Однофазные асинхронные электродвигатели мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт нашли достаточно широкое применение в различного рода бытовых приборах, приводах вентиляторов бытового и производственного назначения, деревообрабатывающих станков, насосов, компрессоров, транспортеров а также небольших станков. Их преимущество — возможность использования в таких местах и помещениях, где нет трехфазной сети, но подведена двухпроводная однофазная сеть.

Значительная часть однофазных асинхронных электродвигателей изготавливается на базе серийных трехфазных двигателей. к примеру, однофазные двигатели серии ABE изготавливаются на базе трехфазных встраиваемых двигателей АВ и т. д. В конструкции механической части и магнитопроводов таких двигателей нет каких-либо существенных отличий в сравнении с асинхронными электродвигателями трехфазного тока.

Конденсаторные эл. двигатели

Главное отличие — в конструкции, выполнении и подключении статорной обмотки. Для пуска однофазных асинхронных электродвигателей часто используют специальную пусковую обмотку, находящуюся на статоре вместе с основной рабочей обмоткой, но смещенной на некоторый угол по отношению к ней. Пусковая обмотка зачастую подключается к сети через конденсатор, а после пуска и разгона двигателя отключается. В ряде конструкций обе обмотки являются рабочими и для повышения эффективности использования и улучшения характеристик однофазных двигателей можно пусковую обмотку с включенными в ее цепь конденсаторами оставить подсоединенной к сети на весь период работы. В этом случае подбором емкости конденсаторов можно добиться в рабочем режиме машины кругового или почти кругового вращающегося магнитного поля, когда обратная составляющая поля будет отсутствовать полностью или будет в значительной мере ослаблена. В результате этого улучшатся характеристики машины и повысится эффективность ее использования. Если при работе однофазного двигателя обе его обмотки остаются постоянно подсоединенными к сети, а последовательно с одной из них включен конденсатор, то такой двигатель называется конденсаторным (см. рис.).

У конденсаторного двигателя обе обмотки являются рабочими. Из условия получения кругового поля их числа витков в общем случае различны. Выбор конденсатора может показаться достаточно сложной задачей. Для этого существует, как минимум, два способа.

Первый способ - подбор емкости конденсатора опытным путем. Критерии для оценки оптимального выбора емкости ток холостого хода и пусковой момент. Момент должен быть максимальный, а ток холостого хода минимальный. Обычно достаточно оценки по току холостого хода.

Второй способ выбора емкости конденсатора - метод расчета. Остановимся на этом подробнее. В этом случае напряжения на обмотках должны быть сдвинуты по фазе на 90о, поэтому

jUa = Uβ kwawa/kwβwβ. (1)

Токи в обмотках Ia и Iβ также будут сдвинуты по фазе на 90° и будут создавать МДС

jIakwawa =Iβkwβwβ (2),

где wa и wβ - числа витков обмоток α и β;

kwa и kwβ обмоточные коэффициенты для обмоток α и β.

Перемножая левые и правые части равенств (1) и (2), получаем

UαIα = UβIβ

Т. е. полные мощности обеих обмоток будут равны. Так как обмотки находятся в одинаковых условиях по отношению к ротору, то развиваемые ими активные мощности также будут равны, т. е.

UαIαcosφα = UβIβcosφβ

откуда следует, что φα = φβ.

Кроме того, согласно рис.

