Электрический тахометр

Определение и типы тахометров

Определение

Тахометр — это устройство, используемое для измерения скорости вращения или угловой скорости машины, к которой он подключен. Его работа основана на принципе относительного движения между магнитным полем и валом подключенного устройства. При вращении вала это относительное движение вызывает электродвижущую силу (ЭДС) в катушке, расположенной в постоянном магнитном поле постоянного магнита. Магнитуда индуцированной ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения вала, что позволяет измерять скорость машины.

Типы тахометров

Тахометры можно разделить на две широкие категории: механические и электрические.

• Механический тахометр: Этот тип тахометра измеряет скорость вала в оборотах в минуту (об/мин). Он предоставляет прямое механическое указание на скорость вращения, часто через механическую связь и стрелку на калиброванном циферблате.

• Электрический тахометр: Электрический тахометр преобразует угловую скорость в электрическое напряжение. По сравнению с механическими тахометрами, электрические тахометры предлагают несколько преимуществ, таких как большая точность, более легкая интеграция с электронными системами управления и возможность передачи информации о скорости на большие расстояния. В результате они широко используются для измерения скорости вращения валов. В зависимости от природы индуцированного напряжения, электрические тахометры можно разделить на два подтипа:

• Генератор переменного тока

• Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока состоит из нескольких ключевых компонентов: постоянный магнит, якорь, коллектор, щетки, переменный резистор и вольтметр с подвижной катушкой. Для измерения скорости машины ее вал соединяется с валом генератора постоянного тока.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на электромагнитной индукции. Когда замкнутый проводник движется в магнитном поле, в нем индуцируется ЭДС. Магнитуда индуцированной ЭДС определяется двумя факторами: количеством магнитного потока, связанного с проводником, и скоростью вращения вала. При вращении вала якорь внутри генератора постоянного тока движется через магнитное поле постоянного магнита, генерируя ЭДС, пропорциональную скорости вала. Эта индуцированная ЭДС затем преобразуется в постоянное напряжение с помощью коллектора и щеток, которое может быть измерено вольтметром с подвижной катушкой или обработано электронными цепями для различных применений.

Работа и функционирование генератора постоянного тока

В генераторе постоянного тока якорь вращается в неизменном магнитном поле постоянного магнита. При вращении якоря происходит электромагнитная индукция, индуцирующая электродвижущую силу (ЭДС) в обмотках, намотанных на него. Значительно, величина этой индуцированной ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения вала, к которому подключен якорь; чем быстрее вращается вал, тем больше индуцированная ЭДС.

Коллектор, в сочетании с щетками, играет важную роль в работе генератора. Он преобразует переменный ток (ПТ), генерируемый в обмотках якоря, в постоянный ток (ПТ). Это преобразование необходимо, так как оно позволяет более простое и последовательное измерение электрического сигнала. Вольтметр с подвижной катушкой затем используется для измерения индуцированной ЭДС, предоставляя количественный выход, соответствующий скорости вращения вала.

Заметим, что полярность индуцированного напряжения несет важную информацию. Она определяет направление вращения вала. Например, положительная полярность может указывать на вращение по часовой стрелке, а отрицательная — против часовой стрелки. Чтобы защитить вольтметр и обеспечить точные измерения, к нему подключается резистор в последовательности. Этот резистор ограничивает поток высокого тока, генерируемого якорем, предотвращая повреждение измерительного устройства и сохраняя целостность процесса измерения.

ЭДС, индуцированная в генераторе постоянного тока, может быть выражена следующей формулой:

где, E — генерируемое напряжение
Φ — поток через полюсы в веберах
P — количество полюсов
N — скорость в оборотах в минуту
Z — количество проводников в обмотках якоря.
a — количество параллельных путей в обмотках якоря.

Преимущества и недостатки генератора постоянного тока и введение в генератор переменного тока
Преимущества генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока предлагает несколько значительных преимуществ, которые описаны ниже:

• Указание направления вращения вала: Полярность индуцированных напряжений служит четким индикатором направления вращения вала. Эта особенность предоставляет ценную информацию о динамике вращения измеряемой машины, позволяя операторам эффективнее контролировать систему.

