Elektryczny tachometr

Definicja i rodzaje tachometrów

Definicja

Tachometr to urządzenie służące do pomiaru prędkości obrotowej lub prędkości kątowej maszyny, z którą jest połączony. Jego działanie opiera się na zasadzie ruchu względnego między polem magnetycznym a wałem połączonego urządzenia. Gdy wał obraca się, ten ruch względny indukuje siłę elektromotoryczną (SEM) w cewce umieszczonej w stałym polu magnetycznym permanentnego magnesu. Wielkość indukowanej SEM jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wału, co umożliwia pomiar prędkości maszyny.

Rodzaje tachometrów

Tachometry można szeroko podzielić na dwie kategorie: mechaniczne i elektryczne.

• Mechaniczny tachometr: Ten rodzaj tachometru mierzy prędkość wału w obrotach na minutę (RPM). Udziela bezpośredniego mechanicznego wskaźnika prędkości obrotowej, często poprzez mechaniczne sprzężenie i wskazówkę na skalibrowanym zegarze.

• Elektryczny tachometr: Elektryczny tachometr przekształca prędkość kątową w napięcie elektryczne. W porównaniu z tachometrami mechanicznymi, tachometry elektryczne oferują wiele zalet, takich jak wyższa dokładność, łatwiejszą integrację z systemami sterowania elektronicznego oraz możliwość przesyłania informacji o prędkości na większe odległości. Dlatego są szeroko stosowane do pomiaru prędkości obrotowej wałów. W zależności od natury indukowanego napięcia, tachometry elektryczne można dalej podzielić na dwa podtypy:

• Generatory tachometryczne prądu przemiennego

• Generatory tachometryczne prądu stałego

Generator tachometryczny prądu stałego

Generator tachometryczny prądu stałego składa się z kilku kluczowych komponentów: permanentnego magnesu, armatury, kolektora, szczotek, zmiennego rezystora i woltomierza z ruchomą cewką. Aby zmierzyć prędkość maszyny, jej wał jest sprzęgany z wałem generatora tachometrycznego prądu stałego.

Zasada działania generatora tachometrycznego prądu stałego opiera się na indukcji elektromagnetycznej. Gdy zamknięty obwód przewodnikowy porusza się w polu magnetycznym, indukowana jest w nim SEM. Wielkość indukowanej SEM zależy od dwóch czynników: ilości wiązki magnetycznej powiązanej z przewodnikiem i prędkości obrotowej wału. Gdy wał obraca się, armatura w generatorze tachometrycznym prądu stałego przemieszcza się w polu magnetycznym permanentnego magnesu, generując SEM proporcjonalną do prędkości wału. Ta indukowana SEM jest następnie przekształcana w napięcie stałe przez kolektor i szczotki, które mogą być zmierzone przez woltomierz z ruchomą cewką lub dalej przetworzone przez obwody elektroniczne do różnych zastosowań.

Działanie i funkcjonowanie generatora tachometrycznego prądu stałego

W generatorze tachometrycznym prądu stałego armatura obraca się w niezmiennym polu magnetycznym permanentnego magnesu. Gdy armatura kręci się, zachodzi indukcja elektromagnetyczna, indukując siłę elektromotoryczną (SEM) w cewkach nawiniętych na nią. Istotnie, wielkość tej indukowanej SEM jest directly proportional to the rotational speed of the shaft to which the armature is coupled; the faster the shaft spins, the greater the induced emf.

Kolektor, w połączeniu ze szczotkami, odgrywa kluczową rolę w działaniu generatora. Przekształca on prąd przemienny (AC) wygenerowany w cewkach armatury w prąd stały (DC). Ta konwersja jest niezbędna, ponieważ pozwala na bardziej proste i spójne pomiary sygnału elektrycznego. Woltomierz z ruchomą cewką jest następnie używany do pomiaru indukowanej SEM, dostarczając mierzalny wynik odpowiadający prędkości obrotowej wału.

Warto zauważyć, że polaryzacja indukowanego napięcia zawiera ważne informacje. Określa ona kierunek ruchu wału. Na przykład, dodatnia polaryzacja może wskazywać obrót zgodny z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy ujemna polaryzacja może oznaczać obrót przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Aby chronić woltomierz i zapewnić dokładne pomiary, rezystor jest podłączony szeregowo z nim. Ten rezystor ogranicza przepływ potencjalnie dużego prądu wygenerowanego przez armaturę, zapobiegając uszkodzeniom urządzenia pomiarowego i utrzymując integralność procesu pomiarowego.

EMF indukowany w generatorze tachometrycznym prądu stałego można wyrazić następującym wzorem:

Gdzie, E – wygenerowane napięcie
Φ – strumień magnetyczny na biegun w weberach
P – liczba biegunów
N – prędkość w obrotach na minutę
Z – liczba przewodników w cewkach armatury.
a – liczba równoległych ścieżek w cewkach armatury.

Zalety i wady generatora tachometrycznego prądu stałego oraz wprowadzenie do generatora tachometrycznego prądu przemiennego
Zalety generatora tachometrycznego prądu stałego

Generator tachometryczny prądu stałego oferuje kilka znaczących korzyści, które są przedstawione poniżej:

• Wskaźnik kierunku obrotu wału: Polaryzacja indukowanych napięć służy jako jasny wskaźnik kierunku obrotu wału. Ta cecha dostarcza cenne informacje o dynamicznych właściwościach obrotowych maszyny, umożliwiając operatorom lepsze monitorowanie i kontrolowanie systemu.

