Πως δουλεύει ένας μονοφασικός κινητήρας

Οι ασύγχρονοι μονοφασικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε συσκευές οικιακής χρήσης (ψυγεία, πλυντήρια κ.λ.π και λιγότερο σε βιομηχανικές εφαρμογές (προτιμούνται οι τριφασικοί κινητήρες).
Το κύριο μειονέκτημά τους είναι ότι δεν διαθέτουν ροπή εκκίνησης, με αποτέλεσμα για τη λειτουργία τους να απαιτούνται πρόσθετες βοηθητικές διατάξεις εκκίνησης.
Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας η χαρακτηριστική ροπή στροφών είναι ανάλογη με εκείνη του τριφασικού κινητήρα.
Η ισχύς τους κυμαίνεται πρακτικά από μερικά δέκατα του ίππου (Ηρ) έως και 3 Ηp. Για μεγαλύτερες ισχείς χρησιμοποιούνται τριφασικοί κινητήρες

Για τη δημιουργία ενός στρεφόμενου πεδίου στο στάτη, είναι απαραίτητη η ύπαρξη δυο τουλάχιστον χωρικά μετατοπισμένων πηνίων τα οποία να διαρρέονται από κατάλληλα χρονικά μετατοπισμένα ρεύματα.

Στους 3Φ κινητήρες έχουμε 3 πηνία τα οποία  διαρρέονται από κατάλληλα χρονικά μετατοπισμένα ρεύματα διαφοράς φάσης 120ο το ένα από το άλλο.

 Στους 1Φ κινητήρες έχουμε 2 πηνία τα οποία  διαρρέονται από κατάλληλα χρονικά μετατοπισμένα ρεύματα διαφοράς φάσης 90ο το ένα από το άλλο. 

Αρχή λειτουργίας

Ας θεωρήσουμε ότι στο στάτη έχουμε ένα τύλιγμα το οποίο τροφοδοτείται από εναλλασσόμενο ρεύμα.

Το τύλιγμα αυτό θα δημιουργήσει ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (όχι περιστρεφόμενο). Το πεδίο αυτό αποτελείται από δύο όμοια και αντίθετα περιστρεφόμενα πεδία .

Το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη τέμνει τις σπείρες του δρομέα.

 ΔΕΔΟΜΕΝΟ 1: Αν ένας αγωγός (τυλίγματα ρότορα) βρεθεί μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (του τυλίγματος του στάτη) τότε θα διαρρέεται από ρεύμα.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Στο δρομέα αναπτύσσονται επαγωγικά ρεύματα.

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 2:‘Οταν ρευματοφόρος αγωγός (αγωγοί δρομέα) βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο (πεδίο στάτη) ασκείται πάνω σ’αυτόν δύναμη Laplace F.

Επειδή όμως τα 2 πεδία είναι όμοια και αντίθετα, οι δύο δυνάμεις Laplace F1 και F2 θα είναι ίσες και αντίθετες με αποτέλεσμα η συνολική δύναμη που ασκείται στο ρότορα να είναι μηδέν. Άρα ο ρότορας δεν θα μπορούσε να περιστραφεί αλλά θα δονούνταν κάνοντας θόρυβο.

Αν μπορούσα να δώσω στο ρότορα μια αρχική περιστροφή μέσα στο μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο τότε τι θα γινόταν;

Η μια δύναμη θα ήταν μεγαλύτερη από την άλλη με αποτέλεσμα ο βρόγχος να κρατήσει σε περιστροφή το ρότορα.

Ο λόγος για τον οποίο ο δρομέας θα συνεχίσει να γυρίζει, είναι η εναλλαγή της πολικότητας αλλά και η ορμή του δρομέα. Η τελευταία του επιτρέπει να προσπερνά τις νεκρές περιοχές του στάτη στις οποίες δεν  ασκείται κάποια δύναμη στο δρομέα και να φτάνει τις περιοχές των πόλων όπου δημιουργείται επαγωγή.

Άρα το πρόβλημά μου είναι πως θα δώσω αυτήν την αρχική ώθηση στον ρότορα. Πως θα δημιουργήσω δηλαδή όχι μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο αλλά στρεφόμενο.Το πρόβλημα αυτό το έλυσε ο Νίκολα Τέσλα.

