تاکوژنراتور چیست و چگونه کار می‌کند؟

تاکوژنراتور، که به‌عنوان ژنراتور تاکومتر یا تاکو نیز شناخته می‌شود، دستگاهی الکترومکانیکی است که ولتاژی الکتریکی متناسب با سرعت چرخش شفت خود تولید می‌کند. تاکوژنراتورها دستگاه‌های الکترومکانیکی هستند که سرعت چرخش را به سیگنال الکتریکی متناسب تبدیل می‌کنند و به‌عنوان اجزای کلیدی در اندازه‌گیری و کنترل سرعت در صنایع مختلف شناخته می‌شوند. این دستگاه‌ها به دلیل دقت، قابلیت اطمینان، و تطبیق‌پذیری بالا در کاربردهایی از کنترل موتور تا اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شوند.

تاکوژنراتور چیست؟

تعریف و مفهوم پایه

تاکوژنراتور، که به‌عنوان ژنراتور تاکومتر یا تاکو نیز شناخته می‌شود، دستگاهی الکترومکانیکی است که ولتاژی الکتریکی متناسب با سرعت چرخش شفت خود تولید می‌کند. برخلاف انکودرهای افزایشی که سرعت را از جابه‌جایی زاویه‌ای محاسبه می‌کنند، تاکوژنراتورها سرعت را مستقیماً با تولید سیگنال ولتاژ اندازه‌گیری می‌کنند و بنابراین دستگاه‌های واقعی سنجش سرعت هستند. ولتاژ خروجی معمولاً در بازه 0 تا 10 ولت است و در مدل‌های جریان مستقیم (DC)، قطبیت ولتاژ جهت چرخش را نشان می‌دهد. تاکوژنراتورها به‌طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به بازخورد دقیق سرعت دارند، مانند کنترل موتور، سیستم‌های نوار نقاله، و ابزارهای ماشینی، استفاده می‌شوند.

مفهوم تاکوژنراتورها به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد و پیشرفت‌های قابل‌توجهی در دهه 1940 به دست آمد. در سال 1949، شرکت Radio-Energie تاکوژنراتور REO444 را معرفی کرد که به دلیل قابلیت اطمینان و دقت بالا به استاندارد صنعتی تبدیل شد. این مدل بعدها توسط تولیدکنندگان دیگر بازتولید شد و تاکوژنراتورها را به‌عنوان اجزای ضروری در اتوماسیون صنعتی تثبیت کرد. توسعه تاکوژنراتورهای بدون برس در اواخر قرن بیستم دوام و مناسب بودن آن‌ها برای کاربردهای پرسرعت را بهبود بخشید.

اصول کاری

تاکوژنراتورها بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی، مشابه ژنراتورهای الکتریکی، کار می‌کنند. هنگامی که شفت در یک میدان مغناطیسی می‌چرخد، ولتاژی در سیم‌پیچ‌های تاکوژنراتور القا می‌شود. مقدار این ولتاژ مستقیماً با سرعت چرخش متناسب است و توسط معادله زیر تعیین می‌شود:

E_g = K_g *N

که در آن:

• E_g: ولتاژ خروجی (ولت)
• K_g: ثابت ولتاژ (ولت بر دور در دقیقه، V/rev/min)
• ( N ): سرعت چرخش (دور در دقیقه، rev/min)

در تاکوژنراتورهای DC، یک استاتور مغناطیس دائم و آرمیچر سیم‌پیچی‌شده ولتاژ DC تولید می‌کنند، در حالی که تاکوژنراتورهای AC ولتاژ متناوبی با فرکانس و دامنه متناسب با سرعت ایجاد می‌کنند. طراحی‌های بدون برس از حسگرهای اثر هال نصب‌شده روی استاتور برای حذف برس‌ها استفاده می‌کنند و نیاز به نگهداری را کاهش می‌دهند.

