При изменении нагрузки электродвигателя изменяется мощность, вращающий момент, потребляемый ток и скорость вращения двигателя. Изменение этих величин можно было бы показать при помощи цифровых таблиц. Но гораздо нагляднее пользоваться графическими изображениями изменяющихся величин. Эти графики называются характеристиками электродвигателя. Наиболее важной является механическая характеристика, которая показывает, как изменяется скорость вращения двигателя в зависимости от развиваемого вращающего момента.

Для построения характеристики надо провести две взаимно перпендикулярные прямые, которые называются осями координат (рис. 2-9). Точка О пересечения осей называется началом координат. По горизонтальной оси откладывают значения вращающего момента, а по вертикальной — скорости вращения ротора.

Возьмем электродвигатель с параллельным возбуждением мощностью 30 Вт при скорости вращения 2900 об/мин.

Вращающий момент двигателя по формуле (2-3) (см. как работает электродвигатель)

Мвр = 97,5*30/2900=1 кГ*см.

Масштабы для моментов и скоростей вращения электродвигателяможно выбирать произвольно. Возьмем масштаб по горизонтальной оси в 1 см — 0,4 кГ*см, а по вертикальной в 1 см — 1000 об/мин. Из точек на осях, соответствующих вращающему моменту 1 кГ*см и скорости вращения 2900 об/мин, проведем пунктирные линии, параллельные осям координат. Пересечение их будет одной из точек механической характеристики двигателя. Остальные точки механической характеристики можно получить расчетным или опытным путем. В первом случае в расчетные формулы подставляют значения вращающего момента и получают соответствующие этим моментам скорости вращения. При получении характеристик опытным путем нагружают двигатель различными вращающими моментами при помощи тормоза и измеряют скорости вращения специальными приборами.

Механические характеристики электродвигателя с последовательным и параллельным возбуждением

Рис. 2-9. Механические характеристики электродвигателя с последовательным и параллельным возбуждением

На рис. 2-9 точки характеристики обозначены кружочками. Если соединить эти кружочки линией, то  получим механическую характеристику. Точка характеристики, отложенная по вертикальной оси, для которой скорость вращения равна 3100 об/мин, а приложенный к валу двигателя вращающий момент равен нулю, является точкой холостого хода.

Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением имеет вид прямой линии с небольшим наклоном от холостого хода в сторону полной нагрузки. Это значит, что при изменениях нагрузки скорость вращения якоря остается почти постоянной. Небольшое уменьшение скорости происходит за счет того, что при увеличении нагрузки, а, следовательно, и потребляемого тока увеличивается падение напряжения в обмотках двигателя.

Однако такой вид механической характеристики не означает, что нельзя регулировать скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением. Для такой регулировки в цепи обмотки возбуждения имеется реостат, обозначенный на схеме буквами ШР, что значит шунтовой реостат (рис. 2-10). Если надо увеличить скорость вращения, то передвигают движок реостата против часовой стрелки, уменьшая ток возбуждения, а, следовательно, и магнитное поле полюсов. Стремясь развить прежнюю ЭДС, якорь начинает вращаться быстрее. Если надо снизить скорость вращения, то движок реостата передвигают по часовой стрелке.

Регулирование скорости вращения электродвигателя шунтовым реостатом

Рис. 2-10. Регулирование скорости вращения электродвигателя шунтовым реостатом

Такой способ регулирования является очень экономичным. Ведь ток в обмотке возбуждения шунтового двигателя составляет лишь незначительную часть от потребляемого двигателем тока. Значит, в  шунтовом   реостате   будут небольшие потери энергии.

Теперь посмотрим, какой вид будет иметь механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением. При изменении тока в якоре одновременно будет изменяться и магнитное поле, так как через обмотку возбуждения протекает весь ток якоря. Как было видно из формул (2-1) и (2-2) (см. как работает электродвигатель), вращающий момент пропорционален магнитной индукции и току якоря. Для двигателя с последовательным возбуждением можно сказать, что вращающий момент пропорционален квадрату тока. Следовательно, механическая характеристика будет изображаться не прямой, а кривой.

На рис. 2-9 показана эта характеристика для двигателя такой же мощности и скорости вращения, какой был рассмотрен при параллельном возбуждении. Если сохранить те же масштабы, то точка характеристики при Мвр=1 кГ*см и n = 2900 об/мин будет расположена в том же месте графика, как и на характеристике двигателя с параллельным возбуждением. Но характер изменения скорости при изменении вращающего момента будет совсем иной.

Как видно из характеристики, при уменьшении вращающего момента скорость вращения якоря электродвигателя резко возрастает. Это объясняется тем, что с уменьшением нагрузки и потребляемого тока магнитное поле делается очень слабым. Стремясь развить необходимую ЭДС, якорь сильно увеличивает скорость вращения.

При вращении ротора электродвигателя действует центробежная сила, которая стремится вытолкнуть проводники обмотки из пазов, оторвать пластинки коллектора и зубцы якоря. Центробежная сила значительно превосходит вес вращающихся частей. Так, например, на окружности якоря диаметром 5 см, вращающегося со скоростью 6000 об/мин, на каждый грамм веса действует центробежная сила 10 Г. При увеличении скорости вращения центробежная сила растет квадратично. При скорости вращения 12000 об/мин центробежная сила увеличится — в 4 раза и будет в 40 раз превышать вес вращающихся частей якоря.

Чтобы избежать опасности разрыва якоря, двигатели с последовательным возбуждением мощностью более 100 Вт никогда не пускают вхолостую. К валу двигателя должна быть всегда приложена механическая нагрузка. Сериесные двигатели мощностью в десятки ватт можно пускать и без нагрузки. Это объясняется тем, что вращающий момент таких двигателей невелик, и при увеличении скорости вращения якорь будет затормаживаться за счет потерь холостого хода. Эти потери быстро растут с увеличением скорости вращения.

Вторая отличительная особенность двигателя с последовательным возбуждением заключается в том, что он может развить вращающий момент, значительно превышающий момент при его нормальной нагрузке. Это свойство двигателя называется перегрузочной способностью электродвигателя. Точка а механической характеристики показывает, что при уменьшении скорости вращения до 1000 об/мин вращающий момент в 3 раза превышает номинальный вращающий момент. Это происходит за счет того, что с увеличением потребляемого тока усиливается и магнитное поле. Наибольший момент двигатель развивает при пуске. Этот момент называется пусковым моментом двигателя.