Uα = U1 Uβ+Uс = U1

и угол сдвига между током Iβ и напряжением на конденсаторе Uс составляет 90°. Этим условиям соответствует векторная диаграмма. Согласно этой диаграмме

Uс = Uβ /sinφβ

Емкость, необходимая для создания кругового поля, определяется из соотношения

Iβ = Uс /xc = (Uβ / sinφβ) ωC

откуда

C = Iβ sinφβ / (ωUβ)

Мощность конденсатора составляет

QC = Uс Iβ = Uβ Iβ / sinφβ

Таким образом, мощность конденсатора равна полной мощности двигателя, Т. е. относительно велика. Следует обратить внимание, что при заданном значении емкости C круговое поле создается только при одной определенной нагрузке двигателя (при одном значении тока). При других нагрузках поле является эллиптическим и работа двигателя ухудшается. Можно регулировать емкость с изменением нагрузки, но это будет усложнять схему двигателя. Чтобы получить круговое поле при пуске и при какой-либо нагрузке, иногда конденсаторы включают в две параллельные ветви; при нагрузке работает одна ветвь, а при пуске включают обе. У конденсаторных двигателей использование материалов почти такое же, как у трехфазного двигателя равной мощности, КПД их также примерно равны, а cosφ несколько выше у конденсаторных двигателей.

У многих однофазных асинхронных двигателей в цепь обмотки, включенной в сеть через конденсатор, на время пуска подключается дополнительный (пусковой) конденсатор.

Принцип работы и конструкция однофазного электродвигателя.

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается главной обмоткой, другая – вспомогательной, или пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться на несколько секций.

На рисунке приведен пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной.

Ограничения однофазных электродвигателей.

Следует помнить, что использование однофазного электродвигателя – это всегда, своего рода, компромисс. Конструкция того или иного двигателя зависит, прежде всего, от поставленной задачи. Это значит, что все электродвигатели разрабатываются в соответствии с тем, что наиболее важно в каждом конкретном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д. Из-за пульсирующего поля однофазные электродвигатели могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с двухфазными электродвигателями, которые работают на много тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.

В отличие от трёхфазных для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода, так как при малых нагрузках они сильно нагреваются, так же не рекомендуется эксплуатировать электродвигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Асинхронные эл. двигатели с экранированными полюсами

Статор асинхронного двигателя с экранированными полюсами имеет явнополюсную конструкцию (см. рис.). На полюсах размещается однофазная обмотка, которая подключается в однофазную сеть. Часть полюса охватывает короткозамкнутый виток К. На роторе двигателя имеется обычная короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки.

Магнитный поток одного полюса двигателя можно представить в виде двух составляющих. Часть полюса, не охваченную короткозамкнутым витком, пронизывает поток Ф1m, созданный током обмотки статора I1. Другую часть полюса можно рассматривать как трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка статора, а вторичной - короткозамкнутый виток. Результирующий поток этой части полюса Ф2m равен геометрической сумме потока Ф'2m созданного током обмотки статора I1, и потока Фк,m от тока Iк, индуктируемого в короткозамкнутом витке потоком Ф'2m.

Как следует из векторной диаграммы (см. рис.), которая аналогична векторной диаграмме трансформатора, между потоками двух частей полюса Ф1m и Ф2m из-за экранирующего действия короткозамкнутого витка существует сдвиг по фазе во времени на угол β. Кроме того, оси этих потоков смещены на определенный угол в пространстве. Поэтому магнитное поле в машине будет вращающимся. Так как магнитные потоки Ф1m и Ф2m не равны между собой и угол сдвига между ними меньше 90°, то магнитное поле будет эллиптическим. Вследствие этого двигатели с экранированными полюсами имеют ряд недостатков: большие габаритные размеры, небольшой пусковой момент [Mn = 0,2 ÷ 0,5Mном], низкий коэффициент мощности (cos φ ≈ 0,4 ÷ 0,6) и невысокий КПД из-за больших потерь в короткозамкнутом витке (ή ≈ 0,25 ÷ 0,4).

Некоторое улучшение их пусковых и рабочих характеристик удается получить путем применения между полюсами магнитных шунтов из листовой стали, увеличения воздушного зазора под неэкранированной частью полюсов, расположения на каждом полюсе двух-трех короткозамкнутых витков разной ширины. Двигатели с экранированными полюсами выпускаются серийно на мощности от долей ватта до 300 Вт и применяются в вентиляторах, проигрывателях, магнитофонах и пр