Схема двигателя показана на рис. 2.7,а. Ток в нагрузке двигателя I= I_я+ I_в). В двигателе обмотка возбуждения подключена к сети параллельно с обмоткой якоря (до пускового реостата R_п ) Для регулирования частоты вращения двигателя в цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат R_рег Пуск двигателя осуществляется при введенном пусковом и выведенном регулировочном реостатах. Последнее обеспечивает включение обмотки возбуждения при пуске  двигателя на полное напряжение сети U.

 Свойства и области применения двигателя определяются его характеристиками. Регулировочная характеристика холостого вращения дает зависимость частоты вращения якоря от тока возбуждения при отсутствии нагрузки двигателя: n (I_в) при I = I_х и U = соnst.

 Как следует из уравнения (2.8), при U= соnst и I_я = I_х < I_{я. ном}  частота вращения двигателя обратно пропорциональна магнитному потоку статора (току возбуждения I_в), т. е. характеристика носит гиперболический характер (рис. 2.7,б).

С резким уменьшением тока возбуждения, особенно при обрыве в цепи возбуждения (I_в = 0), когда поток статора уменьшается до потока остаточного намагничивания Ф_д, частота вращения двигателя быстро увеличивается — двигатель «идет вразнос». В этом случае двигатель надо немедленно отключить от сети. Применяется и авто­матическая защита двигателей, отключающая их от сети при недо­пустимом уменьшении потока (ниже 1/3 Ф_ном).

 Механическая характеристика двигателя представляет собой за­висимость частоты вращения от вращающего (электромагнитного) момента на валу, т. е.   n (М) при Iв = соnst и U= соnst.

Подставив в уравнение (2.8) значение тока якоря из выражения вращающего момента  M= kФI_я, получим

или

 (2.10)

где частота идеального XX двигателя (когда момент М = 0)

                                   (2.11)

Механическая характеристика двигателя параллельного возбу­ждения (рис. 2.8,а;) — жесткая , график ее прак­тически является прямой линией.

В соответствии с уравнением (2.9) двигатель, кроме естествен­ной механической характеристики 1 при R_пр = 0 (см. рис. 2.8,а), имеет еще и искусственные (или реостатные) характеристики, каждая из которых соответствует определенной ступени пускового (или пускорегулирующего) реостата. На рис. 2.8,а показана искусственная характеристика 2 для одной (последней) ступени R_п

Пуск двигателя (рис. 2.8,б) осуществляется с полностью вклю­ченным реостатом R_п от M_п> М_с (момента статического сопротивле­ния). При моменте M_пер реостат R_п ступенчато переключается и про­исходит переход с одной характеристики на другую — с меньшим со­противлением пускового реостата. Разгон якоря кончается с выходом на естественную характеристику при полностью выключенном реоcтате

Установившийся режим работы двигателя соответствует равенству моментов М = М_т при n = соnst. Из реостатных механических характеристик следует также, что при наличии пускорегулирующего реостата (резистора) R_пр в цепи якоря можно регулировать частоту вращения двигателя n , которая при данном тормозном моменте будет зависеть от сопротивления цепи якоря. Частота вращения уменьшается при увеличении сопротивления реостата R_пр

Естественная характеристика —прямая (см. рис. 2.8, а), строится по двум точкам (М = 0, n = n_х) и (М_ном, n_ном) на основании каталожных данных Р_ном, U_ном, I_{я. ном}, R_я, n_ном и равенств (2.8),(2.11)

Отсюда частота вращения идеального XX двигателя (при М = 0)            

 Искусственная характеристика для заданного сопротивления R; (прямая) строится также, по двум точкам n₀ и М_ном, но при n = n’_ном — уже по реостатной характеристике, соответствующей сопротивлению в цепи якоря R_я + R. В этом случае номинальная частота вращения (см. рис. 2.8, а)

ИЛИ   

С увеличением сопротивления R в цепи якоря наклон механической характеристики (прямой) увеличивается — она становится более мягкой. Каждой ступени реостата соответствует своя искусственная характеристика двигателя. Все они проходят через точку n₀ образуя семейство характеристик, (см. рис. 2.8,б).

В двигателе параллельного возбуждения можно осуществит электрическое торможение: противовключением, генераторное (рекуперативное) и динамическое. Во всех этих режимах в электродвигателя создается тормозной момент, так как его электромагнитный момент действует встречно вращению якоря машины. Тормозные режимы работы двигателя параллельного возбуждения можно рассмотреть на механической хакрактеристике (рис. 2.9), продолжив ее в об стороны за пределы первого квадранта.

Торможение противовключением обычно осуществляется изменением направления тока якоря на ходу двигателя, как при реверсирова­нии. В этом случае электромаг­нитный момент двигателя меняет свое направление и действует встречно, т. е. тормозит вращаю­щийся в прежнем направлении якорь. Такое торможение сопро­вождается значительным увеличе­нием тока якоря. При переключе­нии цепи якоря на торможение из­меняется полярность напряжения   U на якоре. Ток якоря резко уве­личивается согласно уравнению(2.6) равен         

I_я = (—U — Е) / R_я= —(U + Е) / R_я.

