Крім зазначених рухового і гальмівного режимів двигун має ще два граничних режими: режим короткого замикання і режим ідеального холостого ходу.
Ці граничні режими відокремлюють руховий режим від гальмівних і на рис. 2.1 відзначені точками Мк і w0.
У режимі короткого замикання підключений до мережі двигун має швидкість (w = 0 і момент Мк. Щоб одержати режим короткого замикання двигуна, необхідно якір (або ротор) загальмувати до w = 0 (не слід плутати цей режим із замиканням мережі на клемах двигуна). У цьому випадку механічна потужність дорівнює нулю, а споживана з мережі електрична енергія цілком витрачається на втрати:
Ре = Рв.е
У режимі ідеального холостого ходу, коли (w = w0, а М = 0), двигун самостійно працювати не може через наявність механічних і електричних втрат. Щоб двигун міг знаходитися в даному режимі, до його вала варто підвести невелику механічну потужність, що компенсує ці втрати.
Таким чином, двигун у системі електропривода може працювати в шести режимах, які виникають при різних моментах статичного навантаження.
Основні поняття і співвідношення для двигунів
Для створення в двигунах поcтійного струму магнітного потоку збудження є відповідні обмотки. У залежності від виду обмотки двигуни виконуються з незалежною (або паралельною), послідовною і комбінованою (паралельною і послідовною одночасно) обмотками. Крім основних обмоток збудження в двигунах існують допоміжні обмотки: додаткових полюсів (ДП) і компенсаційна обмотка КО (рис. 2.2). Перша з них призначена для поліпшення умов комутації на колекторі якоря, друга – для компенсації реакції якоря.
На рис. 2.2, а показана схема вмикання обмоток двигуна постійного струму незалежного збудження. Вона також називається схемою паралельного збудження тому, що коло обмотки збудження часто вмикають паралельно якірному колу. При потужній мережі живлення, яка у багато разів перевищує потужність двигуна, опір джерела постійної напруги мізерно малий і не залежить від струму в мережі. Тому напруга на виводах підключеного двигуна практично постійна і кола обмотки збудження і якоря стають незалежними одне від одного. У загальному випадку, коли необхідно регулювати напругу на якорі, обмотка збудження LОЗН підключається до незалежного (окремого) джерела живлення (рис. 2.2, а).
Струм паралельної обмотки невеликий і для двигунів потужністю від 5 до 100 кВт складає Із.пар » (0,01 — 0,05) Іном, де Іном — номінальний струм двигуна.
Схема вмикання обмоток двигуна послідовного збудження показана на рис. 2.2, б. Обмотка збудження LОЗП увімкнена послідовно з якорем, у зв'язку з чим Із.пос = Ія. Отже, магнітний потік збудження двигуна Ф визначається навантаженням на його валу. Якщо врахувати, що характеристика намагнічування сталі нелінійна, то і Ф = f (Ія) буде змінюватися нелінійно – при збільшенні навантаження магнітний потік буде зростати, а при зниженні – зменшуватися.
Для двигуна змішаного збудження схема вмикання обмоток наведена на рис. 2.2, в. Магнітний потік двигуна, а отже, і його характеристики будуть визначатися сумою магніторушійних сил (МРС) як незалежної, так послідовної обмоток збудження.
Усталений режим роботи двигуна постійного струму характеризується незмінним значенням моменту М та кутовою швидкістю w [див. (1.17)]. При цьому значення струмів у колах обмоток якоря і збудження також незмінні. Крім того, при роботі двигуна в руховому режимі всі струми вважаються співпадаючими з напрямком напруги мережі Uс, а електрорушійна сила (ЕРС) якоря Е — протилежно спрямованою Uс і струму якоря Ія.
З урахуванням сказаного для кола якоря (рис. 2.2) можна записати рівняння електричної рівноваги
Uс = E + Iя (Rдв + Rвш) (2.1)
де Е – ЕРС, яка наводиться в обмотці якоря; Ія – струм якоря; Rдв — опір обмоток двигуна; Rвш — зовнішній опір, який вмикається послідовно в колі якоря.
Опір двигуна Rдв — сумарний опір обмоток силового (якірного) кола, що знаходяться всередині двигуна, і контакту колектор-щітки:
Rдв = Rя + Rд.п + Rп + Rщ
Тут Rя – опір обмотки якоря; Rд.п – опір обмотки додаткових полюсів; Rп — опір послідовної обмотки збудження; Rщ — опір щіткового контакту.
Для великих двигунів опір Rдв доповнюють опором компенсаційної обмотки Rк.о.
Опори обмоток двигуна беруть з каталожних даних і зводять їх до нагрітого стану, а опір контакту колектор-щітки визначають, виходячи зі спадання напруги на ньому — 2 В при номінальному струмі якоря.
При відсутності каталожних даних опір обмоток нагрітого двигуна можна визначити приблизно по втратах у ньому. При номінальному навантаженні, що відповідає максимальному значенню коефіцієнта корисної дії h ном двигуна, змінні втрати дорівнюють постійним. Виходячи з цієї рівності визначається опір обмоток.
Для двигуна незалежного збудження опором послідовної обмотки можна зневажити, тоді
(2.2)
де 0,5 — коефіцієнт, який враховує, що половина всіх втрат у двигуні при номінальному струмі в основному приходиться на обмотку якоря; h ном, Uном, Iном — номінальні (паспортні) ККД, напруга і струм двигуна.
