Elektrischer Tachometer

Definition und Arten von Tachometern

Definition

Ein Tachometer ist ein Gerät, das zur Messung der Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit einer Maschine verwendet wird, an die es angekoppelt ist. Sein Betrieb basiert auf dem Prinzip der relativen Bewegung zwischen dem Magnetfeld und der Welle des verbundenen Geräts. Bei der Drehung der Welle induziert diese relative Bewegung eine elektrische Spannung (EMF) in einer Spule, die sich im konstanten Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet. Die Größe der induzierten EMF ist direkt proportional zur Drehzahl der Welle, was die Messung der Geschwindigkeit der Maschine ermöglicht.

Arten von Tachometern

Tachometer können in zwei Kategorien unterteilt werden: mechanisch und elektrisch.

• Mechanisches Tachometer: Diese Art von Tachometer misst die Drehzahl der Welle in Umdrehungen pro Minute (RPM). Es bietet eine direkte mechanische Anzeige der Drehzahl, oft durch eine mechanische Verbindung und einen Zeiger auf einem kalibrierten Zifferblatt.

• Elektrisches Tachometer: Ein elektrisches Tachometer wandelt die Winkelgeschwindigkeit in eine elektrische Spannung um. Im Vergleich zu mechanischen Tachometern bieten elektrische Tachometer mehrere Vorteile, wie höhere Genauigkeit, einfachere Integration in elektronische Steuerungssysteme und die Möglichkeit, Geschwindigkeitsinformationen über größere Entfernungen zu übertragen. Daher werden sie weit verbreitet für die Messung der Drehzahl von Wellen eingesetzt. Abhängig von der Natur der induzierten Spannung können elektrische Tachometer weiter in zwei Unterkategorien unterteilt werden:

• Wechselstrom-Tachogenerator

• Gleichstrom-Tachogenerator

Gleichstrom-Tachogenerator

Der Gleichstrom-Tachogenerator besteht aus mehreren wichtigen Komponenten: einem Permanentmagneten, einem Armaturen, einem Umformer, Bürsten, einem variablen Widerstand und einem beweglichen Spulen-Voltmeter. Um die Geschwindigkeit einer Maschine zu messen, wird ihre Welle mit der Welle des Gleichstrom-Tachogenerators gekoppelt.

Das Arbeitsprinzip des Gleichstrom-Tachogenerators basiert auf der elektromagnetischen Induktion. Wenn ein geschlossener Leiter innerhalb eines Magnetfeldes bewegt wird, wird eine EMF im Leiter induziert. Die Größe der induzierten EMF wird durch zwei Faktoren bestimmt: die Menge des magnetischen Flusses, der mit dem Leiter verknüpft ist, und die Drehzahl der Welle. Beim Drehen der Welle bewegt sich der Armatur des Gleichstrom-Tachogenerators innerhalb des Magnetfeldes des Permanentmagneten und erzeugt eine EMF, die proportional zur Drehzahl der Welle ist. Diese induzierte EMF wird dann durch den Umformer und die Bürsten in eine Gleichspannung umgewandelt, die vom beweglichen Spulen-Voltmeter gemessen oder durch elektronische Schaltkreise für verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet werden kann.

Funktionsweise des Gleichstrom-Tachogenerators

Im Gleichstrom-Tachogenerator dreht sich die Armatur innerhalb des unveränderlichen Magnetfeldes eines Permanentmagneten. Während die Armatur rotiert, findet elektromagnetische Induktion statt, wodurch eine elektromotorische Kraft (emf) in den um die Armatur gewickelten Spulen induziert wird. Signifikant ist, dass die Größe dieser induzierten emf direkt proportional zur Drehzahl der Welle ist, an die die Armatur gekoppelt ist; je schneller die Welle dreht, desto größer ist die induzierte emf.

