Если машину постоянного тока включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и в обмотках возбуждения возникают токи. При этом система возбуждения создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с полем якоря, и на каждый проводник обмотки якоря начинает действовать сила, которая стремится повернуть якорь. Появляется крутящий момент М, приводящий якорь во вращение.

Помимо вращающего момента М, возникающего в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем обмотки возбуждения, на якорь двигателя действует ряд других моментов:

момент холостого хода Мо, связанный с механическими потерями;

тормозной момент М₁ , создаваемый механизмом, приводимым во вращение двигателем;

динамический момент Мдин сил инерции, возникающий при изменении скорости вращения якоря.

Динамический момент Мдин пропорционален моменту инерции вращающихся частей J и угловому ускорению:

       (6.3)

Чем быстрее меняется скорость двигателя, тем больше динамический момент. В установившемся режиме, когда скорость вращения постоянна, динамический момент равен нулю.

Моменты двигателя связаны уравнением, которое носит название уравнения моментов:

                      (6.4)

В установившемся режиме

вращающий и тормозной моменты взаимно уравновешены, и якорь двигателя вращается с постоянной скоростью.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигателя, различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Схема включения двигателя приведена на рис.6.11. При подключении обмотки возбуждения подобного двигателя к отдельному источнику создается независимое возбуждение.

При включении двигателя постоянного тока в сеть, в момент  пуска  ток якоря определяется  соотношением:

                            (6.5)

где U - напряжение сети, R_я - сопротивление обмотки якоря, I_я -ток якоря.

Затем якорь под действием крутящего момента приходит во вращение, и в обмотке якоря возбуждается ЭДС самоиндукции

       (6.6)

где с - конструктивный коэффициент, n - число оборотов, Ф - магнитный поток системы возбуждения.  Полярность ЭДС самоиндукции противоположна полярности напряжения сети (противо- ЭДС), вследствие чего с ростом частоты вращения якоря значительно уменьшается ток, протекающий в цепи якоря.

                                           (6.7)

Следовательно, пусковой ток оказывается значительно больше номинального (в 10...30 раз), и очень часто в цепь якоря включается реостат, величина которого позволяет уменьшить пусковой ток до значений .1...1.5 I_ном. Преобразуя соотношение (6.7) к виду:

                       (6.8)

получаем, что приложенное напряжение U уравновешивается суммой противо- ЭДС Е и падением напряжения на обмотке якоря R_яI_я.

Крутящий момент двигателя независимого и параллельного возбуждения определяется соотношением:

                            (6.9) 

С увеличением тормозного момента, создаваемого механической нагрузкой двигателя, механическая мощность возрастает. Число оборотов якоря уменьшается, что приводит к уменьшению противо-ЭДС и росту тока, потребляемого двигателем, а, следовательно, к увеличению крутящего момента и возрастанию электрической мощности, потребляемой двигателем от сети. Зависимость установившейся скорости вращения от тормозного момента двигателя при постоянном напряжении питания цепей якоря и возбуждения называется механической характеристикой двигателя.

Механическая характеристика рассматриваемых двигателей изображена на рис.6.12.

Как видно из графика, скорость вращения двигателей при изменении тормозного момента в широких пределах (от 0 до номинального) изменяется незначительно. Это означает, что двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют жёсткую механическую характеристику.

Зависимость скорости вращения n, тока якоря I_я, вращающего момента М и коэффициента полезного действия h от полезной мощности Р₂ на валу двигателя при постоянном напряжении цепей якоря и возбуждения (I_B=const) называется рабочими характеристиками двигателя.

Рабочие характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представлены на рис.6.13.

Так как с увеличением полезной мощности вращающий момент возрастает, скорость вращения двигателя уменьшается.

С увеличением вращающего момента увеличивается пропорциональный ему ток якоря. Моменты М и М₁ oтличаются на величину момента холостого хода, М₀. Наибольший  к.п.д. достигается при нагрузках, несколько меньших номинальной.

Механическая и рабочая характеристики двигателя независимого возбуждения идентичны аналогичным характеристикам двигателя параллельного возбуждения.

Так как противо- ЭДС зависит от скорости вращения якоря и равна

                       (6.10)

то приложенное напряжение U определится соотношением

       (6.11)

Отсюда находим выражение скорости вращения двигателя:

       (6.12)

Полученная формула позволяет решить задачу регулирования скорости вращения двигателя. Необходимо отметить, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря R_я стремятся сделать по возможности малым (в реальных машинах оно составляет сотые или тысячные доли ома), В соответствии с этим и падение напряжения на активном сопротивлении якоря I_яR_я невелико по сравнению с напряжением сети. Поэтому в формуле (6.12) членом I_яR_я можно пренебречь. Тогда

       (6.13)

Отсюда  видно,  что  существует два  способа плавного изменения скорости вращения   двигателя  в широких пределах: 

1. изменение напряжения U, подведенного к якорю двигателя;

2. изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока  возбуждения I_B).

На рис.6.14 показано возможное включение регулировочных реостатов в схему двигателя.

При увеличении сопротивления R₂ , при постоянном напряжении сети U, уменьшается напряжение, подведенное к якорю, и следовательно, скорость вращения двигателя. С увеличением сопротивления R₁ уменьшается ток возбуждения и магнитный поток возбуждения, а, следовательно, увеличивается скорость вращения двигателя.

Второй способ регулирования скорости вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями мощности: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменять скорость вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.

Возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.

Соотношение (6.13) определяющее скорость вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока скорость неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до величины потока остаточного намагничивания, а двигатель идет "вразнос". Особенно вероятен режим "разноса" у ненагруженного двигателя. Режим "разноса" является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.

У нагруженного двигателя увеличение скорости вращения происходит не столь резко, так как уменьшение магнитного потока при постоянном моменте вращения приводит к такому увеличению тока якоря, при котором произведением I_яR_я уже нельзя пренебрегать. Но и в этом случае обрыв цепи возбуждения может быть опасным.

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6.15.

Обмотка  возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток, потребляемый двигателем, достаточно  велик, обмотка возбуждения имеет небольшое число витков.

Из- за последовательного включения обмоток якоря и возбуждения (рис.6.15), магнитный поток Ф пропорционален току I (если пренебречь насыщением магнитопровода), и в формуле  следует положить , где k - постоянный коэффициент. Тогда

                             (6.14)

вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока, потребляемого двигателем.

Выразим магнитный поток через вращающий момент:

, где             (6.15)

и подставим в приближенное выражение скорости вращения двигателя:

       (6.16)

Отсюда видно, что для двигателей последовательного возбуждения опасен режим холостого хода, т.к. при уменьшении момента на валу до нуля, скорость вращения неограниченно увеличивается (рис.6.16), двигатель идет «вразнос». Это обстоятельство требует такого сочленения двигателя последовательного возбуждения с рабочей машиной, при котором режим холостого хода исключён. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения приведены на рис.6.16.

Скорость вращения двигателя последовательного возбуждения можно регулировать либо изменением подводимого напряжения, либо изменением магнитного потока возбуждения за счет шунтирования обмотки возбуждения (рис.6.17). Второй способ более экономичен.

Двигатель последовательного возбуждения имеет существенные преимущества, благодаря квадратичной зависимости вращающего момента от тока. Так, например, он развивает больший пусковой момент, что очень важно для электропривода на транспорте (благодаря этому, двигатель способен быстро набирать скорость после остановки). Однако резко выраженная зависимость скорости вращения от нагрузки и опасность «разноса» ограничивают область применения этих двигателей.

Указанных недостатков лишены двигатели смешанного возбуждения (рис.6.18).

Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим "разноса" двигателя при снятии нагрузки.