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L'instabilité de la vitesse de rotation des moteurs à courant continu est due à des facteurs complexes impliquant de multiples éléments tels que l'alimentation électrique, la machinerie, l'électromagnétisme et la commande. Les causes spécifiques et les solutions envisagées sont les suivantes :
I. Alimentation électrique anormale et système d'alimentation : « Défaillance de la source » d'énergie.
La vitesse de rotation d'un moteur à courant continu est directement liée à la tension d'induit (selon la formule n = (U - IaRa)/(CeΦ), où n est la vitesse de rotation, U la tension d'induit, Ia le courant d'induit, Ra la résistance d'induit, Ce la constante de force électromotrice et Φ le flux d'excitation). Les fluctuations de tension ou les anomalies de courant dans le réseau électrique sont la principale cause d'instabilité de la vitesse de rotation.
Les problèmes courants incluent : une fluctuation de la tension d’entrée supérieure à ±10 % due aux variations de charge du réseau électrique ; un diamètre de fil insuffisant du cordon d’alimentation, entraînant des pertes en ligne excessives en cas de courant élevé et, par conséquent, une chute de tension ; le vieillissement et la défaillance du condensateur de filtrage de l’alimentation, incapable de filtrer les ondulations du courant alternatif, ce qui provoque une tension pulsée à l’induit. Par exemple, si un petit moteur à courant continu utilise une alimentation à découpage de qualité inférieure, des variations importantes de la vitesse de rotation se produiront lorsque le coefficient d’ondulation dépassera 5 %.
Solutions : Privilégier le choix d’alimentations linéaires ou d’alimentations à découpage haute fréquence avec une précision de régulation de tension de ±0,5 % afin de garantir une tension d’induit stable ; sélectionner des fils conducteurs en cuivre de diamètre suffisant en fonction du courant nominal du moteur et limiter la chute de tension à moins de 0,5 V ; contrôler régulièrement la valeur de la capacité du condensateur de filtrage de l’alimentation, remplacer les composants vieillissants ou défectueux et, si nécessaire, ajouter un circuit de filtrage secondaire pour améliorer la pureté de l’alimentation.
II. Défauts de structure mécanique : « Obstacles physiques » dans la transmission de puissance
L'usure, le blocage ou un défaut d'assemblage des composants mécaniques entraînent une répartition inégale de la charge sur le moteur, provoquant ainsi des fluctuations de sa vitesse de rotation. Parmi les principaux problèmes, on peut citer : une lubrification insuffisante et l'usure des roulements, qui engendrent un couple de frottement fluctuant et, dans les cas les plus graves, un phénomène de « balayage de l'alésage » (friction entre l'induit et le stator) ; un montage excentré des composants de la transmission, tels que les accouplements et les poulies, générant des forces radiales périodiques ; et un blocage côté charge (par exemple, un blocage de soupape ou un mauvais engrènement), entraînant des variations brusques du couple de charge.
Prenons l'exemple d'un moteur d'entraînement de convoyeur : si l'écart de parallélisme de la poulie dépasse 0,1 mm/m, la tension de la courroie variera périodiquement, entraînant des fluctuations de la vitesse de rotation du moteur. Solutions : mettre en place un système de maintenance régulier, lubrifier les roulements toutes les 2 000 heures de fonctionnement et les remplacer dès que leur usure dépasse la norme ; utiliser un comparateur à cadran pour calibrer la coaxialité et le parallélisme des composants de la transmission et maintenir l'erreur à moins de 0,05 mm ; installer un capteur de couple côté charge pour surveiller en temps réel les variations de charge et éviter les surcharges.
III. Défauts du corps du moteur et du système électromagnétique : « Atténuation des performances » de l’entraînement du noyau
Les défauts du circuit électromagnétique interne ou des composants structurels du moteur affectent directement la stabilité de la vitesse de rotation, se manifestant principalement par : le vieillissement de l’isolation de l’enroulement d’induit entraîne un court-circuit entre spires, réduisant la résistance d’induit Ra, augmentant le courant Ia et provoquant une augmentation anormale de la vitesse de rotation ; un circuit ouvert ou un mauvais contact de l’enroulement d’excitation entraîne une diminution du flux d’excitation Φ et une forte augmentation de la vitesse de rotation (risque d’emballement) ; l’usure de la surface du collecteur ou un mauvais contact des balais de carbone provoquent un courant d’induit intermittent, entraînant une pulsation de la vitesse de rotation.
Pour remédier à ces problèmes, des méthodes de test professionnelles sont nécessaires pour localiser les défauts : utiliser un mégohmmètre pour détecter la résistance d’isolement de l’enroulement d’induit et le réimprégner de peinture pour traitement isolant lorsqu’elle est inférieure à 0,5 MΩ ; mesurer le courant marche/arrêt de l’enroulement d’excitation avec un multimètre et polir le bornier et le fixer lorsque le contact est mauvais ; polir régulièrement la surface du collecteur avec du papier de verre fin, ajuster la pression des balais de carbone (généralement 0,15-0,25 MPa) et s’assurer que la surface de contact dépasse 90 %.
IV. Défaillance du circuit de commande et du système de rétroaction : « rupture de la boucle fermée » de la régulation de la vitesse de rotation
Les moteurs à courant continu modernes utilisent majoritairement une régulation PID en boucle fermée. Des signaux de retour de vitesse de rotation anormaux ou des paramètres de régulation inadaptés peuvent entraîner une défaillance de la régulation. Parmi les problèmes courants, on peut citer : une installation incorrecte des capteurs de vitesse de rotation (tels que les codeurs et les tachymètres) provoquant une perte d'impulsions des signaux de retour ; un paramétrage PID inapproprié, un gain proportionnel excessif étant sujet aux oscillations et un temps d'intégration trop long entraînant un temps de réponse trop long ; et la détérioration de composants tels que les relais et les thyristors du circuit de commande, provoquant une défaillance de la régulation de la tension d'induit.
Solutions : Fixer le capteur de vitesse de rotation à l’aide d’un dispositif anti-desserrage ; s’assurer que la ligne de transmission du signal est bien blindée afin d’éviter les interférences électromagnétiques ; réajuster les paramètres PID par la méthode de la courbe d’atténuation afin d’adapter la vitesse de réponse du système à sa stabilité ; effectuer régulièrement des tests de fonctionnement sur le circuit de commande, remplacer les composants défectueux et, si nécessaire, ajouter des modules de commande redondants pour améliorer la fiabilité.
En résumé, la résolution du problème de l'instabilité de la vitesse de rotation des moteurs à courant continu nécessite de suivre le principe de « recherche de la source et de traitement hiérarchique », de détecter de manière exhaustive les quatre dimensions que sont l'alimentation électrique, la mécanique, l'électromagnétisme et le contrôle, de formuler des solutions ciblées en fonction des conditions de fonctionnement du moteur et d'établir un mécanisme de maintenance régulière afin de garantir fondamentalement la stabilité de la vitesse de rotation et d'améliorer la qualité de fonctionnement de l'équipement.