انواع تاکوژنراتورها

تاکوژنراتورهای DC

تاکوژنراتورهای DC، که اغلب به‌عنوان ژنراتورهای DC دقیق شناخته می‌شوند، شامل یک استاتور مغناطیس دائم و یک آرمیچر سیم‌پیچی‌شده هستند. این دستگاه‌ها ولتاژ DC خطی متناسب با سرعت تولید می‌کنند، معمولاً در بازه 0–10 ولت. این تاکوژنراتورها می‌توانند جهت چرخش را از طریق قطبیت ولتاژ نشان دهند و برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری سرعت دوجهته دارند، ایده‌آل هستند. با این حال، تاکوژنراتورهای DC برس‌دار به دلیل سایش برس‌ها و بلند شدن آیرودینامیکی در سرعت‌های بالا (تا 10,000 دور در دقیقه) محدود هستند.

تاکوژنراتورهای AC

تاکوژنراتورهای AC ولتاژ متناوبی تولید می‌کنند که فرکانس و دامنه آن متناسب با سرعت شفت است. این دستگاه‌ها برای کاربردهایی که سیگنال‌های AC ترجیح داده می‌شوند، مانند سیستم‌های صنعتی قدیمی، مناسب‌اند. امروزه تاکوژنراتورهای AC به دلیل تسلط سیستم‌های کنترلی مبتنی بر DC کمتر رایج هستند، اما همچنان در صنایعی مانند نساجی کاربرد دارند.

تاکوژنراتورهای بدون برس

تاکوژنراتورهای بدون برس، که برای غلبه بر محدودیت‌های مدل‌های برس‌دار توسعه یافته‌اند، مشابه موتورهای DC بدون برس عمل می‌کنند. آن‌ها از حسگرهای اثر هال نصب‌شده روی استاتور برای کنترل سوئیچینگ فاز استفاده می‌کنند و برس‌ها را حذف می‌کنند، که نگهداری را کاهش می‌دهد. این تاکوژنراتورها می‌توانند در سرعت‌های تا 100,000 دور در دقیقه کار کنند و برای کاربردهای با عملکرد بالا مانند ابزارهای ماشینی و سیستم‌های سروو مناسب‌اند.

طراحی‌های شفت جامد، شفت توخالی، و شفت کور

تاکوژنراتورهای شفت جامد، برای کاربردهای با بار بالا طراحی شده‌اند و در ماشین‌آلات سنگین مانند جرثقیل‌ها و مته‌های معدنی استفاده می‌شوند. تاکوژنراتورهای شفت توخالی، با چهار قطب مغناطیسی، برای بارهای ولتاژ پایین طراحی شده‌اند و در کاربردهایی مانند کنترل سرعت آسانسور استفاده می‌شوند. تاکوژنراتورهای شفت کور، گزینه‌های نصب انعطاف‌پذیری برای سیستم‌های فشرده ارائه می‌دهند.

کاربردهای صنعتی

تاکوژنراتورها به دلیل دقت و قابلیت اطمینان، در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارند. در ادامه، کاربردهای اصلی صنعتی بررسی می‌شوند:

کنترل حرکت و بازخورد سرعت موتور

تاکوژنراتورها به‌طور گسترده در سیستم‌های کنترل حرکت برای ارائه بازخورد سرعت در لحظه برای موتورهای DC و درایوها استفاده می‌شوند. با ارائه ولتاژ پیوسته متناسب با سرعت موتور، آن‌ها امکان کنترل دقیق در شرایط بار متغیر را فراهم می‌کنند. به‌عنوان مثال، در سیستم‌های سروو، تاکوژنراتورها به موتورها اجازه می‌دهند در بازه‌های سرعت بالا با تنظیم دینامیک ولتاژ کار کنند. کاربردهای رایج شامل:

