Tacômetro Elétrico

Definição e Tipos de Tacômetros

Definição

Um tacômetro é um dispositivo usado para medir a velocidade rotacional ou a velocidade angular de uma máquina à qual está acoplado. Seu funcionamento baseia-se no princípio do movimento relativo entre o campo magnético e o eixo do dispositivo conectado. À medida que o eixo gira, esse movimento relativo induz uma força eletromotriz (FEM) em uma bobina colocada dentro do campo magnético constante de um ímã permanente. A magnitude da FEM induzida é diretamente proporcional à velocidade rotacional do eixo, permitindo a medição da velocidade da máquina.

Tipos de Tacômetros

Os tacômetros podem ser classificados amplamente em duas categorias: mecânicos e elétricos.

• Tacômetro Mecânico: Este tipo de tacômetro mede a velocidade do eixo em termos de rotações por minuto (RPM). Fornece uma indicação mecânica direta da velocidade rotacional, geralmente através de uma ligação mecânica e um ponteiro em um mostrador calibrado.

• Tacômetro Elétrico: Um tacômetro elétrico converte a velocidade angular em tensão elétrica. Comparado aos tacômetros mecânicos, os tacômetros elétricos oferecem várias vantagens, como maior precisão, integração mais fácil com sistemas de controle eletrônico e a capacidade de transmitir informações de velocidade por distâncias maiores. Como resultado, eles são amplamente utilizados para medir a velocidade rotacional de eixos. Dependendo da natureza da tensão induzida, os tacômetros elétricos podem ser divididos em dois subtipos:

• Gerador de Tacômetro CA

• Gerador de Tacômetro CC

Gerador de Tacômetro CC

O gerador de tacômetro CC compreende vários componentes-chave: um ímã permanente, um armadura, um coletor, escovas, um resistor variável e um voltímetro de bobina móvel. Para medir a velocidade de uma máquina, seu eixo é acoplado ao eixo do gerador de tacômetro CC.

O princípio de funcionamento do gerador de tacômetro CC baseia-se na indução eletromagnética. Quando um condutor em circuito fechado se move dentro de um campo magnético, uma FEM é induzida no condutor. A magnitude da FEM induzida é determinada por dois fatores: a quantidade de fluxo magnético ligado ao condutor e a velocidade rotacional do eixo. À medida que o eixo gira, a armadura dentro do gerador de tacômetro CC se move através do campo magnético do ímã permanente, gerando uma FEM que é proporcional à velocidade do eixo. Esta FEM induzida é então convertida em tensão CC pelo coletor e pelas escovas, que pode ser medida pelo voltímetro de bobina móvel ou processada por circuitos eletrônicos para diversas aplicações.

Operação e Funcionamento do Gerador de Tacômetro CC

No gerador de tacômetro CC, a armadura gira dentro do campo magnético constante de um ímã permanente. Conforme a armadura gira, ocorre a indução eletromagnética, induzindo uma força eletromotriz (FEM) nas bobinas enroladas nela. Significativamente, a magnitude desta FEM induzida é diretamente proporcional à velocidade rotacional do eixo ao qual a armadura está acoplada; quanto mais rápido o eixo gira, maior a FEM induzida.

O coletor, em conjunto com as escovas, desempenha um papel crucial na operação do gerador. Ele transforma a corrente alternada (CA) gerada nas bobinas da armadura em corrente contínua (CC). Esta conversão é essencial, pois permite uma medição mais simples e consistente do sinal elétrico. O voltímetro de bobina móvel é então empregado para medir a FEM induzida, fornecendo uma saída quantificável que corresponde à velocidade rotacional do eixo.

Notavelmente, a polaridade da tensão induzida carrega informações importantes. Ela determina a direção do movimento do eixo. Por exemplo, uma polaridade positiva pode indicar rotação no sentido horário, enquanto uma polaridade negativa poderia significar rotação no sentido anti-horário. Para proteger o voltímetro e garantir medidas precisas, uma resistência é conectada em série com ele. Este resistor limita o fluxo da corrente potencialmente alta gerada pela armadura, evitando danos ao dispositivo de medição e mantendo a integridade do processo de medição.

A FEM induzida no gerador de tacômetro CC pode ser expressa pela seguinte fórmula:

Onde, E – tensão gerada
Φ – fluxo por polos em Weber
P – número de polos
N – velocidade em rotações por minuto
Z – o número de condutores nos enrolamentos da armadura.
a – número de caminhos paralelos nos enrolamentos da armadura.

Vantagens e Desvantagens do Gerador de Tacômetro CC e Introdução ao Gerador de Tacômetro CA
Vantagens do Gerador de Tacômetro CC

O gerador de tacômetro CC oferece várias vantagens notáveis, que são descritas a seguir:

• Indicação da Direção de Rotação do Eixo: A polaridade das tensões induzidas serve como um indicador claro da direção de rotação do eixo. Essa característica fornece informações valiosas sobre a dinâmica rotacional da máquina sendo medida, permitindo que os operadores monitorem e controlem o sistema de forma mais eficaz.

