Электропреобразовательные устройства РЭС

ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА РЭС

Г.Н. Арсеньев

2-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебника для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по  специальностям УГС 11.02.00 «Электроника, 
радиотехника и системы связи»

Регистрационный номер рецензии 390 от «13» мая 2009 г. ГУК МО РФ

УЧЕБНИК

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2019

УДК  621.314(075.32)
ББК 31.261я723
 
А85

Арсеньев Г.Н.
А85 
 
Электропреобразовательные устройства РЭС : учебник / Г.Н. Арсеньев. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 
2019. — 544 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-8199-0806-8 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-014016-2 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-107062-8 (ИНФРА-М, online)

Изложены теоретические и практические вопросы построения, физических принципов функционирования, инженерных методов анализа 
и расчета электромашинных устройств постоянного тока, синхронных 
и асинхронных генераторов и двигателей, широко применяемых в радиоэлектронных комплексах; трансформаторных устройств различного назначения; датчиков и измерительных устройств. Рассмотрены принципы 
построения источников вторичного электропитания: выпрямителей, инверторов, конверторов, стабилизаторов с непрерывным и импульсным 
регулированием, импульсных источников электропитания. Даны общие 
теоретические сведения о методах расчета, показана методика применения 
методов расчета, входящих в программы подготовки специалистов по направлению «Радиотехника». Изложение принципов функционирования 
устройств сопровождается составлением статических и динамических математических моделей в виде передаточных функций, уравнений равновесия 
эквивалентных процессов в типовых электрических цепях.
Для студентов и курсантов электро- и радиотехнических специальностей 
средних и высших учебных заведений, а также может быть полезным для 
инженеров и технических специалистов, занимающихся анализом, синтезом и эксплуатацией электропреобразовательных устройств, обеспечивающих функционирование радиоэлектронных и радиотехнических средств.

УДК 621.314(075.32)
ББК 31.261я723

Р е ц е н з е н т ы:
Лохин В.М. — доктор технических наук, профессор, заместитель 
заведующего кафедрой проблемы управления Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики — Российского технологического университета;
Горячкин В.В. — доктор технических наук, профессор кафедры математики Московского военного института радиоэлектроники Космических войск

ISBN 978-5-8199-0806-8 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-014016-2 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-107062-8 (ИНФРА-М, online)
© Арсеньев Г.Н., 2014
© ИД «ФОРУМ», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..................................................................................................8

Часть 1. Электромашинные устройства постоянного тока .........11

Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ................11

 1.1. Общие сведения и устройство 

электрических машин постоянного тока .....................................11

 1.2. Реакция якоря ...............................................................................18
 1.3. Генераторы постоянного тока и способы их возбуждения ..........21
 1.4. Статические характеристики генераторов постоянного тока .....26
 1.5. Динамические характеристики 

генератора постоянного тока 
с независимым возбуждением ......................................................29

 1.6. Тахогенераторы постоянного тока ...............................................32

Глава 2. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ 

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ — ЭМУ ..........................................37

 2.1. Применение и устройство 

электромашинных усилителей мощности ...................................37

 2.2. Принцип действия электромашинного усилителя мощности ....40
 2.3. Статические характеристики 

и коэффициент усиления электромашинного усилителя ...........42

 2.4. Динамические характеристики 

электромашинного усилителя мощности ....................................50

Глава 3. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ..........................................57

 3.1. Классификация и область применения 

двигателей постоянного тока .......................................................57

 3.2. Принцип действия и уравнения равновесия ЭДС 

двигателя постоянного тока .........................................................58

 3.3. Уравнение равновесия моментов 

двигателя постоянного тока .........................................................60

Оглавление

 3.4. Приведение моментов инерции к валу двигателя .......................61
 3.5. Пуск в ход двигателей постоянного тока .....................................62
 3.6. Рабочие характеристики двигателей постоянного тока ..............63
 3.7. Механические и регулировочные характеристики 

исполнительных двигателей постоянного тока 
при якорном управлении ..............................................................67