• Użycie konwencjonalnego woltomierza: Do pomiaru indukowanego napięcia można użyć konwencjonalnego woltomierza prądu stałego. Ta prostota w sprzęcie pomiarowym redukuje złożoność i koszt związane z uruchomieniem systemu pomiarowego, sprawiając, że jest dostępny i łatwy w użyciu dla szerokiego zakresu zastosowań.

Wady generatora tachometrycznego prądu stałego

Pomimo swoich zalet, generator tachometryczny prądu stałego ma również pewne wady, które należy wziąć pod uwagę:

• Wymagania dotyczące konserwacji: Kolektor i szczotki, które są kluczowymi elementami do konwersji prądu przemiennego wygenerowanego w armaturze na prąd stały, wymagają okresowej konserwacji. Z czasem te elementy mogą doświadczać zużycia z powodu tarcia mechanicznego i łuków elektrycznych, prowadząc do obniżenia wydajności i potencjalnych awarii, jeśli nie są prawidłowo utrzymane.

• Problemy z opornością wyjściową i wejściową: Oporność wyjściowa generatora tachometrycznego prądu stałego jest zwykle wyższa w porównaniu do oporności wejściowej. W sytuacjach, gdy w przewodniku armatury indukowany jest duży prąd, może to prowadzić do zniekształcenia stałego pola magnetycznego permanentnego magnesu. Takie zniekształcenie może prowadzić do nieprecyzyjnych pomiarów indukowanej SEM i, w konsekwencji, błędów w określeniu prędkości obrotowej wału.

Generator tachometryczny prądu przemiennego

Zależność generatora tachometrycznego prądu stałego od kolektorów i szczotek powoduje wiele ograniczeń. Aby rozwiązać te problemy, opracowano generator tachometryczny prądu przemiennego. Generator tachometryczny prądu przemiennego ma nieruchomą armaturę i obracające się pole magnetyczne. Ta konstrukcja eliminuje potrzebę kolektorów i szczotek, co pozwala przezwyciężyć wiele problemów związanych z konserwacją i wydajnością tachometrów prądu stałego.

Gdy obracające się pole magnetyczne oddziaływa z nieruchomymi cewkami statora, indukowana jest siła elektromotoryczna (SEM). Amplituda i częstotliwość indukowanej SEM są bezpośrednio związane z prędkością wału. Ta relacja pozwala na pomiar prędkości kątowej poprzez analizę amplitudy lub częstotliwości wygenerowanego sygnału elektrycznego.

Poniższy obwód jest używany do pomiaru prędkości rotora skupiając się na amplitudzie indukowanego napięcia. Po pierwsze, indukowane napięcia są prostowane, aby przekonwertować je z prądu przemiennego na prąd stały. Następnie, prostowane napięcia są przepuszczane przez filtr kondensatorowy, który efektywnie wygładza drgania w prostowanym napięciu, dostarczając bardziej stabilny i dokładny pomiar amplitudy indukowanego napięcia związany z prędkością obrotową wału.

Generator tachometryczny prądu przemiennego z rotorem typu drag cup
Generator tachometryczny prądu przemiennego z rotorem typu drag cup jest przedstawiony na poniższym rysunku.

• Konstrukcja i charakterystyka generatora tachometrycznego prądu przemiennego
  Stator generatora tachometrycznego prądu przemiennego wyposażony jest w dwa różne owinięcia: odniesienia i kwadraturowe. Te owinięcia są ustawione pod kątem 90 stopni względem siebie, co jest kluczowym aspektem projektu generatora do dokładnego działania. Rotor tachometru wykonany jest z cienkiego aluminium i znajduje się wewnątrz struktury pola.
  Konstruowany z materiału o wysokiej indukcyjności, rotor ma niską bezwładność, co pozwala mu szybko reagować na zmiany prędkości obrotowej. Sygnał wejściowy jest podawany do owinięcia odniesienia, a sygnał wyjściowy jest pobierany z owinięcia kwadraturowego. Gdy rotor obraca się w polu magnetycznym, indukuje napięcie w cewce czujnikowej (kwadraturowej). Wielkość tego indukowanego napięcia jest proporcjonalna do prędkości obrotowej rotora, tworząc niezawodny mechanizm do pomiaru prędkości kątowej.
  Zalety
  Wyjście bez drgań: Tachogenerator typu drag cup jest znany z produkcji napięcia wyjściowego wolnego od drgań. To gładkie wyjście zapewnia bardziej dokładne i spójne pomiary prędkości, co czyni go odpowiednim dla zastosowań, gdzie precyzyjne monitorowanie prędkości jest kluczowe.
  Kosztowność: Inną istotną zaletą jest jego względnie niska cena. Ta oszczędność sprawia, że tachogenerator typu drag cup jest atrakcyjną opcją dla szerokiego zakresu zastosowań, zwłaszcza tam, gdzie kosztowność jest priorytetem, bez rezygnacji z podstawowych funkcji.
  Wada
  Jednak tachogenerator typu drag cup ma istotną wadę. Gdy rotor obraca się z wysokimi prędkościami, występuje nieliniowa zależność między napięciem wyjściowym a prędkością wejściową. Ta nieliniowość może prowadzić do nieprecyzyjnych pomiarów prędkości, jeśli nie zostanie prawidłowo uwzględniona, co potencjalnie ogranicza zastosowanie generatora w scenariuszach wymagających wysokich prędkości i bardzo precyzyjnych pomiarów prędkości obrotowej.