• Использование обычного вольтметра: Обычный вольтметр постоянного тока может использоваться для измерения индуцированного напряжения. Простота измерительного оборудования уменьшает сложность и стоимость установки системы измерения, делая ее доступной и удобной для широкого круга применений.

Недостатки генератора постоянного тока

Несмотря на свои преимущества, генератор постоянного тока также имеет некоторые недостатки, которые следует учитывать:

• Требования к обслуживанию: Коллектор и щетки, которые являются необходимыми компонентами для преобразования переменного тока, генерируемого в якоре, в постоянный ток, требуют периодического обслуживания. Со временем эти компоненты могут изнашиваться из-за механического трения и электрической дуги, что приводит к снижению производительности и возможным отказам, если их не обслуживать должным образом.

• Проблемы с выходным и входным сопротивлением: Выходное сопротивление генератора постоянного тока обычно выше, чем его входное сопротивление. В ситуациях, когда в проводнике якоря индуцируется большой ток, это может привести к искажению постоянного магнитного поля постоянного магнита. Такое искажение может привести к неточностям в измерении индуцированной ЭДС и, следовательно, ошибкам в определении скорости вращения вала.

Генератор переменного тока

Зависимость генератора постоянного тока от коллекторов и щеток приводит к нескольким ограничениям. Для решения этих проблем был разработан генератор переменного тока. Генератор переменного тока имеет неподвижный якорь и вращающееся магнитное поле. Этот дизайн исключает необходимость в коллекторах и щетках, тем самым преодолевая многие проблемы с обслуживанием и производительностью, связанные с генераторами постоянного тока.

При взаимодействии вращающегося магнитного поля с неподвижными обмотками статора индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Амплитуда и частота индуцированной ЭДС прямо связаны со скоростью вала. Это отношение позволяет измерять угловую скорость, анализируя либо амплитуду, либо частоту индуцированного электрического сигнала.

Следующая схема используется для измерения скорости ротора, сосредоточившись на амплитуде индуцированного напряжения. Сначала индуцированные напряжения выпрямляются, чтобы преобразовать их из переменного тока в постоянный ток. Затем выпрямленные напряжения проходят через фильтр конденсатора, который эффективно сглаживает пульсации в выпрямленной форме напряжения, обеспечивая более стабильное и точное измерение амплитуды индуцированного напряжения, связанного со скоростью вращения вала.

Генератор переменного тока с ротором типа "чаша"
Генератор переменного тока с ротором типа "чаша" показан на рисунке ниже.

• Структура и характеристики генератора переменного тока
  Статор генератора переменного тока оснащен двумя различными обмотками: обмоткой опоры и квадратурной обмоткой. Эти обмотки расположены под углом 90 градусов друг к другу, что является ключевым аспектом дизайна генератора для точной работы. Ротор тахометра выполнен из тонкой алюминиевой чаши и расположен внутри магнитной структуры.
  Сконструированный из высокоиндуктивного материала, ротор имеет низкую инертность, что позволяет ему быстро реагировать на изменения скорости вращения. Электрический вход подается на обмотку опоры, а выходной сигнал снимается с квадратурной обмотки. При вращении ротора в магнитном поле он индуцирует напряжение в чувствительной (квадратурной) обмотке. Магнитуда этого индуцированного напряжения прямо пропорциональна скорости вращения ротора, создавая надежный механизм для измерения угловой скорости.
  Преимущества
  Безпомеховый выход: Генератор переменного тока с ротором типа "чаша" известен тем, что выдает напряжение без помех. Этот плавный выход обеспечивает более точные и последовательные измерения скорости, делая его подходящим для применений, где требуется точное мониторинг скорости.
  Экономичность: Другим значительным преимуществом является его относительно низкая стоимость. Эта экономичность делает генератор переменного тока с ротором типа "чаша" привлекательным вариантом для широкого круга применений, особенно тех, где важна экономическая эффективность без ущерба для базовой функциональности.
  Недостаток
  Однако у генератора переменного тока с ротором типа "чаша" есть заметное ограничение. При высоких скоростях вращения ротора возникает нелинейная зависимость между выходным напряжением и скоростью вращения. Эта нелинейность может привести к неточностям в измерении скорости, если она не будет учтена, что может ограничить использование генератора в сценариях, требующих высокоскоростных и высокоточных измерений угловой скорости.