 3.8. Регулировочная характеристика 

двигателя постоянного тока при полюсном управлении ............72

 3.9. Динамические характеристики исполнительного 

двигателя постоянного тока при якорном управлении ...............74

3.10. Магнитоэлектрические двигатели ...............................................83
3.11. Малоинерционные двигатели постоянного тока 

с печатной обмоткой на якоре [43]...............................................86

3.12. Вентильные двигатели постоянного тока ....................................90

Часть вторая. Трансформаторные 
электропреобразовательные устройства .................................. 106

Глава 4. ТРАНСФОРМАТОРЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ....... 106

 4.1. Назначение и конструктивные элементы трансформаторов ....106
 4.2. Основные термины и определения [114] ............................ 109
 4.3. Трансформаторы питания ..........................................................113
 4.4. Трансформаторы согласующие ..................................................121
 4.5. Работа трансформатора в режиме холостого хода .....................130
 4.6. Работа трансформатора в режиме короткого замыкания .........136
 4.7. Полная и упрощенная схемы замещения 

и векторная диаграмма трансформатора, 
работающего под нагрузкой .......................................................139

 4.8. Автотрансформаторы ..................................................................141
 4.9. Измерительные трансформаторы ..............................................143

Глава 5. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ  ............... 146

 5.1. Общие положения о трехфазных системах ................................146
 5.2. Трехфазные системы, соединенные звездой ..............................149
 5.3. Трехфазные системы, соединенные треугольником .................153
 5.4. Мощность трехфазной системы .................................................154
 5.5. Трехфазные трансформаторы .....................................................156

Глава 6. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ..................................................... 158

 6.1. Общие сведения ..........................................................................158
 6.2. Устройство и принцип действия магнитного усилителя ...........159
 6.3. Конструкции магнитных усилителей .........................................164

Оглавление

 6.4. Трансформаторный магнитный усилитель ................................167
 6.5. Коэффициент усиления магнитного усилителя ........................168
 6.6. Методы повышения коэффициента усиления 

магнитного усилителя .................................................................173

 6.7. Коэффициент усиления магнитного усилителя 

с обратной связью .......................................................................174

 6.8. Магнитные усилители с внутренней обратной связью .............178
 6.9. Динамические свойства магнитных усилителей .......................180
6.10. Методы уменьшения постоянной времени 

магнитного усилителя .................................................................182

6.11. Реверсивные (двухтактные) магнитные усилители ...................185

Часть третья. Электропреобразовательные 
устройства переменного тока.................................................. 191

Глава 7. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ................................................. 191

 7.1. Общие сведения и устройство синхронных машин ..................191
 7.2. Электродвижущая сила обмотки синхронного генератора .......193
 7.3. Реакция якоря синхронного генератора ....................................195
 7.4. Параллельная работа синхронных генераторов ........................199
 7.5. Генераторы повышенной частоты ..............................................206
 7.6. Синхронные тахогенераторы .....................................................210

Глава 8. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ................................................... 212

 8.1. Синхронные двигатели и их характеристики ............................212
 8.2. Электромагнитная мощность 

и вращающий момент 
синхронных двигателей ..............................................................215

 8.3. Асинхронный пуск синхронных двигателей ..............................216
 8.4. Синхронные двигатели для систем автоматики .........................217

Глава 9. ТРЕХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ........................ 230

 9.1. Принцип действия асинхронных двигателей ............................230
 9.2. Устройство асинхронного двигателя ..........................................231
 9.3. Физические явления, происходящие 

в асинхронном двигателе при вращающемся роторе ................233

 9.4. Схема замещения асинхронного двигателя ...............................236
 9.5. Электромагнитный вращающий момент 

асинхронного двигателя .............................................................237

 9.6. Пуск в ход асинхронных двигателей ..........................................241
 9.7. Регулирование скорости вращения трехфазных 

асинхронных двигателей  ............................................................242

Оглавление

Глава 10. ОДНОФАЗНЫЕ И ДВУХФАЗНЫЕ 

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ................................................. 244

10.1. Однофазные двигатели ...............................................................244
10.2. Двухфазные асинхронные двигатели .........................................247
10.3. Динамические характеристики двухфазного исполнительного 

