Однофазные асинхронные двигатели питаются от сети однофазного тока, но статор может иметь одну, две или три обмотки. Устройство ротора такое же, как и у трехфазных двигателей. Такие двигатели находят широкое применение в качестве исполнительных устройств системы автоматического управления (САУ) и в бытовых приборах (холодильники, стиральные машины, проигрыватели). Это двигатели небольшой мощности от одного до 400 Вт. Используются и более мощные (до 2 кВт) однофазные асинхронные двигатели с двумя статорными обмотками.

Однообмоточные двигатели

У такого двигателя витки одной обмотки занимают все пазы статора и питаются от одной сети без дополнительных устройств (рис. 22.13, а). Принцип действия поясним на примере простейшего статора, имеющего четыре паза, которые заняты проводниками двух витков одной обмотки. При этом как отмечалось ранее, проводники одного витка разнесены по дуге окружности статора на угол a=180° (рис. 22.13, б).

а)                                                              б)

Рис. 22.13 Схема включения и магнитные поля однофазного однообмоточного двигателя

Проводники второго витка обмотки сдвинуты на угол 90° относительно проводников первого витка.

На обмотку подается синусоидальный ток (i_p), допустим, с нулевой начальной фазой (рис. 22.14), который в момент вращения t₀ будет положительным. При этом предположим, что ток в верхнем проводнике ориентирован от нас (крестик), тогда в нижнем проводнике этого же витка ток будет ориентирован на нас (точка). Если нижний проводник в торце статора соединен с правым проводником второго витка, то в нем ток потечет от нас (крестик) и в левом на нас (точка).

Рис. 22.14 Токи рабочей (i_p) и пусковой (i_п) обмоток

Токи одинакового направления создадут магнитные поля одинаковой ориентации, которые, объединяясь, дадут результирующее магнитное поле (В_рез) определенной ориентации (рис. 22.13, б). Такая ориентация магнитного поля будет сохраняться весь положительный полупериод, т.е. в момент времени t₁ с ориентацией поля ничего не изменится относительно t₀. В момент времени t₂ (отрицательный полупериод) токи во всех проводниках изменят направления, следовательно, изменится направление результирующего магнитного поля на 180°. Такое поле называется пульсирующим, т.е. изменяющимся вдоль линии. Пульсирующее поле не создает начального пускового момента и ротор не вращается, однако, если ротор такого двигателя раскрутить в любую сторону при помощи внешней   силы, то ротор будет вращаться, развивая значительный момент вращения.

Работу однофазного двигателя можно объяснить, представив пульсирующее магнитное поле как сумму двух магнитных полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой постоянной угловой скоростью w₁/p . Амплитудные значения магнитных потоков этих полей Ф_Im и Ф_IIm одинаковы и равны половине амплитуды потока (Ф_m) пульсирующего поля.

Ф_Im =Ф_IIm=Ф_m/2.

Рис. 22.15 Сложение магнитных потоков

Графическое построение сложения этих магнитных потоков (рис. 22.15), вращающихся в разные стороны с одинаковой скоростью, показывает, что результирующий магнитный поток изменяется по синусоидальному закону: Ф=Ф_msinw₁t.

Можно предположить, что в неподвижных проводниках ротора под действием этих двух полей Ф_Im и Ф_IIm будут наводится одинаковые противоположно направленные токи. Эти токи, взаимодействуя с полями, создают два одинаковых момента вращения, направленных в разные стороны и уравновешивающих друг друга.

Такое равновесие нарушается, если привести ротор во вращение в любом направлении. При этом, момент вращения, создаваемый полем, вращающимся в туже сторону что и ротор (прямым полем), становится значительно больше противоположного момента, создаваемого так называемым обратным полем. Такое явление обусловлено тем, что скольжение ротора относительно прямого и обратного полей разное. Например, допустим, что скольжение ротора относительно прямого поля

s_ﺍ= .

Скольжение ротора относительно обратного поля

       s_ﺍﺍ= =2 – s₁.                               (22.16)

Таким образом, если s_ﺍ будет равно сотым долям, как при номинальном режиме, то s_ﺍﺍ»2.

Рис.22.16 Момент вращения однофазного двигателя

Для каждого из полей можно использовать известные зависимости момента вращения от скольжения обычного ТАД. Пусть прямое поле (при правом вращении – вращении по часовой стрелке) создает момент М_ﺍ (рис. 22.16), а обратное (при левом вращении ротора – вращение против часовой стрелки) – момент М_ﺍﺍ. Результирующий момент

М=М_ﺍ– М_ﺍﺍ  (рис. 22.16).

Из графика рис. 22.16 видно, что пусковой момент (S=1) результирующего момента вращения М равен нулю. Существенной особенностью однофазного двигателя является наличие небольшого отрицательного момента М₀ при синхронном вращении ротора по отношению к своему вращающемуся полю.

