Электрические машины : синхронные машины и микромашины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 3044 

Кафедра электротехники и информационно-измерительных
систем 

В.Е. Фединцев 
 
 

Электрические машины

Синхронные машины и микромашины 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 621.3 
 
Ф32 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин 

Фединцев В.Е. 
Ф32  
Электрические машины : синхронные машины и микромашины : учеб. пособие / В.Е. Фединцев. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2017. – 33 с. 
 

Рассмотрены устройство и принцип действия, энергетические и внешние 
характеристики синхронных машин, микродвигателей и микромашин автоматических устройств.  Излагаются способы регулирования скорости и торможения синхронных двигателей, работа синхронных генераторов на автономную нагрузку и параллельная работа на общую сеть. Для лучшего освоения материала приведены структурные схемы всех электрических машин. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в энергосбережении». 

УДК 621.3 

 
 В.Е. Фединцев, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 4 
1. Синхронные машины ........................................................................... 6 
1.1. Области применения синхронных машин .................................. 6 
1.2. Устройство и принцип действия синхронной машины ............ 7 
1.3. Синхронные генераторы .............................................................. 9 
1.4. Синхронный двигатель .............................................................. 13 
1.5. Синхронные компенсаторы ....................................................... 18 
2. Микромашины .................................................................................... 20 
2.1. Однофазные асинхронные двигатели ....................................... 20 
2.2. Двухфазный асинхронный двигатель ....................................... 21 
2.3. Двухфазный асинхронный двигатель с полым ротором ......... 22 
2.4. Тахогенераторы .......................................................................... 22 
2.5. Асинхронный тахогенератор ..................................................... 25 
2.6. Шаговые электродвигатели ....................................................... 28 
2.7. Линейные шаговые двигатели ................................................... 30 
Библиографический список ................................................................... 32 
 

Введение 

Классификация электрических машин 

Все электрические машины можно классифицировать по ряду 
признаков. 
1. По назначению: 
– электрические генераторы, преобразующие механическую 
энергию в электрическую; 
– электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую; 
– электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз; 
– электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии; 
– электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы. 
2. По роду тока: 
– электрические машины постоянного тока; 
– электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные. 
3. По мощности: 
– микромашины – до 500 Вт; 
– машины малой мощности – 0,5…10 кВт; 
– машины средней мощности – 10…300 кВт; 
– машины большой мощности – свыше 300  кВт. 
4. По частоте вращения: 
– тихоходные – до 300 об/мин; 
– средней быстроходности –300…1500 об/мин; 
– быстроходные – 1500…6000 об/мин; 
– сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин. 
5. По степени защиты: 
– исполнение открытое (соответствует степени защиты IP00); 
– защищённое (IP21, IP22); 
– брызгозащищённое и каплезащищённое (IP23, IP24); 
– водозащищённое (IP55, IP56); 

– пылезащищённое (IP65, IP66); 
– закрытое (IP44, IP54); 
– герметичное (IP67, IP68). 
6. По группе эксплуатации. 
Каждая электрическая машина относится к какой–либо группе 
эксплуатации, обозначаемой М1 – М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определённой частотой, к ускорениям и ударам. В основном машины общего назначения 
относятся к группе М1, предусматривающих их размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок. 
7. По продолжительности и особенностям работы машины. 
Продолжительность и особенности работы машины характеризуются режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах. 
8. По способу монтажа. 
Исполнение электрической машины по способу монтажа обозначается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001 
и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности, 
электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной 
поверхности и т.д.). 
Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение 
конца вала (цилиндрический, конический и пр.). 
Основные показатели и характеристики электрической машины, 
на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются в паспорте или на табличке, прикреплённой к корпусу машины 
(см. рисунок). 

