Tacómetro Eléctrico

Definición y Tipos de Tacómetros

Definición

Un tacómetro es un dispositivo utilizado para medir la velocidad de rotación o la velocidad angular de una máquina a la que está acoplado. Su funcionamiento se basa en el principio del movimiento relativo entre el campo magnético y el eje del dispositivo conectado. A medida que el eje gira, este movimiento relativo induce una fuerza electromotriz (FEM) en una bobina colocada dentro del campo magnético constante de un imán permanente. La magnitud de la FEM inducida es directamente proporcional a la velocidad de rotación del eje, lo que permite medir la velocidad de la máquina.

Tipos de Tacómetros

Los tacómetros pueden clasificarse en dos categorías amplias: mecánicos y eléctricos.

• Tacómetro Mecánico: Este tipo de tacómetro mide la velocidad del eje en términos de revoluciones por minuto (RPM). Proporciona una indicación mecánica directa de la velocidad de rotación, generalmente a través de un mecanismo de conexión y un puntero en un dial calibrado.

• Tacómetro Eléctrico: Un tacómetro eléctrico convierte la velocidad angular en un voltaje eléctrico. En comparación con los tacómetros mecánicos, los tacómetros eléctricos ofrecen varias ventajas, como mayor precisión, integración más sencilla con sistemas de control electrónicos y la capacidad de transmitir información de velocidad a distancias más largas. Como resultado, se utilizan ampliamente para medir la velocidad de rotación de ejes. Dependiendo de la naturaleza del voltaje inducido, los tacómetros eléctricos pueden dividirse en dos subtipos:

• Generador de Tacómetro CA

• Generador de Tacómetro CC

Generador de Tacómetro CC

El generador de tacómetro CC comprende varios componentes clave: un imán permanente, un armadura, un colector, cepillos, un resistor variable y un voltímetro de bobina móvil. Para medir la velocidad de una máquina, su eje se acopla al eje del generador de tacómetro CC.

El principio de funcionamiento del generador de tacómetro CC se basa en la inducción electromagnética. Cuando un conductor cerrado se mueve dentro de un campo magnético, se induce una FEM en el conductor. La magnitud de la FEM inducida se determina por dos factores: la cantidad de flujo magnético vinculado con el conductor y la velocidad de rotación del eje. A medida que el eje gira, el armadura dentro del generador de tacómetro CC se mueve a través del campo magnético del imán permanente, generando una FEM que es proporcional a la velocidad del eje. Esta FEM inducida se convierte en un voltaje CC por el colector y los cepillos, que puede ser medido por el voltímetro de bobina móvil o procesado por circuitos electrónicos para diversas aplicaciones.

Operación y Funcionamiento del Generador de Tacómetro CC

En un generador de tacómetro CC, el armadura gira dentro del campo magnético invariable de un imán permanente. A medida que el armadura gira, se produce la inducción electromagnética, induciendo una fuerza electromotriz (FEM) en las bobinas enrolladas alrededor de él. Significativamente, la magnitud de esta FEM inducida es directamente proporcional a la velocidad de rotación del eje al que está acoplado el armadura; cuanto más rápido gire el eje, mayor será la FEM inducida.

El colector, en conjunto con los cepillos, juega un papel crucial en la operación del generador. Transforma la corriente alterna (CA) generada en las bobinas del armadura en corriente continua (CC). Esta conversión es esencial ya que permite una medición más sencilla y consistente de la señal eléctrica. El voltímetro de bobina móvil se utiliza entonces para medir la FEM inducida, proporcionando una salida cuantificable que corresponde a la velocidad de rotación del eje.

Es notable que la polaridad del voltaje inducido lleva información importante. Determina la dirección de movimiento del eje. Por ejemplo, una polaridad positiva podría indicar una rotación en sentido horario, mientras que una polaridad negativa podría significar una rotación en sentido antihorario. Para proteger el voltímetro y asegurar mediciones precisas, se conecta una resistencia en serie con él. Este resistor limita el flujo de la corriente potencialmente alta generada por el armadura, evitando daños al dispositivo de medición y manteniendo la integridad del proceso de medición.

La FEM inducida en el generador de tacómetro CC puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

Donde, E – voltaje generado
Φ – flujo por polos en Weber
P- número de polos
N – velocidad en revoluciones por minuto
Z – número de conductores en los devanados del armadura.
a – número de caminos paralelos en los devanados del armadura.

Ventajas y Desventajas del Generador de Tacómetro CC e Introducción al Generador de Tacómetro CA
Ventajas del Generador de Tacómetro CC

El generador de tacómetro CC ofrece varios beneficios notables, que se detallan a continuación:

• Indicación de la Dirección de Rotación del Eje: La polaridad de los voltajes inducidos sirve como un claro indicador de la dirección de rotación del eje. Esta característica proporciona información valiosa sobre la dinámica rotacional de la máquina que se está midiendo, permitiendo a los operadores monitorear y controlar el sistema de manera más efectiva.