асинхронного двигателя .............................................................255

10.4. Асинхронные тахогенераторы ....................................................262
10.5. Гироскопические и моментные асинхронные двигатели ..........266
10.6. Линейные асинхронные двигатели ............................................269

Глава 11. ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 

СИСТЕМ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ ............................................ 272

11.1. Сельсины и режимы работы .......................................................272
11.2. Вращающиеся (поворотные) трансформаторы .........................303

Часть четвертая. Источники вторичного электропитания ........ 322

Глава 12. СРЕДСТВА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ..................... 322

12.1. Классификация. Основные термины и определения ................322
12.2. Характеристики входной электроэнергии .................................325
12.3. Электрические требования, предъявляемые 

к источникам вторичного электропитания ...............................327

12.4. Параметры источников вторичного электропитания ...............329

Глава 13. ВЫПРЯМИТЕЛИ  ..................................................................... 334

13.1. Общие сведения о выпрямителях ...............................................334
13.2. Однофазная однотактная схема выпрямителя ..........................336
13.3. Двухфазная однотактная схема выпрямителя ...........................341
13.4. Однофазная двухтактная схема выпрямителя ...........................345
13.5. Трехфазные схемы выпрямления ...............................................348
13.6. Управляемые выпрямители на тиристорах ................................353

Глава 14. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ ................................................358

14.1. Общие сведения о фильтрах 

вторичных источников питания  ................................................358

14.2. Работа выпрямителя на фильтр с емкостной реакцией  ............360
14.3. Работа выпрямителя на фильтр с индуктивной реакцией ........367
14.4. Сложные фильтры ......................................................................369

Глава 15. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ............................ 374

15.1. Параметрические стабилизаторы напряжения .........................375
15.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения 

с принципом управления по отклонению .................................381

Оглавление

15.3. Комбинированные стабилизаторы напряжения .......................399
15.4. Функциональные узлы 

компенсационных стабилизаторов напряжения .......................419

15.5. Параллельные стабилизаторы напряжения. 

Стабилизаторы тока. 
Стабилизаторы с регулированием 
на стороне переменного тока. 
Тиристорные стабилизаторы ......................................................432

15.6. Интегральные стабилизаторы напряжения ...............................444
15.7. Компенсационные импульсные стабилизаторы 

постоянного напряжения ...........................................................453

Глава 16. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ 

ПОСТОЯННОГО ТОКА .............................................................. 483

16.1. Общие положения.......................................................................483
16.2. Транзисторные преобразователи с самовозбуждением 

(автоге нераторы)  ........................................................................489

16.3. Преобразователи на тиристорах .................................................499

Глава 17. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 

С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ ................................ 504

17.1. Основные структурные схемы и входные цепи .........................504
17.2. Транзисторные усилители мощности .........................................508
17.3. Режим работы силовых транзисторов и их базовые цепи .........518
17.4. Устройства управления усилителями мощности .......................521

Литература .................................................................................................533

Предисловие

В подготовке инженеров по направлению «Радиотехни
ка» важную роль играет овладение специалистами научнотеоретическими и практическими методами получения и применения новых знаний в своей профессиональной деятельности. Теоретическое и практическое применение этих методов 
начинается уже на начальном этапе обучения, при изучении 
естественно-научных и общепрофессиональных дисциплин. Согласно государственному образовательному стандарту основной 
объем содержания обучения отводится радиотехническим и радиоэлектронным учебным дисциплинам, а также дисциплинам, 
связанным с развитием информационных технологий, информатикой, вычислительной техникой. Это в полной мере отражает 
развитие современных многофункциональных радиоэлектронных и радиотехнических комплексов, решающих сложные задачи по измерению и обработке информации от удаленных объектов, формированию управляющих воздействий и их передаче на 
объекты управления. Надежность и точность функционирования 
таких комплексов, функционально объединенных в радиоэлектронные системы, во многом определяется энергетическим, техническим и эксплуатационным обеспечением. Функционирование аппаратной части практически в любой радиоэлектронной 
системе обеспечивается примерно такой же по объему технической частью энергетического и сервисного обеспечения. В этой 
связи специальной дисциплине «Электропреобразовательные 
устройства РЭС» отводится особое и важное место в подготовке 
специалистов по направлению «Радиотехника».