Для его ограничения в цепь якоря на время торможения последо­вательно вводится добавочный резистор сопротивлением R_т. Чтобы двигатель после торможения не начал вращаться в обратную сторону, при снижении частоты вращения до нуля его необходимо отключить от сети.

Режим противовключения двигателя может быть и без переключе­ния цепи якоря, например при спуске груза подъемным краном, когда двигатель лебедки сдерживает опускание груза. Двигатель при этом включается на подъем груза, но его якорь под действием массы груза вынужден вращаться в обратную сторону — в сторону спуска груза.

Режиму противовключения на диаграмме (см. рис.2.9) соответ­ствует участок АD механической характеристики. Допустим, что двигатель работает в точке Е участка АВ характеристики и вращается с частотой n₁. При переключении цепи якоря ток I_я и вращающий мо­мент М двигателя меняют скачкообразно значения и знаки при преж­ней частоте вращения n₁ так как происходит переход на механическую характеристику С'D' в точку D'. Торможение двигателя соответствует режиму его работы в точке D характеристики СD, где сохранены прежние знаки тока якоря и момента двигателя, но условно изменено направление вращения якоря с n₁ на —n₁. В процессе торможения состояние двигателя на характеристике изменяется от точки D' к точке A' на характеристике С'D' и от D к А на характеристике СD.

Генераторное торможение наступает, если якорь двигателя под действием внешнего воздействия, например, при спуске груза, пре­высит частоту вращения идеального XX n₀. Э. д. с. якоря увеличится и станет больше напряжения сети (Е =U при n= n₀). В результате ток якоря I_я= (U— Е)/R_я станет отрицательным, т. е. изменит свое направление. Машина без изменения направления вращения будет работать в режиме генератора за счет механической энергии извне, а ее электромагнитный момент станет тормозным. Поскольку такое торможение сопровождается возвращением энергии в сеть, оно назы­вается еще рекуперативным торможением. На характеристике (см. рис. 2.9) ему соответствует прямая ВС. Рекуперативное торможение широко применяется на  электрифицированных железных дорогах  и является важным источником экономии электроэнергии.

 Динамическое торможение чаще всего используется для быстрого останова двигателя. Торможение осуществляется отключением якоря от сети (цепь возбуждения остается включенной) и замыканием его на резистор сопротивлением R_д. Ток якоря, вызванный э. д. с. Е, вра­щающейся по инерции машины (фактически работающей в режиме генератора), имеет обратное направление в сравнении с режимом дви­гателя и потому создает тормозной электромагнитный момент. В конце торможения он становится равным нулю (n= 0, Е = 0). Динамиче­скому торможению соответствует прямая ON характеристики n (М) на рис.2.9. С увеличением тормозного сопротивления R_д ее наклон к горизонтальной оси увеличивается, процесс торможения замедляется. Переход от двигательного к тормозному режиму происходит из точки Е на характеристике СD, соответствующей частоте враще­ния двигателя n₁, в точку N на характеристике ОN.

Двигатели параллельного возбуждения широко применяются для привода металлорежущих станков, насосов, вентиляторов, центрифуг, ткацких машин, прокатных станов, шахтных подъемников, в качестве тягового двигателя подвесных электрифицированных дорог,  в судовых и других установках, требующих стабильной частоты вращения с возможностью плавного регулирования ее в широких преде­лах в зависимости от требований технологического процесса.

Обмотка возбуждения двигателя включается последовательно с якорем (рис. 2.10,а) и потому ток в нагрузке является током якоря и током возбуждения   (I= I_я = I_в). Это существенно влияет на свой­ства и характеристики двигателя, так как изменение момента нагрузки  неизбежно сопровождается

измением магнитного потока статора. Пуск двигателя осуществляется только при наличии тормозного момента с включенным пусковым реостатом R_пр, корый после пуска полностью выводится.

Частота вращения двигателя. 

        (2.12)

где R_с—сопротивление обмотки возбуждения, обратно пропорциональна магнитному потоку Ф(I) машины.

При XX и малых нагрузках частота вращения двигателя резко бросает (в несколько раз превышает номинальную) — двигатель может «идти вразнос». Поэтому пуск и работа двигателя (кроме двигателей малой мощности с относительно большим моментом сопротивления XX) вхолостую или при малых нагрузках (до 20—25 % номи­нальной), как и соединение его с рабочей машиной ременной передачей, не допускаются. Вал двигателя с валом рабочей машины должны соединяться жестко: муфтой или зубчатой передачей. В случае резкого повышения частоты вращения якоря двигатель необходимо немедленно отключить от источника.

Естественная механическая характеристика двигателя n (М) при U = соnst графически изображена верхней кривой на рис. 2.10,б. В целом — характеристика мягкая. До насыщения магнитопровода машины магнитный поток пропорционален току якоря.  Выразив значение I через M и подставив его в уравнение (2.12), получим

  (2.13)

 где А и В—постоянные величины.