 

Табличка с номинальными параметрами 

1. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 

1.1. Области применения синхронных машин 

Синхронными называются электрические машины переменного 
тока, у которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора.  Синхронные машины могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. 
В настоящее время большинство электрических станций оснащено трёхфазными синхронными генераторами, которые являются основными источниками электроэнергии. Синхронные генераторы 
приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, 
а в некоторых случаях двигателями внутреннего сгорания. 
Мощность современных синхронных генераторов достигает 1500 
МВ·А; проектируются энергоблоки и большей мощности. Мощные 
синхронные генераторы в большинстве случаев работают совместно 
(параллельно) друг с другом, и вырабатываемая ими энергия поступает в общую электрическую сеть. Кроме того, синхронные генераторы служат источниками автономного питания на транспорте, в летательных аппаратах и на передвижных электростанциях.  
Синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная частота вращения. Мощные синхронные двигатели устанавливаются на металлургических заводах, шахтах, холодильниках, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов, где они приводят во вращение прокатные станы, насосы, 
вентиляторы, компрессоры и т.п. Специальные синхронные двигатели малой мощности (микродвигатели) широко используются в системах управления и приборных системах: электрочасах, автоматических самопишущих приборах, устройствах программирования, системах звуко- и видеозаписи и др. 
Весьма ценным качеством синхронных двигателей является их 
способность работать при токе, опережающем по фазе питающее напряжение. Это свойство используется для увеличения коэффициента 
мощности (cos φ) в сети. Специальные синхронные двигатели, предназначенные для увеличения коэффициента мощности, называются 
синхронными компенсаторами. Они устанавливаются на крупных 
промышленных предприятиях и подстанциях. 

1.2. Устройство и принцип действия 
синхронной машины 

Синхронная машина состоит из двух основных частей – статора 
и ротора. Синхронные машины имеют такую же конструкцию статора и его обмотки, что и асинхронные двигатели. 
На рис. 1.1 представлена схема включения и механическая характеристика синхронной машины. 

 

Рис. 1.1. Схема включения (а) 
и механическая характеристика (б) синхронной машины 

В большинстве синхронных машин ротор представляет вращающийся электромагнит, возбуждаемый постоянным током. Постоянный ток 
подаётся от электромашинного или тиристорного возбудителя. Наличие 
в электрической цепи ротора источника постоянного тока принципиально отличает синхронную машину от асинхронного двигателя. 
Роторы бывают двух типов: 
– с явно выраженными полюсами; 
– неявно выраженными полюсами. 
Роторы с явно выраженными полюсами применяются в сравнительно тихоходных машинах (80…1000 об/мин), например в гидрогенераторах. Конструктивно ротор этого типа состоит из вала 1, ступицы 2, полюсов 3 и полюсных катушек возбуждения 4, размещённых на полюсах (рис. 1.2). 
Для быстроходных машин такая конструкция неприемлема из-за 
большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим больших 
центробежных сил.  
 

Двигательный режим

Рис. 1.2. Ротор с явно выраженными полюсами 

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2, сердечник изготавливается из стальной поковки цилиндрической формы, на его внешней поверхности проточены пазы, в 
которые закладывается обмотка возбуждения (рис. 1.3). 

 

Рис. 1.3. Ротор с неявно выраженными полюсами 

Частота вращения синхронного двигателя в установившемся режиме сохраняется постоянной до определённого момента нагрузки, 
не превышающего максимального момента двигателя Ммах: 

 
n0 = 60f1/p. 
(1.1) 

Если момент нагрузки превысит максимальный момент, то двигатель может выпасть из синхронизма и скорость двигателя изменится. 
 

1

2
3

1.3. Синхронные генераторы 

Принцип работы синхронного генератора 

Принцип действия и физические процессы в нагруженном синхронном генераторе наглядно отображаются на структурной схеме 
(рис. 1.4). 