У двигунів послідовного збудження Rп ≈ 0,5Rя, тоді
(2.3)
Для розрахунку опорів у якірному колі зручно користуватися поняттям “номінальний опір двигуна”. Для двигунів постійного струму номінальним опором називається такий опір силового (якірного) кола, що складається з опорів обмоток двигуна та зовнішнього опору, який при підведеній до двигуна номінальній напрузі Uном і нерухомому якорі обмежує струм у ньому номінальним значенням Іном:
Rном = Uном/Iном (2.4)
Наведена ЕРС в обмотці якоря при кутовій швидкості ω і магнітному потоці Ф
Е = k Ф ω (2.5)
де k — коефіцієнт, обумовлений конструктивними даними двигуна: числом пар полюсів, числом активних провідників і паралельних віток обмотки якоря. При незмінному магнітному потоці
Е = с ω (2.5а)
де с = kФ — постійний коефіцієнт при незмінному магнітному потоці.
Цю ж ЕРС можна отримати по відомим параметрам електричного кола якоря:
Е = Uмер – I RΣ. (2.6)
Тут 
— сумарний опір кола якоря.
Для знаходження номінальної ЕРС Еном використовуються паспортні дані двигуна при номінальному струмі збудження — Uном, Iном, w ном та Rя » Rдв:
Еном = k Фном w ном = Uном – Iном Rя (2.7)
Електромагнітний момент, що розвивається двигуном, зв'язаний зі струмом якоря і магнітним потоком залежністю
Мем = k Ф Ія (2.8)
або
Мем = с Ія (2.8а)
Електромагнітний момент Мем відрізняється від моменту на валу на значення втрати моменту Мв, який створюється тертям у підшипниках і вентиляцією двигуна. Момент втрат у багато разів менше електромагнітного моменту, тому при практичних розрахунках величиною Мв зневажають і вважають Мем = М.
Момент на валу двигуна по відомій потужності Рмх [див. (1.1)] визначається як
М = Рмх /w (2.9)
Якщо Рмх задана в кіловатах, а частота обертання п — в обертах за хвилину, то момент
М = 9550 Рмх/п (2.10)
де 9550 = 60 · 1000/(2p) – коефіцієнт зв'язку між системою МКГСС і СІ.
Відносні величини в електроприводі
При розрахунках електроприводів часто виникає необхідність у порівнянні варіантів, які виконані з двигунами, що відрізняються по номінальним даним. Безпосереднє порівняння отриманих результатів не може служити об'єктивним критерієм переваг варіантів, які порівнюються. При розгляді, наприклад, процесу пуску двох двигунів постійного струму з різними номінальними напругами отримані значення пускового струму не дозволяють судити про умови пуску. Найчастіше також не можна порівнювати значення швидкості двигунів за наявним значенням опорів (в омах) на кожній ступіні регулювання. Для усунення невизначеності в подібних випадках доцільно розрахунки проводити не в абсолютних (омах, амперах і т.д.), а у відносних одиницях, що називаються іноді базисними, частковими, або у відсотках. Використання відносних одиниць позбавляє від переходу до інших одиниць і дозволяє за допомогою спеціально побудованих універсальних залежностей безпосередньо визначати параметри двигуна, необхідні для отримання бажаних характеристик.
Для отримання будь-якої величини у відносних одиницях необхідно її абсолютне значення віднести до аналогічної величини, прийнятої умовно за одиницю (за базу). У якості базисних величин (або тих, які приймаються за одиницю) звичайно приймають номінальні величини двигуна: Uном – напруга; Іном – струм якоря або ротора; Фном – магнітний потік, що відповідає номінальному струму збудження двигуна; Мном – момент (див. лекцію 3); Rном – опір двигуна (див. лекції 3 і 6). Для синхронних, асинхронних двигунів і двигунів постійного струму незалежного збудження за базисну одиницю кутової швидкості приймають швидкість w0. Для двигунів постійного струму послідовного і змішаного збудження як базисне значення швидкості приймають w ном (або nном, об/хв).
У подальшому викладанні величини, що виражені у відносних одиницях, будуть зображуватися прийнятими буквами зі знаком “*”, які виражені у відсотках – тими ж буквами зі знаком “%”.
Таким чином, напруга у відносних або одиницях у відсотках
U* = U/Uном або U% = (U/Uном)100
Повний опір силового кола двигуна
R* = R/Rном або R% = (R/Rном)100
Опори обмоток двигуна і зовнішнього опору
R*дв = Rдв/Rном або Rдв% = (Rдв/Rном)100
R*вш = Rвш/Rном або Rвш% = (Rвш/Rном)100
Кутова швидкість двигуна
w * = w /w0 або w % = (w /w0)100
Струм двигуна і струм короткого замикання
І* = І / Іном або І% = (І / Іном)100
І* к = Ік / Іном або Ік% = (Ік / Іном)100
Момент двигуна
М* = М / Мном або М% = (М / Мном)100
При номінальному магнітному потоці збудження двигуна постійного струму відносні значення струму якоря і моменту рівні між собою:
М* = k Фном І / (k Фном Іном) = І* (2.11)
У цьому випадку характеристики зміни швидкості двигуна в залежності від струму і моменту ідентичні.
Додаткові співвідношення величин у відносних одиницях будуть дані надалі при розгляді відповідних понять і характеристик двигунів.