Важность этой дисциплины обусловливается не только сво
им содержанием, которое охватывает источники вторичного 
электропитания, трансформаторы, электромашинные устройства, а также методы их проектирования и анализа, но и малым 
временем, которое отводится на изучение достаточно сложных 
физических процессов в электрических машинах и устройствах, 
их математического описания.

Предисловие

Автор при выборе структуры и содержания учебника, мето
дики его изложения стремился охватить как наиболее важные, 
уже широко применяемые устройства в РЭС в различных образцах радиоэлектронной техники, так и учесть результаты современных достижений в проектировании электропреобразовательных и устройств вторичного питания. В учебнике показаны 
конструктивные особенности устройств, изложены физические 
принципы их работы, а также методы анализа в статическом и 
динамическом режимах. 

Учебник состоит из четырех частей.
Часть первая. Электропреобразовательные устройства посто
янного тока.

Содержание этой части включает теорию генераторов посто
янного тока, электромашинных усилителей мощности, двигателей постоянного тока.

Часть вторая. Трансформаторные электропреобразовательные 

устройства.

В этой части рассмотрены трансформаторные электропреоб
разовательные устройства, трехфазные системы и трансформаторы, магнитные усилители.

Часть третья. Электропреобразовательные устройства перемен
ного тока.

В эту часть включены вопросы теории и практики примене
ния синхронных генераторов, синхронных двигателей, трехфазных асинхронных двигателей, одно- и двухфазных асинхронных 
двигателей, электропреобразовательных устройств систем синхронной связи.

Четвертая часть. Источники вторичного электропитания.
В этой части рассмотрены средства вторичного электропи
тания (классификация, основные термины и определения), 
вопросы теории и практического применения выпрямителей, 
сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения и тока, 
преобразователей напряжения постоянного тока (инверторов, 
конверторов), источников питания с бестрансформаторным 
входом.

В книге на примерах конкретных устройств изложено прак
тическое применение методов их анализа и расчета. Расчет и 
анализ динамических характеристик осуществляются временными и операторными методами, аналитическими и численными способами. 

Предисловие

При изложении материала, особенно методов анализа, автор 

стремился максимально использовать те теоретические методы, а именно частотные, операторные и временные, которые 
изучались в курсе «Математика». Эти методы являются основополагающими при подготовке специалистов по радиотехнике и 
радиоэлектронным системам. 

При изучении обучающимися в специальных дисциплинах 

образцов радиоэлектронных систем, систем автоматического 
управления содержание книги будет способствовать более быстрому установлению связи между конкретным исполнением 
образца системы, принципами его функционирования и методами теоретического анализа. Комплексное и взаимосвязанное 
изложение материала способствует более глубокому раскрытию 
и пониманию физических процессов в сложных системах, их 
математического описания и формированию обучающимися 
способностей анализировать современное состояние и определять направления развития теории и практики электропреобразовательных устройств в радиоэлектронных средствах.

Автор благодарен рецензентам доктору технических наук, 

профессору В.М. Лохину, доктору технических наук, профессору В.В. Горячкину за ценные замечания и предложения, которые 
способствовали улучшению содержания учебника. 

Часть 1 

Электромашинные устройства 

постоянного тока

Глава 1 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 

ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. Общие сведения и устройство 
электрических машин постоянного тока

Электрическая машина состоит из неподвижной части — 

статора и вращающейся — ротора. В машинах постоянного 
тока ротор включает в себя якорь (обмотку с сердечником) и коллектор, служащий для выпрямления тока.

