6.1 Призначення й галузь застосування машин постійного струму.
6.2 Принцип дії та режими роботи машин постійного струму.
6.3 Збудження машин постійного струму.
6.4 Двигуни постійного струму з паралельним, послідовним та незалежним збудженням.
6.1 Призначення й галузь застосування машин постійного струму
Машини постійного струму (МПС) широко застосовуються як двигуни (ДПС) та генератори (ГПС). ДПС мають значні переваги перед двигунами інших типів: допускають поступове регулювання швидкості обертання вала різними способами;
– створюють великий пусковий момент.
У ГПС є можливість плавно регулювати ЕРС у широких межах.
Генератор перетворює механічну енергію на електричну. Індукована ЕРС долає падіння напруги в обмотці якоря та опір навантаження, тобто
– основне рівняння генератора,
де 
– сумарний опір кола якоря.
Двигун перетворює електричну енергію на механічну. ЕРС якоря протидіє зовнішній напрузі, що переборює у цьому разі й падіння напруги в обмотці якоря.
– основне рівняння двигуна.
6.2 Принцип дії та режими роботи машин постійного струму
МПС складається із статора та якоря. В обмотці якоря індукується ЕРС. Статор створює основний магнітний потік (рис. 6.1).
Рисунок 6.1 – Принцип дії машини постійного струму
Геометрична нейтраль – поділяє простір між полюсами і є лінією нульової індукції. Осердя якоря набирається із кілець електротехнічної сталі. У пази осердя вкладається обмотка якоря. Окремі секції обмотки якоря з’єднуються з пластинами колектора. Пластини колектора ізольовані між собою. За допомогою щіток на пластини колектора подається напруга, якщо машина працює двигуном. Якщо машина працює генератором, із щіток знімається постійна напруга.
Частина обмотки, що міститься між двома пластинами колектора, називається секцією. Кількість секцій та кількість колекторних пластин однакова.
6.2.1 Електромагнітний момент
На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила
– закон електромагнітної сили,
де Іпр – сила струму в провіднику.
Щоб визначити електромагнітний (обертовий) момент, необхідно цю силу (Fпр) помножити на плече (D/2) і врахувати кількість провідників, тобто
. (6.1)
Якщо врахувати струм якоря ( 
), полюсну поділку ( 
), магнітний потік ( 
), то обертовий момент можна визначити так:
. (6.2)
Величина 
– стала машини (залежить тільки від конструкції машини).
Таким чином, момент машини залежить від сили струму якоря та основного магнітного потоку
. (6.3)
6.2.2 Реакція якоря
Якщо генератор постійного струму вимкнути від навантаження, то у колі якоря відсутній струм. При вмиканні навантаження в обмотці якоря тече струм (обмотка якоря збуджує власне магнітне поле).
Взаємодія потоку якоря з основним магнітним потоком називається реакцією якоря (РЯ) машини постійного струму (або поперечною реакцією).
Реакція якоря – дуже небажане явище в МПС. Вона спотворює основний магнітний потік, зміщує лінію нульових індукцій. На геометричній нейтралі встановлюється індукція, відмінна від нуля. Лінія нульової індукції перетворюється на фізичну нейтраль. При цьому магнітний потік послаблюється (рис. 6.2).
Рисунок 6.2 – Взаємодія потоку якоря з основним магнітним потоком
Для зменшення впливу реакції якоря у МПС застосовують додаткові полюси (ДП) (рис. 6.3), їх установлюють на геометричній нейтралі. Обмотка додаткових полюсів (ДП) умикається послідовно в коло якоря, і створене поперечне поле компенсує поле якоря.
Рисунок 6.3 – Зменшення впливу реакції якоря за допомогою додаткових полюсів
6.2.3 Комутація
Комутація у МПС – це перемикання щітками пластин колектора. У результаті комутації струм у секції обмотки якоря змінює свій напрям на протилежний.
При перемиканні пластин колектора виникає іскріння. Це дуже небажане явище. Воно призводить до колового вогню та псує колектор.
Іскріння може мати такий характер:
– механічний – усувається механічним шляхом (проточування, шліфування, промивання, регулювання);
– електромагнітний – виникає через швидке вимикання кола, що має велику індуктивність.
В ідеальному випадку струм у секції змінює напрям на протилежний за лінійним законом. Це – лінійна комутація. Але секція має значну індуктивність (L), тому реальна комутація – сповільнена (рис. 6.4).
