Tachymètre électrique

Définition et types de tachymètres

Définition

Un tachymètre est un dispositif utilisé pour mesurer la vitesse de rotation ou la vitesse angulaire d'une machine à laquelle il est couplé. Son fonctionnement est basé sur le principe du mouvement relatif entre le champ magnétique et l'arbre de l'appareil connecté. Lorsque l'arbre tourne, ce mouvement relatif induit une force électromotrice (FEM) dans une bobine placée dans le champ magnétique constant d'un aimant permanent. L'amplitude de la FEM induite est directement proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre, permettant ainsi de mesurer la vitesse de la machine.

Types de tachymètres

Les tachymètres peuvent être classés en deux catégories principales : mécaniques et électriques.

• Tachymètre mécanique : Ce type de tachymètre mesure la vitesse de l'arbre en termes de tours par minute (RPM). Il fournit une indication mécanique directe de la vitesse de rotation, souvent par l'intermédiaire d'un lien mécanique et d'un pointeur sur un cadran calibré.

• Tachymètre électrique : Un tachymètre électrique convertit la vitesse angulaire en une tension électrique. Comparé aux tachymètres mécaniques, les tachymètres électriques offrent plusieurs avantages, tels qu'une plus grande précision, une intégration plus facile avec les systèmes de contrôle électroniques et la possibilité de transmettre des informations de vitesse sur de plus longues distances. Par conséquent, ils sont largement utilisés pour mesurer la vitesse de rotation des arbres. En fonction de la nature de la tension induite, les tachymètres électriques peuvent être subdivisés en deux sous-types :

• Générateur de tachymètre CA

• Générateur de tachymètre CC

Générateur de tachymètre CC

Le générateur de tachymètre CC comprend plusieurs composants clés : un aimant permanent, un armature, un collecteur, des balais, un résistor variable et un voltmètre à bobine mobile. Pour mesurer la vitesse d'une machine, son arbre est couplé à l'arbre du générateur de tachymètre CC.

Le principe de fonctionnement du générateur de tachymètre CC est basé sur l'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur fermé se déplace dans un champ magnétique, une FEM est induite dans le conducteur. L'amplitude de la FEM induite est déterminée par deux facteurs : la quantité de flux magnétique liée au conducteur et la vitesse de rotation de l'arbre. Lorsque l'arbre tourne, l'armature à l'intérieur du générateur de tachymètre CC se déplace dans le champ magnétique de l'aimant permanent, générant une FEM proportionnelle à la vitesse de l'arbre. Cette FEM induite est ensuite convertie en tension continue par le collecteur et les balais, qui peut être mesurée par le voltmètre à bobine mobile ou traitée par des circuits électroniques pour diverses applications.

Fonctionnement et opération du générateur de tachymètre CC

Dans un générateur de tachymètre CC, l'armature tourne dans le champ magnétique invariable d'un aimant permanent. Lorsque l'armature tourne, l'induction électromagnétique a lieu, induisant une force électromotrice (FEM) dans les bobines enroulées autour de celle-ci. De manière significative, l'amplitude de cette FEM induite est directement proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre auquel l'armature est couplée ; plus l'arbre tourne rapidement, plus la FEM induite est importante.

Le collecteur, en conjonction avec les balais, joue un rôle crucial dans le fonctionnement du générateur. Il transforme le courant alternatif (CA) généré dans les bobines de l'armature en courant continu (CC). Cette conversion est essentielle car elle permet une mesure plus simple et cohérente du signal électrique. Le voltmètre à bobine mobile est ensuite utilisé pour mesurer la FEM induite, fournissant une sortie quantifiable qui correspond à la vitesse de rotation de l'arbre.

Il est notoire que la polarité de la tension induite porte des informations importantes. Elle détermine la direction de rotation de l'arbre. Par exemple, une polarité positive pourrait indiquer une rotation dans le sens horaire, tandis qu'une polarité négative pourrait signifier une rotation dans le sens antihoraire. Pour protéger le voltmètre et assurer des mesures précises, une résistance est connectée en série avec celui-ci. Cette résistance limite le flux du courant potentiellement élevé généré par l'armature, empêchant les dommages au dispositif de mesure et maintenant l'intégrité du processus de mesure.

La FEM induite dans le générateur de tachymètre CC peut être exprimée par la formule suivante :

Où, E – tension générée
Φ – flux par pôles en weber
P - nombre de pôles
N – vitesse en tours par minute
Z – nombre de conducteurs dans les enroulements de l'armature.
a – nombre de chemins parallèles dans les enroulements de l'armature.

Avantages et inconvénients du générateur de tachymètre CC et introduction au générateur de tachymètre CA
Avantages du générateur de tachymètre CC

Le générateur de tachymètre CC offre plusieurs avantages notables, qui sont résumés comme suit :

• Indication de la direction de rotation de l'arbre : La polarité des tensions induites sert d'indicateur clair de la direction de rotation de l'arbre. Cette caractéristique fournit des informations précieuses sur la dynamique de rotation de la machine mesurée, permettant aux opérateurs de surveiller et de contrôler le système plus efficacement.