Рассмотрим отличительные особенности электрических ма
шин постоянного и переменного тока [43]. Работа электрической машины переменного тока (рис. 1.1, а) в качестве генератора заключается в следующем: при вращении рамки в постоянном 

магнитом поле в проводниках ab и cd наводится электродвижущая 
сила (ЭДС), направление которой определяется по правилу правой руки. Ток по внешней цепи направлен от кольца 1 к кольцу 2. 
При повороте рамки на 180°проводники ab и cd меняются местами, в результате этого изменяется направление тока во внешней 

Рис. 1.1. Принцип действия электрических машин: 

а — пременного тока; б — постоянного тока

12
Глава 1. Общие положения теории электрических машин постоянного тока

цепи. Таким образом, в контуре действует переменная ЭДС и течет переменный ток, дважды изменяющий свое направление за 
один поворот рамки.

При синусоидальном распределении индукции в зазоре и 

постоянной частоте вращения рамки ЭДС во времени изменяется синусоидально. При этом в рамке наводится ЭДС частотой 
f = pn/60, где p — число пар полюсов машины; n — частота вращения рамки.

Для преобразования ЭДС применяют коллектор, в простей
шем случае представляющий собой два полукольца. Щетки на 
коллекторе устанавливаются так, чтобы переход каждой из щеток с одной пластины на другую происходил в тот момент, когда 
наводимая в рамке ЭДС равна нулю (рис. 1.1, б). В этом случае 
в рамке abcd наводится переменная ЭДС, но в каждой из щеток 
наводится ЭДС только одного знака. Например, щетка А, касаясь пластины 1, имеет положительный потенциал, так как в ней 
наводится ЭДС от проводника ab, находящегося под северным 
полюсом. При повороте рамки на 180° щетка А соприкасается с 
пластиной 2, но попрежнему имеет положительный потенциал, так как в ней наводится ЭДС от проводника cd, заменившего проводник ab под северным полюсом. Проведя аналогичное 
рассуждение, можно видеть, что щетка В имеет всегда только 
отрицательный потенциал. Таким образом, во внешнем участке цепи действует пульсирующая ЭДС (рис. 1.2, а). При увеличении числа витков и коллекторных пластин пульсация ЭДС 
уменьшается (рис. 1.2, б).

Рис. 1.2. Форма выпрямленной ЭДС на щетках: 

а — при одном витке и паре коллекторных пластин; б — при двух витках и четырех кол
лекторных пластинах

13
1.1. Общие сведения и устройство электрических машин постоянного тока

При восьми коллекторных пластинах, приходящихся на каж
дый полюс, пульсация напряжения на щетках не превышает 1% 
от среднего значения, поэтому ток, протекающий во внешней 
цепи, можно считать практически постоянным.

Устройство электрических машин постоянного тока [43]. 

На рис. 1.3 показано устройство микромашины постоянного 
тока закрытого исполнения. Статор такой машины состоит из 
станины 1, выполняемой из цельнотянутой стальной трубы. 
Станина служит основанием для крепления неподвижных частей, а также является одним из участков в магнитной цепи машины. К внутренней поверхности станины крепятся главные 
полюсы, набранные из листовой стали толщиной 0,5 мм.

Главные полюсы состоят из сердечников 2 и обмоток возбуж
дения 3. Сердечники имеют полюсные наконечники 4, которые 
обеспечивают нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Катушки главных полюсов соединяются, образуя 
обмотку возбуждения так, чтобы при прохождении тока полярность полюсов чередовалась. Иногда вместо электромагнитов для 
возбуждения используют постоянные магниты. В машинах мощностью более 1000 Вт между главными устанавливают добавочные полюсы, которые служат для улучшения коммутации.

Якорь 5 состоит из сердечника, набранного из листов элект
ротехнической стали, покрытых лаком для уменьшения вихревых 
токов, возникающих при перемагничивании якоря во время его 
вращения в магнитном поле. В изолированные пазы цилиндри
Рис. 1.3. Изображение электрической машины постоянного тока малой мощности

Глава 1. Общие положения теории электрических машин постоянного тока

ческой поверхности сердечника якоря укладывают обмотку 6, 
которую закрепляют в пазах с помощью гетинаксовых или деревянных клиньев. Выступающие за сердечник части обмотки 
укрепляют на якоре с помощью специальных бандажей. Концы 
обмотки якоря присоединяют к пластинам коллектора 7. Коллектор представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из 
отдельных медных пластин. Коллекторные пластины тщательно 
изолируются друг от друга миканитовыми манжетами. Коллекторная пластина вместе с изоляцией между пластинами образует 
коллекторное деление. Соединение секций обмотки с коллекторными пластинами производят с помощью специальных хомутиков, надеваемых на концы секций и впаиваемых в концы коллекторных пластин. Коллектор так же, как и сердечник якоря, жестко 
закрепляют на валу 9 с насаженными на нем подшипниками 8.

