схема замещенияпреобразование энергииЭлектрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. Устройство генераторов и двигателей одинаково. Неподвижная часть машины, называемая статором, состоит из массивного стального корпуса, к которому крепятся главные и дополнительные полюсы. Главные полюсы собираются из стальных листов, что обеспечивает уменьшение потерь мощности от вихревых токов, а дополнительные изготавливаются массивными. На главных полюсах размещаются катушки обмоток возбуждения. На дополнительных полюсах - обмотки дополнительных полюсов. Схема замещения машины постоянного тока в соответствии с уравнением E = U ± IRя показана на рис.1.
В режиме генератора электромагнитный момент Мэм противодействует вращению. Он уравновешивается моментом приводного двигателя Мдв (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя момент действует по направлению вращения. При равномерном вращении ему противодействует момент сопротивления Мс приводимого в движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.).
характеристика холстого ходахарактеристика генератораОсновное магнитное поле в электрических машинах называется полем возбуждения и создается с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источников постоянного тока. Преобразование электрической энергии (рис.2) возможно в электрических машинах лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора, последние должны быть неподвижны относительно друг друга при любой частоте вращения ротора. Это достигается с помощью коллекторно-щеточного механизма. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и корпуса медных пластин, по которым скользят угольные щетки. Число пластин равночислу секций обмотки, которая укладывается в пазы. В машинах постоянного тока ЭДС равна: E=Ce*Ф*n, где Се=р*N/60a - конструктивная постоянная; р - число пар полюсов; N - число проводников; а - число параллельных ветвей соединенных проводников (обмотки бывают двух - и треслойные).
В режиме генератора на холостом ходу поток Ф и соответствующая ему ЭДС зависят только от тока возбуждения . Зависимость E=f(Iв) называется характеристикой холостого хода(рис.3).
Если характеристику снимать, сначала увеличивая ток возбуждения, а затем уменьшая его, то получится петля гестерезиса. Обычно в каталогах дается средняя линия.
При отсутствии тока возбуждения в якоре наводится ЭДС, равная примерно 2-3% от напряжения якоря. В режиме нагрузки якорь нагружается на внешнее сопртивление проводника, ток в котором совпадает по направлению с ЭДС. Ток обмотки якоря создает свое поле, воздействующее на поле собственно машины. Данное явление называется реакцией якоря. Результирующий магнитный поток машины Ф равен сумме магнитного потока цепи возбуждения Фв и цепи якоря Фя. При больших значениях тока якоря вследствие насыщения части полюсов результиирующий магнитный поток несколько уменьшается. В этом случае реакция якоря называется поперечной.

схемы возбуждений двигателяЭлектромагнитный момент определяется из выражения M=0.5D(pNIФ/πa)=CмФI, где Cм=DpN/πa,гдеD - диаметр якоря; Cм - постоянная по моменту. Внешняя характеристика генератора Uя=f(Iя) приведена на рис.4.
Свойства и характеристики двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как меняется магнитный при изменении механической нагрузки двигателей. Характер магнитного потока определяется способом возбуждения.
В машинах постоянного тока различают четыре системы возбуждения:
1)параллельное(шунтовое);
2)последовательное(сериесное);
3)смешанное(компаундное);
4)независимое.

параллельное возбуждениепоследовательное возбуждениеНа рис.5 даны пояснения к каждому из типов возбуждений. А теперь чуть шире о каждом из них. На рис.6 двигатель параллельного возбуждения с пусковым rп и регулировочным rш реостатами. Пусковой реостат необходим для того, чтобы ограничить ток в якоре при пуске, пока ЭДС якоря равна нулю или мала, поэтому он включается последовательно с обмоткой якоря. Электродвижущая сила пропорциональна потоку Ф, причем желательно, чтобы при пуске двигателя она возрастала возможно быстрее. По этой причине при пуске обмотку возбуждения следует включать сразу на полное напряжение питания при выведенном на нулевое значение регулировочном реостате rш. Обычно такие схемы включения используют при постоянстве мощности на валу. На рис.7 схема двигателя последовательного возбуждения. При разомкнутом ключе К ток якоря равен току обмотки возбуждения. Благодаря такому соединению главный магнитный поток машина изменяется пропорционально току якоря, пока магнитопровод машины не насыщен. Двигатель также снабжен пусковым реостатом rп для ограничения пускового тока. Двигатель с последовательным возбуждением может выдерживать сильные перегрузки при умеренном увеличении тока. Это его основное свойство. Например, при увеличении вдвое момента на валу двигателя ток возрастает до 140%(0,5раза) первоначального значения, а частота вращения падает до 70%. У двигателя параллельного возбуждения повышение вдвое момента незначительно уменьшит частоту вращения, зато ток увеличится до 200%(2раза)первоначального.
При уменьшении нагрузки на валу двигателя последовательного возбуждения ток медленно уменьшается, зато растут обороты, и при нагрузках, примерно меньших 25% номинальной, частота достигает значений, опасных значений - двигатель "идет в разнос". Поэтому их не следует включать вхолостую либо с малой нагрузкой.
смешанное возбуждениеДля регулирования частоты вращения можно при помощи ключа К шунтировать обмотку возбуждения реостатом rp. При шунтировании уменьшается магнитный поток и возрастает частота вращения. Одновременно увеличивается ток двигателя. Иногда такие двигатели используют на кранах, где имеется постоянный ток.
Двигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую характеристику, с последовательным - мягкую. Иногда требуется некая промежуточная. Простейший способ - применение смешанного возбуждения. Двигатель снабжается какой-то основной обмоткой, последовательной или параллельной. В большинстве случаев у двигателей со смешанным возбуждением обе обмотки возбуждения включаются согласно, т.е. так, чтобы их МДС складывались.
В двигателе с последовательно-параллельным возбуждением преобладает последовательное возбуждение, но благодаря наличию параллельной обмотки возбуждения нарастание частоты вращения двигателя при уменьшении нагрузки на валу ограничено.
В двигателе с параллельно-последовательным возбуждением преобладает параллельное возбуждение. Наличие дополнительного последовательного возбуждения стабилизирует основной магнитный поток двигателя и немного смягчает его жесткую механическую характеристику.
Для реверсирования двигателя смешанного возбуждения следует переключить выводы только якоря машины, чтобы изменить в нем направление.
О реверсировании всех рассмотренных двигателей можно ознакомиться здесь