Tachogeneratoren – Typen, Gerät und Funktionsprinzip

Das Wort „Tachogenerator“ setzt sich aus zwei Wörtern zusammen – vom griechischen „tachos“, was „schnell“ bedeutet, und vom lateinischen „Generator“. Der Tachogenerator ist eine variable oder konstante elektrische Mikromessmaschine, die auf der Welle des Geräts montiert ist und den aktuellen Wert der Drehzahl der Welle in ein elektrisches Signal umwandelt, dessen Parameter Informationen über die Drehzahl enthält.

Dieser Parameter kann sein erzeugte EMF oder der Frequenzwert des Signals. Das Ausgangssignal des Tachogenerators kann einer visuellen Anzeige (z. B. einem Display) oder einer automatischen Wellengeschwindigkeitssteuervorrichtung zugeführt werden, auf der der Tachogenerator arbeitet.

Es gibt verschiedene Arten von Tachogeneratoren, abhängig von der Art des am Ausgang erzeugten Signals: mit einem Wechselspannungs- oder Stromsignal (asynchrone oder synchrone Tachogeneratoren) oder mit einem konstanten Signal.

Gleichstrom-Tachogenerator

Ein Gleichstrom-Tachogenerator ist eine Kollektormaschine mit Erregung entweder durch Permanentmagnete (häufiger) oder durch eine Erregerspule (seltener), die sich auf ihrem Stator befindet. Die Mess-EMK wird an der Rotorwicklung des Tachogenerators induziert und erweist sich als direkt proportional zur Drehwinkelgeschwindigkeit des Rotors, genauer gesagt zur Änderungsrate des magnetischen Flusses, und zwar in exakter Übereinstimmung mit dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Das Ausgangssignal – eine Spannung, deren Wert ebenfalls direkt proportional zur Drehwinkelgeschwindigkeit des Rotors ist – wird über die Bürsten vom Kollektor abgeführt. Da der Job beinhaltet Kollektor und Bürsten, ein solches Gerät unterliegt einem schnelleren Verschleiß als ein Wechselstrom-Tachogenerator. Das Problem besteht darin, dass die Bürstensammeleinheit bei ihrer Arbeit Impulsrauschen im Ausgangssignal eines solchen Tachogenerators erzeugt.

Auf die eine oder andere Weise ist das Ausgangssignal des DC-Tachogenerators eine Spannung, was eine genaue Umwandlung der Spannung in Geschwindigkeit erschwert, da der magnetische Ablenkfluss von der Temperatur der Magnete und vom elektrischen Widerstand am Kontaktpunkt abhängt der Bürsten mit dem Kollektor (der sich mit der Zeit verändert), schließlich – durch Entmagnetisierung von Permanentmagneten im Laufe der Zeit.

Dennoch sind Gleichstrom-Tachogeneratoren in einigen Fällen für die Darstellungsform des Ausgangssignals sowie für das natürliche Phänomen der Umkehrung der Polarität dieses Signals entsprechend der Änderung der Drehrichtung der Welle geeignet.

DC-Tachogeneratoren zeichnen sich durch einen „Transformationsfaktor“ St aus, der das Verhältnis der entnommenen Spannung Uout zur Rotationsfrequenz Frot entsprechend der gegebenen Spannung ausdrückt.Dieser Parameter ist in der technischen Dokumentation des Tachogenerators angegeben und wird in Millivolt multipliziert mit Umdrehungen pro Minute gemessen. Wenn Sie diesen Parameter und die Ausgangsspannung des Tachogenerators kennen, können Sie die aktuelle Frequenz anhand der Formel berechnen:

Elektromotor mit eingebautem Tachogenerator:

Asynchroner Wechselstrom-Tachogenerator

Asynchrone Wechselstrom-Tachogeneratoren sind im Aufbau ähnlich für asynchrone Käfigläufermotoren… Der Rotor besteht hier aus einem Hohlzylinder (meist Kupfer oder Aluminium) und der Stator enthält zwei im rechten Winkel zueinander stehende Wicklungen. Eine der Statorwicklungen ist die Erregerwicklung, die zweite ist die Ausgangswicklung. Der Erregerspule wird ein Wechselstrom einer bestimmten Amplitude und Frequenz zugeführt und die Ausgangsspule mit dem Messgerät verbunden.