• Utilisation d'un voltmètre conventionnel : Un voltmètre de type CC conventionnel peut être utilisé pour mesurer la tension induite. Cette simplicité dans l'équipement de mesure réduit la complexité et le coût associés à la mise en place du système de mesure, le rendant accessible et facile à utiliser pour une large gamme d'applications.

Inconvénients du générateur de tachymètre CC

Malgré ses avantages, le générateur de tachymètre CC présente également certains inconvénients qui doivent être pris en compte :

• Besoins de maintenance : Le collecteur et les balais, qui sont des composants essentiels pour convertir le courant alternatif généré dans l'armature en courant continu, nécessitent une maintenance périodique. Au fil du temps, ces composants peuvent subir une usure due à la friction mécanique et à l'arc électrique, entraînant une réduction des performances et des pannes potentielles si une maintenance adéquate n'est pas effectuée.

• Problèmes de résistance en sortie et en entrée : La résistance en sortie du tachymètre CC est généralement plus élevée par rapport à sa résistance en entrée. Dans les situations où un courant important est induit dans le conducteur de l'armature, cela peut causer une distorsion du champ magnétique constant de l'aimant permanent. Une telle distorsion peut entraîner des imprécisions dans la mesure de la FEM induite et, par conséquent, des erreurs dans la détermination de la vitesse de rotation de l'arbre.

Générateur de tachymètre CA

La dépendance du générateur de tachymètre CC aux collecteurs et aux balais donne lieu à plusieurs limitations. Pour remédier à ces problèmes, le générateur de tachymètre CA a été développé. Un générateur de tachymètre CA comporte un armature fixe et un champ magnétique rotatif. Cette conception élimine la nécessité de collecteurs et de balais, surmontant ainsi de nombreux problèmes de maintenance et de performance associés aux tachymètres CC.

Lorsque le champ magnétique rotatif interagit avec les bobines fixes du stator, une force électromotrice (FEM) est induite. À la fois l'amplitude et la fréquence de la FEM induite sont directement liées à la vitesse de l'arbre. Cette relation permet de mesurer la vitesse angulaire en analysant soit l'amplitude, soit la fréquence du signal électrique induit.

Le circuit suivant est utilisé pour mesurer la vitesse du rotor en se concentrant sur l'amplitude de la tension induite. Tout d'abord, les tensions induites sont redressées pour les convertir du courant alternatif au courant continu. Ensuite, les tensions redressées passent par un filtre à condensateur, qui atténue efficacement les ondulations de la forme d'onde de la tension redressée, fournissant une mesure plus stable et précise de l'amplitude de la tension induite liée à la vitesse de rotation de l'arbre.

Générateur AC à rotor à tasse de freinage
Le tachymètre AC à tasse de freinage est illustré dans la figure ci-dessous.

• Structure et caractéristiques du générateur de tachymètre AC
  Le stator du générateur de tachymètre AC est équipé de deux enroulements distincts : l'enroulement de référence et l'enroulement quadrature. Ces enroulements sont positionnés à un angle de 90 degrés l'un par rapport à l'autre, ce qui est un aspect clé de la conception du générateur pour un fonctionnement précis. Le rotor du tachymètre est fabriqué à partir d'une tasse d'aluminium fine et est situé à l'intérieur de la structure du champ.
  Construit à partir d'un matériau hautement inductif, le rotor présente une faible inertie, lui permettant de répondre rapidement aux changements de vitesse de rotation. Un apport électrique est fourni à l'enroulement de référence, tandis que le signal de sortie est récupéré à partir de l'enroulement quadrature. Lorsque le rotor tourne dans le champ magnétique, il induit une tension dans l'enroulement de détection (quadrature). L'amplitude de cette tension induite est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor, établissant un mécanisme fiable pour mesurer la vitesse angulaire.
  Avantages
  Sortie sans ondulations : Le tachogénérateur à tasse de freinage est remarquable pour produire une tension de sortie exempte d'ondulations. Cette sortie lisse assure des mesures de vitesse plus précises et cohérentes, le rendant bien adapté aux applications où une surveillance précise de la vitesse est cruciale.
  Coût abordable : Un autre avantage significatif est son coût relativement bas. Cet avantage financier fait du tachogénérateur à tasse de freinage une option attrayante pour une large gamme d'applications, en particulier celles où l'efficacité économique est une priorité sans sacrifier la fonctionnalité de base.
  Inconvénient
  Cependant, le tachogénérateur à tasse de freinage présente une limitation notable. Lorsque le rotor tourne à des vitesses élevées, une relation non linéaire apparaît entre la tension de sortie et la vitesse d'entrée. Cette non-linéarité peut entraîner des imprécisions dans la mesure de la vitesse si elle n'est pas correctement prise en compte, limitant potentiellement l'utilisation du générateur dans des scénarios nécessitant des mesures de vitesse de rotation à haute vitesse et très précises.