 

Рис. 1.4. Структурная схема синхронного генератора 

Приводной двигатель ПД развивает момент Мпд и вращает ротор 
гeнеpaтора с частотой no. По обмотке ротора протекает постоянный 
ток ее мдс Fв создает магнитный поток ротора Фо. Вращаясь вместе с 
ротором относительно статора, поток Фо в соответствии с законом 
электромагнитной индукции (ЭМИ) индуцирует в каждой фазе обмотки статора ЭДС Е0. При замкнутой внешней цепи по обмоткам 
статора протекает ток нагрузки I, который, в свою очередь, образует 
МДС статора Fст. 
МДС Fст создаёт магнитный поток реакции ротора Фр и поток рассеяния Фd (аналогичный асинхронному двигателю), который замыкается поперёк пазов статора и вокруг лобовых частей обмотки статора. Эти потоки наводят в обмотке статора ЭДС Ер и Еd. 
Векторная сумма ЭДС Е = Е0 + Ер + Еd и падения напряжения на 
активном сопротивлении обмотки статора R1 равно напряжению U на 
выводах генератора.  
Магнитные потоки статора Фр и Фd складываются c магнитным 
потоком ротора Фо, который, взаимодействуя с током статора I, обра

зует тормозной момент Мпр, противодействующий вращающему моменту Мпд приводного двигателя ПД. Вырабатываемая статором генератора активная мощность Р поступает в электрическую нагрузку. 

Уравнение напряжений обмотки статора 

На рис. 1.5 приведена схема замещения одной фазы статора генератора. 

 

Рис. 1.5. Схема замещения фазы статора синхронного генератора 

Составим по этой схеме уравнение по второму закону Кирхгофа: 

 
E = E0 + Ep + Ed = U + R1I, 
(1.2) 

где Ео – ЭДС, индуцируемая магнитным потоком ротора Фо; 
Ер и Еd – ЭДС, индуцируемые соответственно магнитным потоком реакции ротора и потоком рассеяния; 
R1I – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки 
статора; 
U – фазное напряжение на статоре reнepaтopa. 

ЭДС Еp и Еd наводятся магнитными потоками Фр и Фd, которые 
пропорциональны вызвавшему их току статора. Поэтому эти ЭДС могут быть выражены через индуктивные сопротивления Хр и Хd, тогда 

 
E0 = U + [R1 + j(Хp + Хd)I]. 
(1.3) 

Обозначим сумму внутренних индуктивных сопротивлений машины 

 
Хp + Хd = Хсин, 
(1.4) 

где Хсин – синхронное сопротивление. 

Обычно R1 << Xсин, поэтому активным сопротивлением можно 
пренебречь. Тогда уравнение электрического равновесия фазы статора имеет вид: 

U = E0 – jXсинI. 
(1.5) 

В соответствии с этим уравнением строится векторная диаграмма 
синхронного генератора (рис. 1.6). 

 

Рис. 1.6. Векторная диаграмма синхронного генератора 

При активно-индуктивной нагрузке генератора вектор тока статора I отстаёт по фазе на угол θ от вектора напряжения U, а вектор напряжения jХсинI опережает вектор тока на угол 90o (рис. 1.6, а). Сумма векторов U и jХсинI дает вектор ЭДС Eo. Угол θ называется углом 
нагрузки. 
ЭДС Ео соответствует магнитный поток ротора Фо, а напряжению 
U – результирующий магнитный поток машины Фрез (рис. 1.6, б). В 
генераторном режиме работы поток Ф0 опережает поток Фрез на угол 
θ, чему соответствует сдвиг на такой же угол полюса ротора So относительно полюса N результирующего поля машины. Силовые линии 
магнитного поля между полюсами показаны тонкими сплошными 
линиями. В генераторном режиме в результате взаимодействия полюсов S0 и N образуется противодействующий момент Mпр. 

Работа синхронного генератора 
на автономную нагрузку 

Синхронные генераторы работают в автономном режиме в том случае, когда промышленная сеть имеет недостаточную мощность или вообще отсутствует. Напряжение U в большой степени зависит от нагрузки 
и её характера. Зависимость U(I) при n0 = соnst, Iв = const и cos φ = const 
называется внешней характеристикой генератора (рис. 1.7). 

а

б