• نوار نقاله‌ها: تضمین سرعت ثابت برای جابه‌جایی مواد
• میکسرها و همزن‌ها: حفظ سرعت بهینه هم‌زدن در فرآیندهای شیمیایی و غذایی
• پمپ‌ها و فن‌ها: نظارت و کنترل سرعت چرخش برای عملکرد کارآمد

ابزارهای ماشینی

در ابزارهای ماشینی با عملکرد بالا، مانند تراش‌ها، فرزها، و ماشین‌های CNC، تاکوژنراتورها اندازه‌گیری دقیق سرعت اسپیندل‌ها و درایوها را فراهم می‌کنند. تاکوژنراتورهای بدون برس به دلیل توانایی کار در سرعت‌های نزدیک به 100,000 دور در دقیقه بدون محدودیت‌های برس، در این کاربردها بسیار ارزشمند هستند. آن‌ها دقت در فرآیندهای برش، سوراخ‌کاری، و فرزکاری را تضمین می‌کنند.

سیستم‌های آسانسور و جرثقیل

تاکوژنراتورهای DC شفت توخالی معمولاً در تجهیزات بالابر آسانسور برای سنجش سرعت قرقره‌های کششی استفاده می‌شوند و توقف دقیق در طبقات موردنظر را تضمین می‌کنند. در جرثقیل‌ها و وینچ‌ها، تاکوژنراتورها سرعت بالابر را نظارت می‌کنند تا جابه‌جایی ایمن بار را تضمین کرده و از شرایط بیش‌سرعت جلوگیری کنند.

تولید برق و انرژی تجدیدپذیر

تاکوژنراتورها در توربین‌های بادی و سیستم‌های برق‌آبی برای نظارت بر سرعت چرخش شفت توربین‌ها استفاده می‌شوند و تولید انرژی بادی را تضمین می‌کنند. همچنین در سیستم‌های ردیابی خورشیدی برای کنترل سرعت میزهای چرخان که زاویه پنل‌ها را تنظیم می‌کنند، به کار می‌روند. طراحی مقاوم آن‌ها، آن‌ها را برای محیط‌های خشن مانند مزارع بادی دریایی مناسب می‌کند.

حمل‌ونقل و سیستم‌های کششی

در صنعت راه‌آهن، تاکوژنراتورها سرعت چرخ‌ها و محورها را برای نظارت بر کشش و تضمین عملیات ایمن اندازه‌گیری می‌کنند. همچنین در کامیون‌ها و تجهیزات سنگین برای ارائه بازخورد به گاورنرهای سرعت و سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شوند.

اتوماسیون صنعتی و رباتیک

تاکوژنراتورها نقش مهمی در سیستم‌های اتوماسیون ایفا می‌کنند و بازخورد سرعت را برای بازوهای رباتیک، وسایل نقلیه هدایت‌شده خودکار (AGV)، و سیستم‌های تناسبی فراهم می‌کنند. خروجی آنالوگ آن‌ها با کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) که ورودی‌های 0–10 ولت را قبول می‌کنند، سازگار است و آن‌ها را برای کنترل حلقه بسته ایده‌آل می‌کند.

کاربردهای دیگر

• کنتورهای توان: اندازه‌گیری کار انجام‌شده با محاسبه سرعت و گشتاور
• میزهای نرخ و سانتریفیوژها: تنظیم شرایط آزمایشی دقیق در تحقیقات
• تولید نساجی و کاغذ: کنترل سرعت غلتک‌ها و اسپیندل‌ها
• خطوط تولید شیشه: تضمین سرعت ثابت در فرآیندهای شکل‌دهی

مزایای تاکوژنراتورها

تاکوژنراتورها مزایای متعددی دارند که آن‌ها را به گزینه‌ای ترجیحی برای اندازه‌گیری سرعت در کاربردهای صنعتی تبدیل می‌کند:

تاکوژنراتورها، به‌ویژه مدل‌های DC، خروجی ولتاژ خطی با ریپل کم ارائه می‌دهند و اندازه‌گیری سرعت دقیق را تضمین می‌کنند. طراحی‌های بدون برس هیچ قطعه متحرکی جز روتور ندارند، که قابلیت اطمینان بالا و مناسب بودن برای محیط‌های خشن را به دنبال دارد. تاکوژنراتورهای DC می‌توانند جهت چرخش را از طریق قطبیت ولتاژ نشان دهند و سیستم‌های کنترلی را ساده‌تر کنند.

