Jednofázový elektromotor je jedným z najrozšírenejších druhov motorov používaných v priemysle aj v domácnostiach. Vyznačuje sa jednoduchosťou konštrukcie, relatívne nízkou cenou a schopnosťou fungovať na jednofázovú elektrickú sieť, ktorá je bežne dostupná v domácnostiach a malých prevádzkach. Tento typ elektromotora nájdeme v zariadeniach ako čerpadlá, ventilátory, kompresory či malé obrábacie stroje.

Článok sa bude zaoberať základnými princípmi fungovania jednofázových elektromotorov, ich spôsobom spúšťania a ovládania. Vysvetlíme, aké druhy spúšťacích obvodov sa používajú na zabezpečenie správneho rozbehu motora a ako možno efektívne riadiť jeho otáčky a výkon. Zároveň sa zameriame na praktické využitie týchto motorov v každodennom živote a priemysle, pričom uvedieme aj výhody a nevýhody ich použitia v rôznych aplikáciách.

Cieľom tohto článku je poskytnúť komplexný prehľad o jednofázových elektromotoroch, ich technických parametroch a spôsoboch ich efektívneho využitia.

Princíp fungovania

V jednofázovom motore môže statorové vinutie vytvárať len pole, ktoré pulzuje pozdĺž jednej osi, ako je znázornené na obrázku 1. V kladnom polcykle smeruje pole doprava a zvyšuje sa od nuly po určitú špičku, než sa opäť zníži na nulu. V zápornom polcykle sa deje to isté, ale v opačnom smere. Na nehybnom rotore sa nevytvára žiadny krútiaci moment, takže motor sa nemôže sám rozbehnúť.  Akonáhle sa rotor začne pohybovať, vytvorí sa krútiaci moment a motor sa bude ďalej otáčať. Ako uvidíme, na zabezpečenie počiatočného krútiaceho momentu na rozbeh je k dispozícii niekoľko metód. Tieto motory môžu bežať v oboch smeroch v závislosti od smeru počiatočného "nakopnutia", ktoré ich naštartuje.

OBRÁZOK 1. Stator jednofázového asynchrónneho motora vytvára pulzujúce magnetické pole, a nie rotujúce pole ako v prípade trojfázového motora. To znamená, že keď je rotor v pokoji, nevzniká žiadny krútiaci moment. Akonáhle sa pohybuje, prúdy indukované v rotore vytvárajú magnetické pole, ktoré interaguje s pulzujúcim poľom a vytvára krútiaci moment, a tým aj otáčanie.

Činnosť motora

Jeden z najjednoduchších spôsobov spúšťania sa používa v motore so zatienenými pólmi.  Na obrázku 2 je znázornený typický príklad. Skrat alebo dva na jednom (alebo oboch) póloch, viditeľný v hornej časti obrázka, vytvorí dostatočné skreslenie magnetického poľa na vytvorenie malého rozbehového momentu, ktorý stačí na to, aby sa rotor pohol.

OBRÁZOK 2. Ide o typický jednofázový indukčný motor so zatienenými pólmi. Hlavné vinutie je v spodnej časti a dva skratované závity, ktoré tvoria tieniace vinutie, sú viditeľné v hornej časti obrázka. Tieto motory sú veľmi neefektívne, a preto sa používajú len na aplikácie s veľmi nízkym výkonom.

Tento typ motora má zvyčajne malú účinnosť, zvyčajne okolo 30 %, preto sa táto konštrukcia používa na pomerne malé motory, zvyčajne nie viac ako niekoľko stoviek wattov. Ďalším bežným typom jednofázového asynchrónneho motora je motor s permanentným deleným kondenzátorom (PSC). Tento motor používa pomocné vinutie, ktoré je fyzicky odsadené od hlavného vinutia. Toto vinutie je pripojené k svorkám motora cez kondenzátor, ako je znázornené na obrázku 3. Pomocné vinutie vytvára slabé pole, ktoré vytvára hviezdicový moment. Tento krútiaci moment je relatívne nízky, pretože prúd cez pomocné vinutie musí byť malý, aby sa znížila veľkosť a náklady na kondenzátor a aby sa maximalizovala účinnosť. Motory PSC sa zvyčajne používajú v aplikáciách vyžadujúcich nízky rozbehový moment, ako sú napríklad ventilátory a odstredivé čerpadlá do veľkosti približne 2 kW. V prípade potreby sa môžu používať s regulátormi otáčok.

