Схема, поясняющая принцип действия простейшего генератора постоянного по направлению пульсирующего тока, приведена на рисунке 8.11, а.

В проводе вращающейся рамки, пересекающем силовые линии магнитного поля неподвижных полюсов. N и S, наводится э.д.с, направление которой можно определить по правилу правой руки. Вместо колец, которые были у простейшего генератора переменного однофазного тока (см. рис. 6.1), здесь применен коллектор. Он состоит из двух полуколец. Верхняя щетка А все время соединяется с той стороной витка, которая в данный момент находится под северным полюсом, а нижняя щетка В — со стороной витка, расположенной над южным полюсом. Переключение щетки с одной коллекторной пластины на другую происходит в момент прохождения рамки через нейтральную (горизонтальную) плоскость. Следовательно, напряжение на щетках, хотя и изменяется по значению, остается постоянным по направлению. График выпрямленной коллектором э.д.с. показан на рисунке 8.11,6.

Если ротор объединяет две рамки (рис. 8.11, в), расположенные под углом 90° (коллектор в этом случае состоит из четырех пластин), то характер изменения э.д.с. становится таким, как показано на рисунке 8.11, г. Нетрудно заметить, что глубина пульсации (ГП) э.д.с. значительно уменьшилась. При шестнадцати коллекторных пластинах (8 рамок) глубина пульсации составляет лишь 0,97% среднего значения напряжения во внешней цепи, то есть практически во внешней цепи протекает постоянный ток. Коэффициент пульсации определяют так:

Машины постоянного тока обратимы. Так, если к коллектору подвести напряжение от внешнего источника тока, то рамка начнет вращаться в направлении, которое можно определить по правилу левой руки. Следовательно, в принципе электрическая машина может работать и в генераторном и в двигательном режимах.

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижной части — статора, обычно предназначенного для создания магнитного потока, и вращающейся части — ротора, в котором индуктируется э.д.с, если машина работает, как генератор.

В небольших машинах постоянного тока мощностью в несколько ватт магнитное поле статора создаётся постоянными магнитами, а в машинах мощностью от нескольких десятков ватт до сотен киловатт— электромагнитами. Основные полюса статора называют индуктором, а ротор — якорем.

Кроме основных полюсов индуктора, на статоре устанавливают также добавочные полюса, назначение которых — уменьшать искрение щеток на коллекторе.

Сердечники полюсов статора набирают из отдельных листов электротехнической стали. Их прикрепляют болтами к станине статора, по которой замыкается магнитный поток полюсов. Так как магнитный поток здесь практически постоянен по значению, станину выполняют литой.Сердечник ротора — якоря набирают также из листов электротехнической стали.

Коллектор изготовляют из пластин твердотянутой меди, которые изолируют одну от другой миканитом. Щетки — угольные или графитовые с добавками медного порошка — устанавливают в щеткодержателях, которые укрепляют на щеточных траверсах. Вал якоря опирается на подшипники, в подшипниковых щитах, скрепленных со статором и удерживающих якорь между полюсами индуктора.

По способу возбуждения машины постоянного тока делят на машины с независимым возбуждением и с самовозбуждением. В генераторах первого типа (рис. 8.12, а и 6) обмотка индуктора получает питание от постороннего источника тока — аккумулятора, выпрямителя, отдельного генератора постоянного тока. Ток возбуждения в этом случае не зависит от тока нагрузки и напряжения на обмотке якоря.

Напряжение U на выходе генератора при изменении в известных пределах тока нагрузки I изменяется незначительно. Генераторы с независимым возбуждением обладают и другим ценным свойством: они позволяют плавно и в широких пределах регулировать напряжение. С этой целью можно изменять силу тока возбуждения или частоту вращения.

В генераторах второго типа происходит процесс самовозбуждения, который заключается в следующем (рис. 8.12, в и г). Магнитная система индуктора сохраняет поток остаточного магнетизма, не превышающий 3 % полного потока. Под действием остаточного магнитного потока индуктора в обмотке вращающегося якоря наводится небольшая э. д. с. Если обмотка возбуждения соединена так, что ток, протекающий под действием этой э. д. с, образует магнитное поле, совпадающее по направлению с остаточным, то э. д. с. в обмотке нарастает до тех пор, пока не достигнет номинального для данного генератора значения или пока падение напряжения в обмотке возбуждения не окажется равным э. д. с. машины. Изменяя сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения, регулируют напряжение генератора.

Обмотка возбуждения генератора с самовозбуждением может быть включена параллельно обмотке якоря, последовательно с обмоткой якоря или разделена на две части, одна из которых включается параллельно, а другая — последовательно. В соответствии со способом включения обмотки возбуждения различают генераторы с параллельным (шунтовые),с последовательным (сериесные) и со смешанным (компаундные) возбуждением, схемы которых показаны на рисунках 8.12, в, 8.13, а и б.

Наиболее широкое распространение в практике получили генераторы с параллельным возбуждением. Генераторы с последовательным возбуждением используются сравнительно редко, так как напряжение на их зажимах резко колеблется при изменении нагрузки, а при холостом ходе равно нулю. Генераторы со смешанным возбуждением применяют в установках с резкими и частыми колебаниями нагрузки, поскольку даже в этом режиме изменение напряжения на выходе сравнительно невелико. Например, при резком увеличении нагрузки возрастает ток в последовательной обмотке, и ее поток усиливаетобщий поток возбуждения. Нагрузка преодолевается при незначительном колебаниинапряжения.