تاکوژنراتورها به تغییرات سرعت به‌سرعت پاسخ می‌دهند و برای کاربردهای دینامیک مناسب‌اند. در مقایسه با انکودرهای دیجیتال پیچیده، تاکوژنراتورها برای کاربردهایی که فقط نیاز به اندازه‌گیری سرعت دارند، اقتصادی هستند. مدل‌هایی مانند محصولات Baumer و Johannes Hübner می‌توانند سرعت‌هایی از حالت سکون تا 12,000 دور در دقیقه یا بالاتر را اندازه‌گیری کنند.

معایب

تاکوژنراتورهای DC برس‌دار از سایش برس‌ها و بلند شدن آیرودینامیکی در سرعت‌های بالا رنج می‌برند و حداکثر سرعت آن‌ها را به حدود 10,000 دور در دقیقه محدود می‌کنند. در آرمیچرهای سنتی آهن-مس، ولتاژ ریپل ممکن است روی خروجی DC سوار شود و دقت را کاهش دهد. مدل‌های برس‌دار نیاز به نگهداری دوره‌ای برای تعویض برس‌ها دارند که هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد.

برخلاف انکودرها، تاکوژنراتورها فقط سرعت را اندازه‌گیری می‌کنند و نه موقعیت، که آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به هر دو دارند، نامناسب می‌کند. بیش‌سرعت کردن تاکوژنراتور فراتر از ظرفیت نامی می‌تواند عمر آن را کوتاه کند و استفاده از تقسیم‌کننده‌های ولتاژ برای گسترش بازه قابل‌اندازه‌گیری توصیه نمی‌شود. انکودرهای افزایشی و حسگرهای مجاورتی، که خروجی‌های دیجیتال و بازخورد موقعیت ارائه می‌دهند، به‌طور فزاینده‌ای جایگزین تاکوژنراتورها در سیستم‌های اتوماسیون مدرن می‌شوند.

مقایسه با حسگرهای سرعت جایگزین

تاکوژنراتورها اغلب با سایر فناوری‌های سنجش سرعت، مانند انکودرهای افزایشی و حسگرهای مجاورتی، مقایسه می‌شوند. در ادامه، تحلیل مقایسه‌ای ارائه شده است:

تاکوژنراتورها در مقابل انکودرهای افزایشی

خروجی ولتاژ آنالوگ متناسب با سرعت ارائه می‌دهند، با خطیت بالا و ثابت زمانی پایین. آن‌ها برای کاربردهایی که فقط نیاز به اندازه‌گیری سرعت دارند، ایده‌آل هستند، اما داده‌های موقعیت را فراهم نمی‌کنند. انکودرهای افزایشیT پالس‌های دیجیتال برای اندازه‌گیری سرعت و موقعیت ارائه می‌دهند و برای سیستم‌های اتوماسیون پیچیده مناسب‌اند. با این حال، گران‌تر هستند و نیاز به پردازش اضافی برای استخراج سرعت دارند.

تاکوژنراتورها در مقابل حسگرهای مجاورتی

اندازه‌گیری‌های سرعت پیوسته و دقیق با خطیت عالی ارائه می‌دهند. از تشخیص مغناطیسی یا خازنی برای شمارش دندانه‌های چرخ دوار استفاده می‌کنند و اندازه‌گیری‌های سرعت ناهموار اما مقاوم برای تشخیص بیش‌سرعت یا کم‌سرعت ارائه می‌دهند.

منبع: ابرار صنعتی