• Uso de Voltímetro Convencional: Se puede emplear un voltímetro de tipo CC convencional para medir el voltaje inducido. Esta simplicidad en el equipo de medición reduce la complejidad y el costo asociado con la configuración del sistema de medición, haciéndolo accesible y fácil de usar para una amplia gama de aplicaciones.

Desventajas del Generador de Tacómetro CC

A pesar de sus ventajas, el generador de tacómetro CC también tiene ciertos inconvenientes que deben considerarse:

• Requisitos de Mantenimiento: El colector y los cepillos, que son componentes esenciales para convertir la corriente alterna generada en el armadura en corriente continua, requieren mantenimiento periódico. Con el tiempo, estos componentes pueden experimentar desgaste debido a la fricción mecánica y el arco eléctrico, lo que puede llevar a un rendimiento reducido y posibles fallos si no se mantienen adecuadamente.

• Problemas de Resistencia de Salida y Entrada: La resistencia de salida del tacómetro CC es típicamente mayor en comparación con su resistencia de entrada. En situaciones donde se induce una corriente grande en el conductor del armadura, esto puede causar distorsión del campo magnético constante del imán permanente. Dicha distorsión puede llevar a inexactitudes en la medición de la FEM inducida y, consecuentemente, errores en la determinación de la velocidad de rotación del eje.

Generador de Tacómetro CA

La dependencia del generador de tacómetro CC de colectores y cepillos da lugar a varias limitaciones. Para abordar estos problemas, se desarrolló el generador de tacómetro CA. Un generador de tacómetro CA presenta un armadura estacionario y un campo magnético rotatorio. Este diseño elimina la necesidad de colectores y cepillos, superando muchos de los problemas de mantenimiento y rendimiento asociados con los tacómetros CC.

A medida que el campo magnético rotatorio interactúa con las bobinas estacionarias del estator, se induce una fuerza electromotriz (FEM). Tanto la amplitud como la frecuencia de la FEM inducida están directamente relacionadas con la velocidad del eje. Esta relación permite medir la velocidad angular analizando la amplitud o la frecuencia de la señal eléctrica inducida.

El siguiente circuito se utiliza para medir la velocidad del rotor centrándose en la amplitud del voltaje inducido. Primero, los voltajes inducidos se rectifican para convertirlos de corriente alterna a corriente continua. Posteriormente, los voltajes rectificados pasan a través de un filtro de condensador, que suaviza eficazmente las ondulaciones en la forma de onda del voltaje rectificado, proporcionando una medición más estable y precisa de la amplitud del voltaje inducido relacionada con la velocidad de rotación del eje.

Generador de Tacómetro CA con Rotor de Copa de Arrastre
El tacómetro de tipo copa de arrastre CA se muestra en la figura a continuación.

• Estructura y Características del Generador de Tacómetro CA
  El estator del generador de tacómetro CA está equipado con dos bobinados distintos: el bobinado de referencia y el bobinado de cuadratura. Estos bobinados están posicionados a un ángulo de 90 grados entre sí, lo cual es un aspecto clave del diseño del generador para su operación precisa. El rotor del tacómetro está hecho de una taza de aluminio delgada y está situado dentro de la estructura del campo.
  Construido de un material altamente inductivo, el rotor exhibe baja inercia, lo que le permite responder rápidamente a los cambios en la velocidad de rotación. Se suministra una entrada eléctrica al bobinado de referencia, mientras que la señal de salida se recupera del bobinado de cuadratura. A medida que el rotor gira dentro del campo magnético, induce un voltaje en el bobinado de detección (cuadratura). La magnitud de este voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad de rotación del rotor, estableciendo un mecanismo confiable para medir la velocidad angular.
  Ventajas
  Salida sin Ondulaciones: El tachogenerador de copa de arrastre es notable por producir un voltaje de salida libre de ondulaciones. Esta salida suave asegura mediciones de velocidad más precisas y consistentes, lo que lo hace bien adaptado para aplicaciones donde el monitoreo preciso de la velocidad es crucial.
  Costo Eficiente: Otro beneficio significativo es su relativamente bajo costo. Esta asequibilidad hace que el tachogenerador de copa de arrastre sea una opción atractiva para una amplia gama de aplicaciones, especialmente aquellas donde la eficiencia en costos es una prioridad sin sacrificar la funcionalidad básica.
  Desventaja
  Sin embargo, el tachogenerador de copa de arrastre tiene una limitación notable. Cuando el rotor gira a altas velocidades, emerge una relación no lineal entre el voltaje de salida y la velocidad de entrada. Esta no linealidad puede llevar a inexactitudes en la medición de la velocidad si no se tiene en cuenta adecuadamente, lo que potencialmente restringe el uso del generador en escenarios que requieren mediciones de velocidad rotacional de alta velocidad y alta precisión.