Рисунок 6.4 – Види комутації машин постійного струму
У секції наводиться ЕРС самоіндукції еL. Крім цього, наводиться ЕРС взаємної індуктивності, зумовлена зміною струму в сусідніх секціях ем.
Результуюча ЕРС (реактивна ЕРС секції) буде
. (6.4)
Можна вважати, що
, (6.5)
де LС – індуктивність секції.
Ця реактивна ЕРС і протидіє зміні струму в секції, тобто сприяє сповільненій комутації.
Щоб зменшити вплив реактивної ЕРС, створюють комутуючу ЕРС секції ек за допомогою додаткових полюсів. Умови комутації залежать від співвідношень:
– умова лінійної комутації;
– умова сповільненої комутації;
– умова прискореної комутації.
Прискорена комутація використовується у МПС, що працюють при великих навантаженнях із частим реверсуванням.
6.3 Збудження машин постійного струму
Стандартне позначення машин таке:
– обмотка якоря;
– обмотка додаткових полюсів;
– компенсаційна обмотка;
– обмотка послідовного збудження;
– обмотка паралельного (або незалежного) збудження.
Збудження – це спосіб створення основного магнітного потоку.
Розрізняють п’ять способів збудження:
1. Незалежне збудження. При цьому ОЗ умикається на автономне джерело живлення (рис. 6.5).
Рисунок 6.5 – Незалежне збудження
2. Паралельне збудження (шунтове). При цьому ОЗ умикається паралельно до обмотки якоря (рис. 6.6).
Рисунок 6.6 – Паралельне збудження
3. Послідовне (серієсне) збудження. При цьому ОЗ умикається
послідовно з обмоткою якоря. Струм якоря є одночасно струмом збудження. ОЗ розраховується на великий струм, має невелику кількість витків та виготовляється дротом великого перерізу (рис. 6.7).
Рисунок 6.7 – Послідовне збудження
4. Змішане (компаундне) збудження. При цьому ОЗ має дві
котушки. Одна вмикається послідовно, друга – паралельно до обмотки якоря. Ці машини мають переваги щодо інших машин (рис. 6.8).
Рисунок 6.8 – Змішане збудження
5. Збудження сталими магнітами. При цьому ОЗ відсутня,
основний магнітний потік (МП) створюється сталими магнітами статора (рис. 6.9).
Рисунок 6.9 – Збудження сталими магнітами
6.4 Двигуни постійного струму з паралельним, послідовним та незалежним збудженням
6.4.1 Двигуни паралельного (шунтові) та незалежного збудження
Розглянемо основне рівняння двигуна 
, якщо проаналізувати особливості пуску, то при n = 0, 
, тобто пусковий струм більший за номінальний:
. (6.6)
Як правило, 
.
Способи обмеження пускових струмів (3 способи):
1. Пуск за допомогою пускового реостата (додатковий опір у коло
якоря)
, (6.7)
Rдод вибирають так, щоб Іп = (2…3)Іном.
2. Пуск при зниженій напрузі. Для цього застосовують регульоване
джерело.
3. Прямий пуск (здійснюється для двигунів потужністю до 1 кВт).
Механічні характеристики ДПС незалежного та послідовного збудження практично однакові.
Рівняння механічної характеристики для ДПС паралельного або незалежного збудження має вигляд
. (6.8)
Рисунок 6.10 – Механічна характеристика ДПС паралельного та незалежного збудження
6.4.2 Двигуни послідовного збудження
Їх особливість полягає в тому, що Ія = Із. Також має місце пропорційність Ф ~ М. Оскільки 
.
При послідовному збудженні рівняння (6.8) перетвориться в
, (6.9)
де С1 – С2 – коефіцієнти пропорційності.
Механічна характеристика таких двигунів – м’яка (рис. 6.11).
Ці двигуни витримують великі перевантаження та стійко працюють при знижених оборотах якоря. Їх необхідно використовувати з постійним навантаженням на валу. Розвантажувати ці ДПС не можна.
Рисунок 6.11 – Механічна характеристика ДПС послідовного збудження
6.4.3 Двигуни змішаного збудження
Їх особливістю є те, що МП створюється двома обмотками збудження, тобто
. (6.10)
При змішаному збудженні, з урахуванням (6.10), рівняння (6.8) перетвориться в таке співвідношення:
. (6.11)
Для порівняння (див. рис. 6.12):
Рисунок 6.12 – Механічні характеристики ДПС