• Uso de Voltímetro Convencional: Um voltímetro convencional de tipo CC pode ser empregado para medir a tensão induzida. Essa simplicidade no equipamento de medição reduz a complexidade e o custo associados à configuração do sistema de medição, tornando-o acessível e fácil de usar para uma ampla variedade de aplicações.

Desvantagens do Gerador de Tacômetro CC

Apesar de suas vantagens, o gerador de tacômetro CC também tem certas desvantagens que devem ser consideradas:

• Requisitos de Manutenção: O coletor e as escovas, que são componentes essenciais para converter a corrente alternada gerada na armadura em corrente contínua, requerem manutenção periódica. Com o tempo, esses componentes podem sofrer desgaste devido à fricção mecânica e arcos elétricos, levando a redução no desempenho e falhas potenciais se não forem adequadamente mantidos.

• Problemas de Resistência de Saída e Entrada: A resistência de saída do tacômetro CC é tipicamente maior em comparação com a resistência de entrada. Em situações onde uma grande corrente é induzida no condutor da armadura, isso pode causar distorção do campo magnético constante do ímã permanente. Tal distorção pode levar a imprecisões na medição da FEM induzida e, consequentemente, erros na determinação da velocidade rotacional do eixo.

Gerador de Tacômetro CA

A dependência do gerador de tacômetro CC de coletores e escovas gera várias limitações. Para abordar esses problemas, foi desenvolvido o gerador de tacômetro CA. Um gerador de tacômetro CA apresenta uma armadura estacionária e um campo magnético rotativo. Este design elimina a necessidade de coletores e escovas, superando muitos dos problemas de manutenção e desempenho associados aos tacômetros CC.

Conforme o campo magnético rotativo interage com as bobinas estacionárias do estator, uma força eletromotriz (FEM) é induzida. Tanto a amplitude quanto a frequência da FEM induzida estão diretamente relacionadas à velocidade do eixo. Esta relação permite a medição da velocidade angular analisando-se a amplitude ou a frequência do sinal elétrico induzido.

O seguinte circuito é utilizado para medir a velocidade do rotor focando-se na amplitude da tensão induzida. Primeiro, as tensões induzidas são retificadas para convertê-las de corrente alternada em corrente contínua. Subsequentemente, as tensões retificadas passam por um filtro de capacitor, que suaviza efetivamente as ondulações na forma de onda da tensão retificada, fornecendo uma medição mais estável e precisa da amplitude da tensão induzida relacionada à velocidade rotacional do eixo.

Gerador AC de Rotor de Taça de Arrasto
O tacômetro de tipo taça de arrasto CA é mostrado na figura abaixo.

• Estrutura e Características do Gerador de Tacômetro CA
  O estator do gerador de tacômetro CA é equipado com duas bobinas distintas: a bobina de referência e a bobina de quadratura. Estas bobinas estão posicionadas em um ângulo de 90 graus uma em relação à outra, que é um aspecto chave do design do gerador para operação precisa. O rotor do tacômetro é confeccionado de uma taça de alumínio fina e está situado dentro da estrutura de campo.
  Construído de um material altamente indutivo, o rotor exibe baixa inércia, permitindo que responda rapidamente às mudanças na velocidade rotacional. Uma entrada elétrica é fornecida à bobina de referência, enquanto o sinal de saída é recuperado da bobina de quadratura. Conforme o rotor gira dentro do campo magnético, induz uma tensão na bobina de detecção (quadratura). A magnitude desta tensão induzida é diretamente proporcional à velocidade rotacional do rotor, estabelecendo um mecanismo confiável para medir a velocidade angular.
  Vantagens
  Saída Livre de Ripples: O tachogenerador de taça de arrasto é notável por produzir uma tensão de saída livre de ripples. Esta saída suave garante medições de velocidade mais precisas e consistentes, tornando-o bem adequado para aplicações onde o monitoramento preciso da velocidade é crucial.
  Custo-Efetivo: Outro benefício significativo é seu custo relativamente baixo. Esta acessibilidade faz do tachogenerador de taça de arrasto uma opção atraente para uma ampla variedade de aplicações, especialmente aquelas onde a eficiência de custo é uma prioridade sem sacrificar a funcionalidade básica.
  Desvantagem
  No entanto, o tachogenerador de taça de arrasto tem uma limitação notável. Quando o rotor gira em altas velocidades, emerge uma relação não linear entre a tensão de saída e a velocidade de entrada. Esta não linearidade pode levar a imprecisões na medição da velocidade se não for adequadamente considerada, possivelmente restringindo o uso do gerador em cenários que exigem medições de velocidade rotacional de alta velocidade e alta precisão.