 Таким образом, частота вращения двигателя с увеличением электромагнитного момента уменьшается по закону, близкому к гиперболическому. Замедление спада естественной механической характерис­тики в нижней части, где она почти параллельна оси М, обусловлено магнитным насыщением магнитопровода и падением напряжения на якоре  I_яR_я

В соответствии с уравнением (2.9) частота вращения якоря двигателя последовательного возбуждения

 (2.14)

Таким образом, двигатель позволяет осуществлять регулирование частоты вращения изменением напряжения, потока статора и со­противления резистора в цепи якоря.

Регулирование частоты вращения изменением потока статора Ф производится с помощью реостата R_рег, шунтирующего обмотку возбуждения (включается при необходимости). Если увеличивать со­противление R_рег , то ток в обмотке возбуждения увеличивается, а частота вращения уменьшается. Иногда обмотка возбуждения имеет ответвления (или состоит из нескольких частей). Отключение части ее витков уменьшает поток и приводит к возрастанию частоты вращения двигателя.

Регулирование частоты вращения с помощью добавочного рези­стора в цепи якоря, например ступенчатого пускорегулирующего реостата R_пр, хотя и применяется, но неэкономично, так как связано с большими потерями энергии. Семейство искусственных механиче­ских характеристик двигателя показано на рис. 2.10,б.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения между полюсами двигателя в установках с двумя (или больше) однотипными двигателями, как, например, в вагоне трамвая при постоянном напря­жении сети, достигается изменением электрической схемы соединения двигателей с использованием пускорегулирующего реостата R_пр. На малых скоростях двигатели включаются последовательно, а на больших — параллельно. При ручном управлении установкой необ­ходимые переключения схемы выполняются специальным аппара­том — контроллером

Тормозные режимы. Для двигателя последовательного возбужде­ния возможно торможение противовключением и динамическое тор­можение. Торможение противовключением производится так, как и в двигателе параллельного возбуждения. Динамическое торможение двигателя, которое применяется реже, осуществляется так: двигатель отключается от источника, замыкается на ограничи­тельный резистор сопротивлением R_д. и оказывается в режиме генера­тора последовательного возбуждения. Запас кинетической энергии системы во время торможения преобразуется в электроэнергию цепи якоря и превращается в теплоту.

Двигатели последовательного возбуждения широко применяются на электротранспорте (тяговые двигатели) и в подъемных установках (крановые двигатели), где требуется большой вращающий момент (особенно при пуске).

Двигатель имеет параллельную и последовательную обмотки воз­буждения (рис. 2.11,а), которые могут быть включены согласно, т. е. так, чтобы их магнитные потоки складывались, или встречно.

Основной обмоткой возбуждения двигателя, создающей более 70 % м. д. с. или потока статора, обычно является параллельная обмотка. При согласном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает промежуточные свойства двигателей параллельного и последовательного возбуждения (см.Механическую характеристику на рис.2.11,б).  Важным преимуществом в сравнении с двигателем последовательного возбуж­дения является то, что при малых нагрузках и даже при XX двигатель смешаного возбуждения имеет ограниченную частоту вращения.

При встречном включении обмоток возбуждения их потоки вычитаются, что приводит к более жесткой механической характеристике (кривая 2 на рис. 2.11,б). Обычно стремятся получить механическую характеристику со стабильной частотой вращения. Двигатели смешанного возбуждения применяются в установках, где требуются большой пусковой момент и работа при малых моментах нагрузки с возможностью регулирования частоты вращения в широких пределах (например, в приводах насосов, компрессоров, строгальных станков, прокатных станов и в электротяге). Это основные  двигатели на электровозах, электропоездах с моторными вагонами и тепловозах. Их вспомогательная параллельная обмотка возбуждения позволяет осуществлять генераторное (рекуперативное) торможение с возвратом электроэнергии в сеть на длинных спусках дорог, оссобенно в горной местности. Регулирование частоты вращения двигателей производится с помощью регулировочного реостата R_рег в параллельной цепи возбуждения, реверсирование — изменением направления тока якоря.

Тормозные электромагниты (рис. 2.12) исполь­зуются для дистанционного и автоматического управления механиче­скими (ленточными и колодочными) тормозами электроприводов, особенно лебедок подъемно-транспортных средств (кранов, экскава­торов, лифтов и др.), всегда заторможенных при отключенном элек­тродвигателе (включаются параллельно двигателю электропривода  и автоматически растормаживают его при включении в сеть).

Промышленность изготовляет тормозные электромагниты длинно-ходовые трехфазные серии КМТ (см. рис. 2.12,а) на напряжение 220/380 В; серий КМТД (подъемных кранов) и ТКТ (колодочные); однофазного тока длинноходовые серий ЭС-1, ЭСВ-3 (взрывобезопасные), короткоходовые (с ходом якоря до 5 мм) с поворотным якорем серии МО в открытом исполнении (см. рис. 2.12,б) и серии МТ (маслонаполненные) и др.