Force Contre-ElectroMotrice d'un alternateur (d'éolienne)

[barbouilleur]

Bonjour à tous

Qui pourrait nous parler de la Force Contre-Electromotrice dans un alternateur ?
C'est un phénomène dont on ne parle presque pas dans le domaine de l'éolien.
Et pourtant, quiconque a expérimenté les générateurs s'est rapidement aperçu de cette "force en retour" lors de la
connexion à une charge (batteries, ampoules, etc.) ; "force en retour" qui freine considérablement la rotation de l'aternateur
(& qui donne un mal fou à ma perceuse sur le banc d'essai !)

Les questions sont basiques mais ô combien déterminantes...
Approximativement, quelle proportion de la puissance mécanique (de la source de rotation : l'hélice) est "consommée" par cette FCEM ?

La FCEM est-elle moins importante si le stator est sans noyaux de fer (les alternateurs discoïdes type H.Piggott)
(je ne parle, ici, pas du "cogging", l'accrochage des aimants sur le fer stator)

Dans son manuel "Autoconstruire son éolienne", Hugh Piggott cite cet exemple concernant les pertes de puissance d'un aternateur de 200W ; 24V ; 8,3A ; 2,6ohms
Perte puiss. = résistance(2,6) x (courant(8,3) x courant(8,3)) =180W de perte stator
L'alternateur devra donc recevoir au moins 380W (200W + 180W) de force mécanique pour générer 200W.
(je passe volontairement outre les perte dues aux ponts de diodes, aux roulements, frottements divers, qui sont sans rapport au problème).

C'est là que je me heurte à mon ignorance.... : à ces 180W de perte stator, combien de plus seront perdus à cause de la résistance mécanique de la FCEM (& donc à fournir en plus des 380W) ?

A moins que.... ces 180W de perte stator et la FCEM soient une seule & même chose ?
Mais est-ce vraiment le cas alors que la perte stator semble etre purement électrique (perte par échauffement des bobines) et la FCEM plutôt eletromagnétique (perte de puissance mécanique par effet de frein) ?

Qui pourrait développer ?
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[invite1c20f11a]

Bonjour Barbouilleur,

Tu nous as tellement "barbouillé" l'affaire, que je n'y comprends rien du tout.

Dans un alternateur, par ex 24V de camion, il y a 3 phases, où tu trouves 2,6 ohms? C'est bien évident que s'il y a une si énorme résistance, l'appareil ne peut pas servir. Il se mettrait même à griller avec 180W dedans. Revois ta copie avec des valeurs plus vraisemblables. Et dis nettement ce que tu cherches, il n'y a pas de pb sur ces appareils à aimants.

Je suis mécano, ces petites bricoles d'éoliennes sur les bateaux, je connais., j'habite dans un port....
pont

[barbouilleur]

bonsoir pont2

merci pour ta réponse.
hé hé ! barbouiller...... c'est mon métier ; )

eh bien, en fait....... je n'ai fais que repporter ici les résultats des calculs de H.Piggott pour un de ses modèles d'éolienne à flux axial (sans noyau de fer) 200W 24V triphasé. Ces chiffres c'est lui qui les donne.

Il faut savoir que ses alternateurs sont conçu pour générer à basse vitesse de rotation (celui du présent exemple commence à 300tr/mn et atteint sa produc° nominale de 200W à 650tr/mn)
Piggott explique clairement que celà nécessite plus de cuivre ce qui éleve la résistance.

2,6 ohms est la resistance calculée (par lui) du stator entier, toutes phases additionnées.

Ce que je cherche : comprendre exactement ce qu'est la FCEM mais surtout arriver à la calculer ou au moins à estimer au plus juste ce qu'elle va contrer de la force mécanique des pales de l'éolienne.

N'y a t-il pas une constante à toutes génératrices, un pourcentage moyen de la puissance motrice des pales que la FCEM va contrer ?

Je me demande si je suis assez clair.... sur ce sujet obscure...
On ne nous parle généralement que de pertes dans le fer (s'il yen a) du stator et dans le cuivre, des frottements,
du poids des pales, du rotor, mais jamais directement de la FCEM...