Wenn sich der Eichhörnchenrotor dreht, unterbricht er periodisch die anfängliche Orthogonalität der Magnetflüsse der beiden Spulen. Durch die Verzerrung des Bildes der Magnetfelder wird in der Ausgangsspule periodisch eine EMF induziert. Wenn der Rotor stillsteht, wird der magnetische Fluss der Erregerspule nicht verzerrt und es wird keine EMF in der Ausgangsspule induziert. Dabei ist die Größe der erzeugten EMK proportional zur Drehzahl der Welle.

Da der der Feldwicklung zugeführte Strom eine eigene Frequenz hat, die sich von der Drehzahl der Welle unterscheidet, wird ein solcher Tachogenerator als asynchron bezeichnet. Diese Konstruktion ermöglicht es unter anderem, die Drehrichtung des Rotors anhand der Phase des Ausgangssignals zu beurteilen – bei einer Drehrichtungsänderung wird die Phase umgekehrt.

Synchroner Wechselstrom-Tachogenerator

Synchrontachogeneratoren sind bürstenlose Wechselstrommaschinen.Die Magnetisierung des Rotors wird durch einen Permanentmagneten erzeugt, während am Stator eine oder mehrere Wicklungen vorhanden sind. In diesem Fall sind sowohl die Amplitude des Ausgangssignals als auch seine Frequenz proportional zur Drehzahl der Welle. Geschwindigkeitsdaten können daher sowohl anhand des Amplitudenwerts (Amplitudenerkennung) als auch direkt anhand der Frequenz (Frequenzerkennung) gemessen werden. Aus dem Ausgangssignal des Synchrontachogenerators lässt sich die Drehrichtung jedoch nicht ermitteln.

Der Rotor eines synchronen Wechselstrom-Tachogenerators kann in Form eines mehrpoligen Magneten ausgeführt sein und bei einer Umdrehung der Welle mehrere Impulse hintereinander im Ausgangssignal abgeben. Solche Tachogeneratoren haben neben asynchronen eine längere Lebensdauer, da sie nicht über eine Bürstensammelvorrichtung verfügen, die einem mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist.

Frequenzerkennung

Da die Ausgangsfrequenz eines synchronen Tachogenerators nicht von der Temperatur und anderen Faktoren abhängt, sind Frequenzmessungen damit genauer. Die Berechnung ist sehr einfach, es reicht aus, die Polpaarzahl p des Rotors zu kennen:

Aber es gibt auch eine Nuance. Damit die Genauigkeit der Berechnungen hoch genug ist, muss eine Zeit vorgesehen werden, in der sich theoretisch bereits die Geschwindigkeit ändern kann, was bedeutet, dass während der Zählung der Impulse der Messfehler zunimmt, was schädlich ist.

Um den Messfehler zu reduzieren, ist der Rotor mehrpolig ausgeführt, sodass die Berechnungen schneller durchgeführt werden können und die Reaktion des Steuerungssystems schneller erfolgen kann. Für einen Pol wird die Frequenz nach folgender Formel berechnet:

Dabei ist N die Anzahl der gelesenen Impulse und T die Impulszählperiode

Bei einem synchronen Tachogenerator ändert sich die Amplitude des Signals abhängig von der Drehzahl. Daher ist es bei der Auslegung des Ausgangsfrequenzdetektors wichtig, den gesamten möglichen Amplitudenbereich der Ausgangsspannungen des Tachogenerators zu berücksichtigen.

Amplitudenerkennung

Mit der Amplitudenmethode zur Bestimmung der Frequenz wird die Schaltung des Frequenzdetektors einfacher, aber hier ist es wichtig, den Einfluss von Faktoren wie Temperatur, Änderung des nichtmagnetischen Spalts usw. zu berücksichtigen. Je höher die Frequenz, desto größer ist die Amplitude des Ausgangssignals, daher ist die Detektorschaltung normalerweise ein Gleichrichter und Tiefpassfilter, wobei der in mV * U/min gemessene Umrechnungsfaktor die Bestimmung der Frequenz anhand der folgenden Formel ermöglicht:

Zusätzlich zu den in diesem Artikel besprochenen traditionellen Arten von Tachogeneratoren werden in modernen Technologien auch Pulssensoren eingesetzt. basierend auf Optokopplern, Hall-Sensoren usw. Der Vorteil von Tachogeneratoren besteht darin, dass sie in Verbindung mit einem Detektor keine zusätzlichen Stromquellen benötigen. Zu den Nachteilen herkömmlicher Tachogeneratoren vom Maschinentyp zählen die geringe Empfindlichkeit bei niedrigen Drehzahlen und das eingeleitete Bremsmoment.