OBRÁZOK 3. Indukčný motor s permanentným deleným kondenzátorom (PSC) má pomocné vinutie pripojené cez kondenzátor. Toto vinutie poskytuje malý štartovací moment na rozbehnutie motora. Motory PSC majú menovitý výkon do približne 2 kW a často sa používajú na aplikácie s nízkym rozbehovým momentom, ako sú ventilátory a odstredivé čerpadlá.

OBRÁZOK 4. Motor s kondenzátorovým rozbehom prekonáva obmedzenia štartovacieho momentu PSC motora použitím väčšieho pomocného vinutia a kondenzátora, ktoré zabezpečujú väčší štartovací moment. Tieto spotrebúvajú veľa prúdu a nie sú dimenzované na trvalé použitie, preto sa vypínajú odstredivým spínačom, keď motor dosiahne približne 70 % svojich menovitých otáčok.

Pre lepší rozbehový moment by sa mal použiť motor s kondenzátorovým rozbehom. Obrázok 4 ukazuje, že podobne ako pri PSC motore je prítomné pomocné vinutie, ale v tomto prípade je kondenzátor väčší a pomocné vinutie odoberá značný prúd. Pomocné vinutie a rozbehový kondenzátor nie sú dimenzované na nepretržitú prevádzku, preto sa vypínajú odstredivým spínačom, keď motor dosiahne približne 70 % svojich menovitých otáčok. Na obrázku 5 je znázornený typický odstredivý spínač.

OBRÁZOK 5. Odstredivý spínač sa skladá z dvoch častí, zo samotného spínača a jeho pohonu, ktoré sú upevnené na statore, a z rotujúcej časti upevnenej na hriadeli rotora. Pevná časť pozostáva zo žltého izolátora, ktorý drží kontakty, a strieborného aktuátora. Keď rotujúca časť dosiahne určitú rýchlosť, odstredivé závažia odpružia smerom von a spínač sa uvedie do činnosti.

Kondenzátorové motory s rozbehom sa používajú v dopravníkoch, pri aplikáciách s prevodovkou alebo všade tam, kde sa vyžaduje vysoký rozbehový moment. Nie sú vhodné na použitie s reguláciou otáčok, pretože pri nízkych otáčkach sa rozbehové vinutie zapína na dlhý čas a môže sa spáliť.

OBRÁZOK 6. Kondenzátorové motory s rozbehom a chodom sú veľkou zbraňou jednofázových asynchrónnych motorov s veľkým rozbehovým kondenzátorom, ktorý sa po spustení vypína, a s menším chodovým kondenzátorom, ktorý je trvalo pripojený. Sú optimalizované na maximálny krútiaci moment v širokom rozsahu otáčok a používajú sa v náročných aplikáciách, ako sú kompresory, miešačky cementu a píly na tehly.

Variantom tejto témy je kondenzátorový motor s rozbehom a chodom, ktorý je znázornený na obrázku 6. V tomto prípade je rozbehový kondenzátor v sérii s odstredivým spínačom a menší rozbehový kondenzátor, ktorý je trvalo pripojený k pomocnému vinutiu. Toto usporiadanie poskytuje najlepšiu momentovú charakteristiku v najširšom rozsahu otáčok a dobrú výkonnosť pri preťažení. Samozrejme, je to na úkor zložitosti a nákladov. Tieto motory sa používajú pre naozaj náročné aplikácie s častým spúšťaním, ako sú kompresory, miešačky cementu, okružné, či pokosové píly a podobne.