Анализ проведем для двигательного режима работы МПТ. Пусть к якорной обмотке и обмотке возбуждения приложены неизменные напряжения Uя и Uв. Тогда при постоянной скорости вращения якоря наводимая ЭДС Е и, соответственно, ток якоря Iя можно считать также практически постоянными, как это видно из рис. 8.9. Это дает основание не учитывать влияние индуктивности якорной обмотки на происходящие в ней процессы. При этом в общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы Rд и Rд.в. Их назначение будет пояснено далее. Взаимные направления напряжения на якоре Uя, тока Iя и ЭДС движения Е для этого режима работы показаны на рис. 8.23.
Если принять, что результирующий магнитный поток не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), то в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать
где RяΣ - полное сопротивление якорной цепи двигателя, включая сопротивление дополнительного резистора Rд.
Подставив в (8.20) выражение для ЭДС из (8.10) и решив полученное уравнение относительно скорости ω, получим
Уравнение (8.21) отражает аналитическую связь между двумя переменными: электрической величиной – током якоря Iя и механической величиной – скоростью ω. В электроприводе такие зависимости получили название электромеханических или скоростных характеристик.
Подстановка в (8.21) выражения для тока якоря из (8.14) позволяет установить связь между двумя механическими величинами: моментом М и скоростью ω
Такие характеристики также широко распространены в электроприводе и получили название механических характеристик. Следует заметить, что поскольку в выражения (8.21) и (8.22) не входят производные переменных, их называют статическими характеристиками. Как видно из (8.21) и (8.22), при неизменных U, Ф, RяΣ характеристики ω(Iя) и ω(M) – прямые линии.
Отметим характерные точки электромеханической и механической характеристик. Их положение можно определить координатами пересечения соответствующих графиков с осями координат. Скорость, при которой ток якоря и электромагнитный момент равны нулю, называют скоростью идеального холостого хода и обозначают ω0. Она равна
Соответственно, режим работы МПТ, при котором она работает со скоростью ω0 называют режимом идеального холостого хода. В этом режиме ЭДС движения Е направлена навстречу приложенному напряжению U и полностью его уравновешивает.
Заметим, что, если второй член в правой части уравнения (8.22), характеризующий собой статическое падение угловой скорости двигателя относительно скорости идеального холостого хода, обозначить через Δω, т.е.
то уравнение механической характеристики может быть записано в виде
При скорости равной нулю получаем режим короткого замыкания, в котором ЭДС движения в соответствии с (8.10) также равна нулю, а ток якоря Iя равен току короткого замыкания
Поскольку, как уже отмечалось, сопротивление якоря Rя обычно мало, этот режим при отсутствии Rд сопровождается значительным увеличением тока якоря. Вся электрическая энергия, потребляемая из сети, преобразуется МПТ в тепловую энергию, выделяемую в ее якорной цепи. Если не принять соответствующих мер, это может привести к нарушению нормальной работы МПТ. Как видно из (8.26), ограничить ток якоря в этом режиме можно включением последовательно с якорем дополнительного резистора необходимой величины Rд, либо снизив напряжение Uя. Этому режиму соответствует электромагнитный момент короткого замыкания
Характеристики ω(M), построенные по (8.22) при прямом и обратном знаках приложенного напряжения Uя, показаны на рис. 8.24 (характеристики 1 и 2). В соответствии с (8.23) и (8.27) абсолютные значения скорости идеального холостого хода |ω0| и момента короткого замыкания |Mкз| при этом не изменяются, поэтому характеристики расположены симметрично относительно начала координат. Как видно из (8.14), при постоянном потоке момент и ток якоря связаны линейно. Поэтому графическое изображение электромеханической характеристики ω(Iя) отличается от графика механической характеристики ω(M) лишь изменением масштаба по оси абсцисс. Участки этих характеристик при одинаковых знаках ω и M соответствуют двигательному режиму работы МПТ, а при разных знаках – тормозной режим.