Естественные характеристики двигателя с независимым возбуждением
Естественной схемой включения двигателя, в которой может быть обеспечен номинальный режим работы, является схема в которой отсутствуют в цепи якоря добавочные сопротивления, при номинальных значениях напряжения Uя=Uн и магнитного потока Ф=Фн. Электромеханическая и механическая статические характеристики двигателя, полученные в такой схеме включения, называются естественными характеристиками:
|
;
|
; где w0н - скорость идеального холостого хода на естественной характеристике;
bе - модуль статической жесткости естественной механической характеристики.
Естественная механическая характеристика (рис. 2.3а) дает основные представления об электромеханических свойствах двигателя и о его технических возможностях. Основным показателем естественной характеристики является ее модуль статической жесткости bе. Чем выше bе, тем меньше изменяется скорость двигателя при изменении его нагрузки, и наоборот, чем меньше bе, тем более значительными будут изменения скорости при колебаниях нагрузки двигателя.
Зачастую более удобной оценкой стабильности рабочей скорости двигателя (жесткости его механической характеристики) является статизм механической характеристики, количественной оценкой которого служит изменение (перепад) скорости Dwн при изменении нагрузки от M=0 до M=Mн:
|
, где Iн, Mн - номинальные ток и момент двигателя.
Из (2.14) видно, что статизм механической характеристики обратно пропорционален модулю ее жесткости и прямо пропорционален величине сопротивления якорной цепи двигателя.
Активное сопротивление якорной цепи двигателя RяS - величина достаточно малая, и поэтому ток короткого замыкания на естественной характеристике у двигателей средней и большой мощности (>10 кВт) в 10¸20 раз больше номинального (при мощностях 0.5¸10 кВт - в 5¸10 раз). Эти значения токов короткого замыкания гораздо больше допустимого по условиям коммутации тока якоря Iя.доп. Перегрузочная же способность двигателей с независимым возбуждением нормального исполнения лежит в пределах 
. Эта перегрузочная способность для компенсированных двигателей совпадает с перегрузочной способностью по току.
Благодаря тому, что RяS мало, статизм естественных характеристик двигателей большей и средней мощности составляет (3¸10)% от скорости холостого хода и уменьшается с увеличением мощности. Модуль статической жесткости при этом возрастает. Двигатели небольшой мощности имеют статизм более 10%.
Итак, двигатели с независимым возбуждением с компенсационной обмоткой имеют механические характеристики в виде прямой линии. Однако все двигатели малой мощности и значительная часть двигателей средней мощности не имеют компенсационной обмотки, и поэтому форма их механических характеристик отклоняется от показанной на рис. 2.3а из-за действия продольной составляющей поперечной реакции якоря. Эта составляющая с увеличением тока якоря уменьшает поток возбуждения в нелинейной зависимости.
При малых значениях тока якоря и соответственно момента действие реакции якоря практически не проявляется, и магнитный поток остается примерно постоянным. Соответственно жесткость характеристики остается примерно постоянной. При дальнейшем увеличении тока поток возбуждения заметно снижается, что вызывает отклонение характеристик от линейных в сторону больших скоростей. Уже в номинальном режиме (Iя=Iн) реакция якоря заметно снижает поток двигателя, вследствие чего номинальный перепад скорости меньше, чем у компенсированного двигателя того же типа (см. характеристику 2 на рис. 2.3б).
В области перегрузок (Iя>Iн) размагничивающее действие реакции якоря возрастает и из-за неоднозначного действия уменьшающегося магнитного потока на скорость двигателя в механической характеристике может появиться участок с положительной жесткостью 
. При дальнейшем увеличении тока и момента двигателя жесткость характеристик снова становится отрицательной, что подтверждается величинами тока и момента короткого замыкания:
|
; 
, где индекс «нк» относится к некомпенсированному, а индекс «к» - к компенсированному двигателю.
Проведенный анализ позволяет представить форму естественной механической характеристики некомпенсированного двигателя (кривая 2 на рис. 2.3б) в сравнении с прямолинейной характеристикой 1 компенсированного двигателя. Отсутствие компенсации реакции якоря нарушает пропорциональность между током и моментом, уменьшает перегрузочную способность двигателя из-за уменьшения потока, а также может привести к неустойчивой работе двигателя на участках с bе=0 и bе<0. Кроме того, изменение магнитного потока из-за реакции якоря неблагоприятно сказывается на динамических свойствах двигателя.
Для устранения этих недостатков в некомпенсированных двигателях мощностью до 100 кВт применяют так называемые стабилизирующие обмотки, размещаемые на главных полосах машины. Эти обмотки являются, по сути, маломощными обмотками последовательного возбуждения, включенными с обмоткой якоря и создающими небольшую положительную МДС, компенсирующую действие реакции якоря. Такие двигатели не могут работать в реверсивных приводах, так как при обратном направлении тока якоря эта обмотка будет лишь усиливать влияние реакции якоря.
Проведенный анализ естественных характеристик двигателя с независимым возбуждением подтверждает целесообразность его использования в разомкнутых системах электропривода тогда, когда требуется стабильная мало изменяющаяся скорость механизма с изменяющейся в широком диапазоне нагрузкой.
В замкнутых системах электропривода возможность простыми способами формировать требующиеся для механизма характеристики определили его широкое применение в современных электроприводах по системе тиристорный (транзисторный) преобразователь - двигатель.