Внешнюю цепь машины присоединяют к коллектору по
средством графитовых, электрографитизированных или металлографитовых щеток 11, которые помещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Щеткодержатели монтируют на переднем подшипниковом щите 10.
Передний и задний щиты крепят болтами к станине. В расточки 
щитов помещают шариковые или роликовые подшипники.

Обмотки якоря. Обмотки якоря электрических машин посто
янного тока делят на петлевые (простые и сложные), смешанные 
и специального назначения. Простые обмотки образуют только 
одну замкнутую на себя систему проводников, сложные — одну 
или несколько таких систем [43].

Основным элементом обмотки является секция. Секцией на
зывают часть обмотки якоря, состоящую из одного, двух витков и более и находящуюся между двумя следующими друг за 
другом по схеме обмотки коллекторными делениями. Секции 
обмотки в определенном порядке укладывают в пазах якоря и 
присоединяют к коллектору. Те части секции, которые расположены в пазах, называют активными сторонами, вне пазов — 
лобовыми частями. В машинах средней и большой мощности 
секции укладывают в пазах сердечника якоря в два слоя. Причем если одну активную сторону располагают в верхнем слое 
одного паза, то другую — в нижнем слое другого паза, отстоящего от первого на расстоянии, точно или приблизительно 
равном полюсному делению. В этом случае в проводниках наводятся ЭДС разных знаков.

1.1. Общие сведения и устройство электрических машин постоянного тока

Для того чтобы правильно соединить секции между собой и 

с коллекторными пластинами, необходимо знать шаги обмотки по якорю и коллектору. В электрических машинах средней и 
большой мощности шаги обмотки по якорю измеряют числом 
элементарных пазов, шаги по 
коллектору — числом коллекторных пластин. Под элементарным 
пазом понимают часть реального паза с двумя активными сторонами, расположенными одна 
над другой и принадлежащими 
разным секциям (рис. 1.4). Один 
элементарный паз соответствует 
одной секции или одному делению коллектора, т. е. zэ = s = k,
где zэ  —число элементарных пазов; s — число секций; k — число коллекторных пластин. В микромашинах число реальных 
пазов z = zэ.

На рис. 1.5 показаны схемы соединения секций петлевой и 

волновой обмоток якоря с обозначением шагов обмотки.

Рис. 1.5. Схемы соединений обмоток якоря:

а — петлевой; б — волновой

Различают следующие шаги обмотки: y1 — первый шаг по 

якорю, равный расстоянию между первой и второй активными 
сторонами одной и той же секции; y2 — второй шаг по якорю, 
равный расстоянию между второй активной стороной любой 
секции и первой активной стороной следующей последовательно 
соединенной с ней секции; y — результирующий шаг по якорю, 
равный расстоянию между соответствующими активными сторо
Рис. 1.4. Реальные и элементарные 

пазы якоря

16
Глава 1. Общие положения теории электрических машин постоянного тока

нами двух секций, следующих друг за другом по схеме обмотки; 
yk — шаг по коллектору, равный расстоянию между делениями 
коллектора, к которым присоединена секция.

Для правильного выполнения обмотки шаги y и yk должны 

находиться во взаимном соответствии (шаг обмотки по якорю 
не может отставать от шага по коллектору или опережать его), 
т. е. y = yk .

