнение электрического состояния трансформатора ................................ 116
7.4.5. Схемы замещения приведенного трансформатора ........................................ 118
7.4.6. Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки
трансформатора. Внешние характеристики трансформатора ................................ 121
7.4.7. Энергетическая диаграмма и КПД трансформатора ..................................... 124
7.4.8. Испытание трансформатора косвенным методом ......................................... 126
8. Лабораторная работа «Испытания однофазного трансформатора» .......................... 133
8.1. Цель работы ................................................................................................................. 133
8.2. Последовательность выполнения работы ................................................................. 133
8.3. Содержание отчета по лабораторной работе ............................................................ 137
9. Расчетно-графическая работа «Исследование
трехфазного трансформатора» .............................................................................................. 138
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:
уметь:
- подбирать по справочным материалам электрические машины для за-
данных условий эксплуатации;
7
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. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
1. Основы теории
1.1. Принцип работы асинхронного двигателя
Трехфазные асинхронные двигатели (АД) были впервые разработаны
и использованы для промышленных целей русским электротехником М. О. До-
ливо-Добровольским в 90-х гг. прошлого века. В настоящее время АД вслед-
ствие простоты, надежности и сравнительно невысокой стоимости получили
наибольшее распространение в качестве силового электропривода, в том числе
в горной промышленности.
Неподвижная часть АД — статор — содержит магнитопровод, набран-
ный из листов электромеханической стали. В пазах магнитопровода уложена
трехфазная обмотка, катушки которой сдвинуты в пространстве на 120 элек-
трических градусов. Отметим, что в отличие от трансформатора обмотка стато-
ра АД выполнена распределенной, т.е. каждая фазная обмотка разделена на не-
сколько катушечных групп, соединенных последовательно и уложенных в со-
седние пазы.
В расточке статора расположена вращающаяся часть АД — ротор, сер-
дечник его также выполнен шихтованным и образует с сердечником статора
магнитную систему с воздушным зазором. В пазы магнитопровода ротора уло-
жена либо фазная, т.е. имеющая столько же фаз, сколько и обмотка статора,
изолированная от магнитопровода обмотка либо короткозамкнутая. Последняя
состоит из расположенных в пазах магнитопровода ротора стержней, соединен-
ных по торцам короткозамыкающими кольцами. Обычно короткозамкнутая об-
мотка выполняется заливкой под давлением в пазы ротора расплавленного
алюминия и не имеет изоляции от магнитопровода.
Для того чтобы привести во вращение ротор АД, в статоре необходимо
создать вращающееся магнитное поле. В дальнейших рассуждениях полагаем,
что асинхронная машина двухполюсная, симметричная, ненасыщенная, имею-
щая гладкий воздушный зазор. К обмоткам статора подводится трехфазная
симметричная система ЭДС, обмотки соединены звездой или треугольником,
и под действием приложенной ЭДС в обмотках протекают синусоидальные то-
ки, мгновенные значения которых равны соответственно i
9
, ib, ic (рис. 1.1, а).
a
Магнитопровод
Магнитопровод
статора
Z
δ
Обмотка
Обмотка
Вал ротора
A
B б X C Y M а
2π 0
ωt
ωt2 ωt1 ωt0 π ic i
ia i
в г д A A A Z
Z Z Y Y Y C C
C
X
X X B B B
B
. B .
B
.
ротора
b
ротора
статора
Рис. 1.1. К принципу получения вращающегося магнитного поля
На рис. 1.1, б показана электромагнитная схема асинхронной машины.
Для наглядности изложения фазные обмотки статора показаны в сечении сосредоточенными, состоящими из одного витка. A, B, C обозначают начала фаз;
X, Y, Z — концы фаз. На рис. 1.1, в, г, д показан только магнитопровод статора
с обмотками. Условимся положительное мгновенное значение тока в проводниках обмотки статора обозначать ⊗, отрицательное — ⊙.
В момент времени t = 0, ωt = ωt
В ток i
имеет отрицательное значение, что отмечено в проводе В знаком ⊙, со-
b
ответственно в проводе Y — ⊗. Согласно закону электромагнитной индукции
вокруг проводников В и Y наводится магнитное поле, направление которого
можно определить по правилу правоходного винта (см. рис. 1.1, в). Ток
в проводнике С имеет положительное значение, что отмечено на рис. 1.1, в —
(см. рис. 1.1, в) ток в фазе А ia = 0, в фазе
0
знаком ⊗, а в проводнике Z — отрицательное значение, отмеченное ⊙. Маг-
10