Αυτό πετυχαίνεται με τη βοήθεια ενός δεύτερου βοηθητικού τυλίγματος, το οποίο έχει διαφορετικές σπείρες, διατομή και ωμική αντίσταση από το κύριο, τοποθετείται στο στάτη του κινητήρα και σε απόσταση μισού πολικού βήματος από το κύριο τύλιγμα.
Το τύλιγμα αυτό που λέγεται βοηθητικό τύλιγμα διαρρέεται από ρεύμα που έχει μια διαφορά φάσης από το ρεύμα που διαρρέει το κύριο τύλιγμα.

Στο εσωτερικό των μονοφασικών κινητήρων υπάρχουν δύο σύνθετα πηνία. Αυτά τα ονομάζουμε κύριο και βοηθητικό.

Το κύριο (U-V)  ή (U1-U2)  αποτελείται από λίγες σπείρες, χοντρό σύρμα και έχει μικρότερη ωμική αντίσταση.
 
Το βοηθητικό (W-Z) ή (Ζ1-Ζ2) αποτελείται από πολλές σπείρες μικρότερης διατομής και έχει μεγάλη ωμική αντίσταση.

Η μεγαλύτερη αντίσταση του βοηθητικού τυλίγματος έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου στο βοηθητικό τύλιγμα νωρίτερα από το λειτουργίας, με κάποιες μοίρες προπορεία. Έτσι υπάρχει μια γωνία μεταξύ των δύο μαγνητικών πεδίων που είναι αρκετή για να εκκινήσει τον κινητήρα, αν και το ιδανικό θα ήταν 90 μοίρες περίπου διαφορά.

Η χρονική διαφορά φάσης μεταξύ των ρευμάτων του κύριου και του βοηθητικού τυλίγματος του στάτη δημιουργείται αποκλειστικά και μόνο από την κατάλληλη επιλογή των επιμέρους ωμικών αντιστάσεων και αυτεπαγωγών των δύο τυλιγμάτων.
Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά φάσης τόσο μεγαλύτερη ροπή πετυχαίνουμε στον κινητήρα.

Με τα δύο τυλίγματα μπορούμε να επιτύχουμε διαφορά φάσης μέχρι 30ο και μικρές ροπές.  Για μεγαλύτερες διαφορές φάσης και ροπές χρησιμοποιούμε πυκνωτή σε σειρά με το βοηθητικό κύκλωμα.

 Στους περισσότερους Α.Μ.Κ, όπως είδαμε σε άλλο  άρθρο, το βοηθητικό τύλιγμα αποσυνδέεται μετά την εκκίνηση είτε με ένα φυγοκεντρικό διακόπτη είτε με ένα ρελέ. Αν δεν συνέβαινε αυτό ο κινητήρας θα υπερθερμανόταν.

Η λειτουργία του μονοφασικού κινητήρα διαπιστώθηκε τυχαία ύστερα από κάποια βλάβη (διακοπή φάσης) σε ένα τριφασικό κινητήρα. Πραγματικά αν σε ένα τριφασικό κινητήρα που λειτουργεί διακοπεί η μια φάση ο κινητήρας εξακολουθεί να λειτουργεί με μειωμένη ισχύ.
Στην περίπτωση αυτή, ανεξάρτητα από τη σύνδεση των φάσεων, ο κινητήρας λειτουργεί ουσιαστικά με ένα μονοφασικό σύστημα στο στάτη του.
Αν όμως τον σταματήσουμε και θελήσουμε να τον θέσουμε ξανά σε λειτουργία, θα διαπιστώσουμε ότι δεν ξεκινάει. Αυτό οφείλεται στο ότι με μία ή δύο φάσεις δεν δημιουργείται στρεφόμενο πεδίο.
Ο κινητήρας θα ξεκινήσει αν με το χέρι μας ή άλλη ειδική διάταξη του δώσουμε μια αρχική ώθηση.

Επίσης μπορείτε να δείτε και τους τρόπους εκκίνησης των μονοφασικών κινητήρων καθώς και άλλα στοιχεία για την εκλογή των πυκνωτών εδώ