Обмотка состоит из участков, в пределах каждого из которых 

ЭДС действует в одном направлении. Каждый такой участок называют ветвью обмотки. Каждая ветвь обмотки занимает часть 
окружности якоря, соответствующую одному полюсу. Такую 
часть называют полюсным шагом (полюсным делением) τ = πD/(2p), 
где D — диаметр якоря. В двух находящихся рядом ветвях ЭДС 
направлены встречно и их сумма при обходе всей обмотки равна 
нулю, т. е. ЭДС внутри обмотки взаимно уравновешиваются. Такие обмотки называют уравновешенными (симметричными).

Щетки устанавливают на коллекторе таким образом, чтобы 

разность потенциала между ними бала наибольшей. Для этого 
секции, замыкаемые щетками накоротко, должны располагаться 
на геометрических нейтралях — линиях, проходящих посередине между соседними полюсами. Щетки одинаковой полярности 
соединяют параллельно и выводят на щиток машины. Напряжение на зажимах обмотки равно ЭДС только одной ветви, а ток, 
текущий по внешней цепи, — сумме токов отдельных ветвей.

ЭДС обмотки якоря. Мгновенное значение ЭДС одного про
водника определяется из выражения

e = lνB,
(1.1)

где l — активная длина проводника, м; ν — скорость движения 
проводника, м/с; B — магнитная индукция, Вб/м2 (Тл).

Скорость движения проводника

где Da — диаметр якоря; n — скорость вращения якоря, об/мин.

Магнитная индукция

где Ф —магнитный поток; S — площадь полюса.

В электрических машинах при определении ЭДС обмотки 

якоря используются скорость вращения n и магнитный поток Ф, 

1.1. Общие сведения и устройство электрических машин постоянного тока

следовательно,

Ea = CenФ. 
(1.2)

Здесь Се — постоянный конструктивный коэффициент, опре
деляемый по выражению
 
 
(1.3)
,

где N — количество проводников обмотки якоря; p — число пар 
полюсов; a — число пар параллельных ветвей.

Если ширина секции меньше полюсного деления (y1 < τ), то 

магнитный поток, пронизывающий секцию, а следовательно, 
и ЭДС уменьшаются. Такое же влияние на магнитный поток и 
ЭДС оказывает сдвиг щеток с геометрической нейтрали.

Характеристика холостого хода генератора (статическая характе
ристика). Характеристика холостого хода показывает зависимость 
напряжения Uxx генератора от тока возбуждения Iв при отсутствии 
тока нагрузки Iн и постоянной номинальной скорости вращения 
nном , т. е. Uxx = f(Iв) при Iн = 0 и n = nном = const (рис. 1.6).

Опыт следует начинать с тока 

возбуждения Iв = 0, при этом напряжение на зажимах генератора 
будет определяться ЭДС от магнитного потока остаточного намагничивания (отрезок 0С). Затем доводят Uxx до (1,2–1,25)Uном
и идут в обратном порядке, доводя ток возбуждения до нуля. 
Таким образом, получаем восходящую и нисходящую ветви характеристики, которые не совпадают в результате гистерезиса. 
Для практических целей используется кривая, проведенная между восходящей и нисходящей 
ветвями.

При холостом ходе ток якоря Ia равен нулю, поэтому характерис
тика холостого хода является кривой намагничивания машины:

Фxx = f(F0),

где магнитодвижущая сила (МДС) F0 = Iвwв (wв — количество витков обмотки возбуждения).

Действительно, при n = const

Uxx = Ea = CenФxx ≡ Фxx, а F0 = Iвwв ≡Iв.

Рис. 1.6. Характеристика холостого 

хода

18
Глава 1. Общие положения теории электрических машин постоянного тока

В начальной части (0,55–0,6)Фном эта характеристика пря
молинейна, так как при малых значениях потока Ф сталь машины слабо насыщена и МДС практически затрачивается на 
проведение потока только через воздушный зазор между полюсами и якорем, так как Ф = Iвwв/Rм, а магнитное сопротивление Rм = l/μS ≈ const.