Der Umformer, in Verbindung mit den Bürsten, spielt eine entscheidende Rolle im Betrieb des Generators. Er transformiert den Wechselstrom (AC), der in den Armatur-Spulen erzeugt wird, in Gleichstrom (DC). Diese Umwandlung ist essentiell, da sie eine einfache und konsistente Messung des elektrischen Signals ermöglicht. Das bewegliche Spulen-Voltmeter wird dann verwendet, um die induzierte emf zu messen, was eine quantifizierbare Ausgabe liefert, die der Drehzahl der Welle entspricht.

Es ist bemerkenswert, dass die Polarität der induzierten Spannung wichtige Informationen enthält. Sie bestimmt die Richtung der Bewegung der Welle. So könnte zum Beispiel eine positive Polarität eine Uhrzeigersinn-Drehung anzeigen, während eine negative Polarität eine gegen den Uhrzeigersinn-Drehung bedeuten könnte. Um das Voltmeter zu schützen und genaue Messungen sicherzustellen, wird ein Widerstand in Serie mit ihm verbunden. Dieser Widerstand begrenzt den Durchfluss des potenziell hohen Stroms, der durch die Armatur erzeugt wird, verhindert Schäden am Messgerät und sichert die Integrität des Messprozesses.

Die in dem Gleichstrom-Tachogenerator induzierte emf kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

Wobei, E – erzeugte Spannung
Φ – Fluss pro Pol in Weber
P – Anzahl der Pole
N – Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
Z – Anzahl der Leiter in der Armaturwicklung.
a – Anzahl der parallelen Pfade in der Armaturwicklung.

Vorteile und Nachteile des Gleichstrom-Tachogenerators und Einführung in den Wechselstrom-Tachogenerator
Vorteile des Gleichstrom-Tachogenerators

Der Gleichstrom-Tachogenerator bietet mehrere bemerkenswerte Vorteile, die wie folgt dargestellt sind:

• Anzeige der Drehrichtung der Welle: Die Polarität der induzierten Spannungen dient als klarer Hinweis auf die Drehrichtung der Welle. Diese Funktion bietet wertvolle Informationen über die Rotationsdynamik der gemessenen Maschine und ermöglicht es den Bedienern, das System effektiver zu überwachen und zu steuern.

• Verwendung eines herkömmlichen Voltmeters: Ein herkömmliches Gleichstrom-Voltmeter kann zur Messung der induzierten Spannung verwendet werden. Diese Einfachheit in der Messausrüstung reduziert die Komplexität und die Kosten, die mit der Einrichtung des Messsystems verbunden sind, und macht es zugänglich und leicht zu bedienen für eine breite Palette von Anwendungen.

Nachteile des Gleichstrom-Tachogenerators

Trotz seiner Vorteile hat der Gleichstrom-Tachogenerator auch bestimmte Nachteile, die berücksichtigt werden müssen:

• Wartungsanforderungen: Der Umformer und die Bürsten, die wesentliche Komponenten für die Umwandlung des in der Armatur erzeugten Wechselstroms in Gleichstrom sind, erfordern regelmäßige Wartung. Mit der Zeit können diese Komponenten aufgrund von mechanischer Reibung und elektrischem Funkenflug Verschleiß erfahren, was zu einer verringerten Leistung und potenziellen Ausfällen führt, wenn sie nicht ordnungsgemäß gewartet werden.

• Probleme mit dem Ausgangs- und Eingangswiderstand: Der Ausgangswiderstand des Gleichstrom-Tachometers ist in der Regel höher als sein Eingangswiderstand. In Situationen, in denen in den Armatur-Leitern ein hoher Strom induziert wird, kann dies zu einer Verzerrung des konstanten Magnetfeldes des Permanentmagneten führen. Eine solche Verzerrung kann zu Ungenauigkeiten bei der Messung der induzierten emf und damit zu Fehlern bei der Bestimmung der Drehzahl der Welle führen.