Достоинством таких двигателей является простота конструкции, недостатки: необходимость механического толчка для пуска в работу, неустойчивость в работе и КПД значительно ниже, чем у трехфазных.

Двухобмоточные двигатели

Такие двигатели имеют две обмотки статора: рабочую (W_р) и пусковую (W_п) (рис. 22.17, а). Очень часто делаются обе обмотки рабочими и одинаковыми. В одной из обмоток используется фазосдвигающее (пусковое) устройство. В качестве такого устройства можно использовать конденсатор, катушку индуктивности и даже резистивный элемент.

   Рис 22.17 Схема включения и вращающееся магнитное поле                   однофазного двигателя

Обусловлено это тем, что угол сдвига фаз между напряжением и током в каждой обмотке определяется по формуле

j=arctg ,                                             (22.17)

где x_L - индуктивность обмотки статора (рабочей или пусковой);

    x_C - емкость конденсатора, включенного в пусковую обмотку;

    R - активное сопротивление обмотки.

Так как напряжение общее для обеих обмоток, то угол определенный по формуле (22.17), будет определять сдвиг фаз между токами двух обмоток. Чаще в качестве фазосдвигающего устройства используются конденсаторы и такой двигатель называется конденсаторным.

Половина пазов статора заполнены проводниками рабочей обмотки, вторая половина - пусковой обмотки.

Принцип действия рассмотрим, используя рис. 22.13, б, 22.14 и 22.17, б. Допустим рабочая обмотка имеет один виток и ее проводники занимают верхний и нижний пазы. Пусковая обмотка тоже допустим, имеет один виток и занимает правый и левый пазы (рис. 22.17, б). Пусковая обмотка включна в сеть через конденсатор С, который обеспечивает дополнительный фазовый сдвиг пусковому току (i_п) относительно тока в рабочей обмотке (i_р). Допустим угол j =90° (рис. 22.14) и рассмотрим моменты времени t₀,t₁ и t₂. В момент времени t₀ токи i_р и i_п положительны имеют одинаковые направления. Этот случай отражен на рис. 22.13 для t₀. В момент времени t₁ из рис. 22.14 видно, что ток в пусковой обмотке изменил направление (отрицательный полупериод) что и отражено на рис. 22.17, б. Из этого рисунка видно, что одинаковое направление токов наблюдаться уже в других парах проводников, поэтому результирующее магнитное поле приобрело новое направление. Рассуждая аналогично для момента времени t₂, видно, что результирующее поле повернулось еще на определенный угол. Таким образом, получается вращающееся магнитное поле статора, создающее момент вращения.

Пусковая обмотка вместе с конденсатором после разгона ротора выключается, так как она рассчитана на кратковременный режим работы. КПД такого двигателя мал (10...40)%, поэтому чаще выполняется конденсаторный двигатель с двумя рабочими обмотками и постоянно включенными рабочим конденсатором. Емкость рабочего конденсатора (С_р) составляет примерно 5...7 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. При пуске двигателя желательно иметь большую емкость, чтобы увеличить пусковой ток. Поэтому часто в двухобмоточных двигателях параллельно рабочему конденсатору включается через специальный ключ пусковой конденсатор:

2C_p ≤ C_п ≤ 8C_p.

После пуска двигателя пусковой конденсатор выключается, чтобы увеличить угол сдвига фаз j (22.17).

Трехобмоточные двигатели

Трехобмоточные ТАД также можно включать в однофазную сеть. Есть несколько схем включения ТАД в однофазную сеть . Одна из схем показана на рис. 22.18, а, когда в одну из обмоток включается конденсатор.

         Рис.5.18 Включение ТАД в однофазную сеть

При выключенном ключе S токи будут протекать только по обмоткам A и B и векторная диаграмма токов будет соответствовать показанной на рис. 22.18, б. Такая система токов создает пульсирующее магнитное поле, которое не имеет пускового момента. Если ключ S включить, то в обмотку фазы С двигателя включается конденсатор, обеспечивающий фазовый сдвиг току _С относительно _А. В этом случае в соответствии с первым законом Кирхгофа для узла n (точка нейтрали двигателя)

_a+ _c= _b= _N,

где _N - ток нейтрального провода.

Векторная диаграмма токов для этого случая, показанная на рис. 22.18, в, создает эллиптическое вращающееся магнитное поле (при вращении поток пульсирует), что вызывает уменьшение момента вращения. Мощность конденсаторного ТАД,  включенного в однофазную сеть, составляет (70-80)% от мощности при его включении в трехфазную сеть. Однако при этом сильно увеличиваются токи в обмотках. Здесь также целесообразно использовать рабочие (С_р) и пусковые (С_п) конденсаторы, емкость которых определяется как и для однофазных двигателей.