По мере увеличения потока (индукции) все большая часть 

МДС тратится на проведение потока по стали. При этом происходит насыщение стали магнитопровода, а магнитное сопротивление Rм этих участков увеличивается. Поэтому кривая намагничивания получает все больший наклон к оси абсцисс. Точка 
N, соответствующая номинальному напряжению Uном, обычно 
лежит на колене кривой (перегибе), так как при работе машины 
на прямолинейной части кривой напряжение генератора неустойчиво, а при работе на насыщенной части кривой ограничивается возможность регулирования напряжения.

Площадь, ограниченная восходящей и нисходящей ветвями, 

дает потери в стали машины на перемагничивание — гистерезис. Таким образом, по характеристике холостого хода можно 
судить о магнитных свойствах машины.

1.2. Реакция якоря

Общие положения о реакции якоря. Когда машина работа
ет вхолостую, в ней существует только магнитное поле (МДС) 
главных полюсов Фхх. При нагрузке по обмотке якоря течет ток, 
создавая магнитное поле (МДС) якоря Фa. Поэтому магнитный 
поток, который существует в машине, работающей под нагрузкой, следует рассматривать как результирующий поток (созданный результирующей МДС). На основании сказанного дадим 
определение реакции якоря.

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля якоря 

на магнитное поле полюсов.

При анализе реакции якоря воспользуемся методом наложе
ния. Сущность его состоит в том, что вначале строится картина магнитного поля полюсов при условии, что магнитное поле 
якоря отсутствует. Затем строится картина магнитного поля 
якоря с учетом того, что магнитное поле полюсов отсутствует. 
Для получения результирующего магнитного поля эти две картины совмещаются.

1.2. Реакция якоря

Магнитное поле полюсов. Основное поле возникает при хо
лостом ходе возбужденной машины (ток якоря Iа = 0). Распределение магнитного поля полюсов показано на рис. 1.7. Оно является симметричным как относительно геометрической нейтрали 
х — х, так и относительно оси главных полюсов у — у и занимает 
неизменное положение в пространстве.

В обмотке якоря индуцируется ЭДС, которая показана крес
тиками и точками в проводниках.

Магнитное поле полюсов изобразим вектором МДС F0

(рис. 1.8).

Рис. 1.7. Магнитное поле главных 

полюсов

Рис. 1.8. Векторные диаграммы 

МДС полюсов и якоря

Магнитное поле якоря. Предположим, что машина не возбужде
на, но якорь вращается по часовой стрелке. По обмотке якоря пропустим ток от постороннего источника тока (аккумулятора и т. п.) в 
таком направлении, в каком ранее действовала ЭДС (см. рис. 1.7).

Магнитное поле (рис. 1.9), создаваемое этими токами, рас
полагается симметрично относительно геометрической нейтрали х–х. Причем левая половина якоря приобретает северную полярность Nа, правая — южную Sа, и осевая линия поля 
совпадает с геометрической нейтралью. Легко заметить, что 
магнитное поле якоря является неподвижным в пространстве, 

Глава 1. Общие положения теории электрических машин постоянного тока

несмотря на то, что якорь вращается. Это объясняется тем, что 
линия токораздела якоря также неподвижна в пространстве 
(линия х–х).

Такой магнитный поток якоря Фа является поперечным и его 

изображаем вектором МДС Fа (см. рис. 1.8).

Реакция якоря в генераторе. Прежде чем рассмотреть карти
ну результирующего магнитного поля в генераторе, работающем под нагрузкой, произведем сложение векторов МДС F0 и 
Fа (рис. 1.8). Линия, проведенная перпендикулярно к вектору 
результирующей МДС Fрез, определяет так называемую физическую нейтраль Фн.

Физической нейтралью называется линия, проведенная че
рез ось якоря, к которой линии магнитной индукции перпендикулярны. При холостом ходе физическая нейтраль совпадает 
с геометрической, которая всегда проходит посредине между 
главными полюсами. В зависимости от нагрузки физическая 
нейтраль перемещается по окружности якоря.

На рис. 1.10 изображена картина распределения результиру
ющего магнитного поля генератора.

Рис. 1.9. Магнитное поле якоря
Рис. 1.10. Картина распределения 
результирующего магнитного поля 

машины