Wechselstrom-Tachogenerator

Die Abhängigkeit des Gleichstrom-Tachogenerators von Umformern und Bürsten führt zu mehreren Einschränkungen. Um diese Probleme zu lösen, wurde der Wechselstrom-Tachogenerator entwickelt. Ein Wechselstrom-Tachogenerator verfügt über eine stationäre Armatur und ein rotierendes Magnetfeld. Diese Konstruktion beseitigt die Notwendigkeit von Umformern und Bürsten und überwindet viele der Wartungs- und Leistungsprobleme, die mit Gleichstrom-Tachometern verbunden sind.

Während das rotierende Magnetfeld mit den stationären Spulen des Stators interagiert, wird eine elektromotorische Kraft (EMF) induziert. Sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der induzierten EMF sind direkt mit der Drehzahl der Welle verbunden. Diese Beziehung ermöglicht die Messung der Winkelgeschwindigkeit, indem entweder die Amplitude oder die Frequenz des induzierten elektrischen Signals analysiert wird.

Das folgende Schaltkreis wird verwendet, um die Drehzahl des Rotors durch die Analyse der Amplitude der induzierten Spannung zu messen. Zuerst werden die induzierten Spannungen rektifiziert, um sie von Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Anschließend werden die rektifizierten Spannungen durch einen Kondensatorfilter geleitet, der die Rippeln in der rektifizierten Spannungswelle glättet und eine stabilere und genauere Messung der Amplitude der induzierten Spannung bezogen auf die Drehzahl der Welle ermöglicht.

Schleppbecher-Rotor-Wechselstromgenerator
Der Schleppbecher-Typ A.C Tachometer ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

• Aufbau und Eigenschaften des Wechselstrom-Tachogenerators
  Der Stator des Wechselstrom-Tachogenerators ist mit zwei unterschiedlichen Wicklungen ausgestattet: der Referenzwicklung und der Quadraturwicklung. Diese Wicklungen sind um 90 Grad zueinander versetzt, was ein Schlüsselaspekt des Generator-Designs für eine genaue Funktionalität ist. Der Rotor des Tachometers besteht aus einem dünnen Aluminiumbecher und befindet sich innerhalb der Feldstruktur.
  Konstruiert aus einem hochinduktiven Material, weist der Rotor eine geringe Trägheit auf, was ihm ermöglicht, schnell auf Änderungen der Drehzahl zu reagieren. Ein elektrisches Eingangssignal wird an die Referenzwicklung geliefert, während das Ausgangssignal von der Quadraturwicklung abgerufen wird. Während der Rotor innerhalb des Magnetfeldes rotiert, induziert er eine Spannung in der Sensoren-Wicklung (Quadraturwicklung). Die Größe dieser induzierten Spannung ist direkt proportional zur Drehzahl des Rotors, was ein zuverlässiges Verfahren zur Messung der Winkelgeschwindigkeit darstellt.
  Vorteile
  Rippenfreies Ausgangssignal: Der Schleppbecher-Tachogenerator zeichnet sich durch ein rippelfreies Ausgangssignal aus. Dieses glatte Signal sorgt für präzisere und konsistentere Geschwindigkeitsmessungen und macht ihn besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine genaue Geschwindigkeitsüberwachung erforderlich ist.
  Kostengünstig: Ein weiterer signifikanter Vorteil ist seine relativ geringe Kosten. Diese Kosteneffizienz macht den Schleppbecher-Tachogenerator zu einer attraktiven Option für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere dort, wo Kosteneffizienz eine Priorität ist, ohne dabei grundlegende Funktionalitäten zu opfern.
  Nachteil
  Allerdings hat der Schleppbecher-Tachogenerator eine bemerkenswerte Einschränkung. Bei hohen Drehzahlen des Rotors tritt eine nichtlineare Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsdrehzahl auf. Diese Nichtlinearität kann zu Ungenauigkeiten bei der Geschwindigkeitsmessung führen, wenn sie nicht richtig berücksichtigt wird, und könnte die Verwendung des Generators in Szenarien einschränken, die eine hohe Drehzahl und sehr präzise Drehzahl-Messungen erfordern.