N'est-elle pas quantifiable ?

[Tropique]

J'ai l'impression que tu t'es complètement fourvoyé, à cause notamment du nom: force contre-électromotrice.
Il est vrai que le choix des termes est malheureux, mais il est historique, et ne pose aucun problème aux électrotechniciens et électroniciens qui l'utilisent.
Par contre, pour quelqu'un de profane dans ces domaines, une force est une grandeur mécanique qui s'exprime en Newtons. La Fcém s'exprime en volts, et n'a absolument aucun rapport.
Dans la plupart des machines tournantes, y compris un alternateur "normal", la grandeur homologue du couple et donc de la force (Nm) est le courant. la tension est elle reliée à la vitesse de rotation.
Si tu commences à essayer de faire le contraire, tu vas t'empêtrer dans des raisonnements impossibles, comme maintenant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[polo974]

Allez, on reprend l'image de la pompe, du tuyau et du réservoir...

Disons une batterie de 24V <=> réservoir à 24m de haut.

Une génératrice (à aimants permanents) a une FEM proportionnelle (environ et en simplifiant) à sa vitesse. La FEM, c'est la tension à vide générée par le passage rapide des aimants devant les bobinages, plus ça va vite, plus il y a de volts, à l'arrêt, il y a 0V.
disons 10V pour 100tr/min. Comme c'est un alternateur, il y a des diodes de redressement.

En gros équivalent à une pompe qui élève de 10m pour 100tours/mn avec un clapet anti-retour.

Tant qu'on n'arrive pas au niveau du bassin (de la batterie), il n'y a pas de débit, I=0 puissance =0.

Dès qu'on dépasse le niveau du bassin, ce qui empêche d'avoir un débit monstre, c'est le diamètre du tuyau, soit la résistance du fil (il y a mieux, mais c'est plus cher).
Et comme il y a du débit, il y a de la puissance:
à l'arrivée 24V fois le courant, mais au départ, il y a la FEM de la génératrice fois le courant. La différence part en chaleur...

[invite1c20f11a]

Mille dieux!

Quelles salades!
La FCEM, c'est la tension de l'accu
La FEM, c'est la tension à vide de l'éolienne
Et RI² ce sont les PERTES JOULE
Ouh, ouh!

L'Américain, avec son bricolage à flux axial, ferait bien de comparer son générateur sur banc d'essai, avec un générateur ordinaire, il s'apercevrait que son truc ne vaut rien

. . Ce n'est pas vrai que les éoliennes ordinaires ne donnent rien si elles tournent doucement, aussi doucement que vous les fassiez tourner elles donnent une tension qui est proportionnelle à la vitesse, du genre E=kBv avec k coef de construction de la machine, B l'induction, v en mètres par seconde la vitesse de déplacement des aimants du rotor devant les conducteurs du stator, ou l'inverse si c'est un rotor bobiné.
.............................. ......
Dans une éolienne, qui ne tourne pas vite, avez-vous entendu ce ronflement continu dans le tube qui sert de support, c'est ce bruit qui gêne les voisins de grosses installations, il est dû aux engrenages du multiplicateur; il faut un multiplicateur pour adapter l'hélice au générateur. C'est comme ça, il n'y a pas à discuter les lois physiques, ce sont les ordres de la nature. Si vous voulez que ça marche.

Il n'y a pas d"histoire de FCEM dans une dynamo d'éolienne. Par contre, si on charge des accus, il est bien évident que si la vitesse v du rotor est insuffisante, et que E est inférieure à la tension de l'accu, l'éolienne tournera dans le vide sans débiter aucun courant. C'est pour ça qu'il faut un multiplicateur, le plus simple et très efficace et silencieux est formé d'une grosse roue et d'un pignon, les deux à denture hélicoïdale, comme il y a sur les meules d'établi, à manivelle, pour affûter les couteaux et les forets. Le rapport de vitesse est très grand, par ex 8, la perte de puissance est très faible, car on démontre que ce genre d'engrenage ne frotte pas!
Oui, la mécanique s'apprend. C'est malheureux que ce soit un mécano qui doive expliquer le fonctionnement d'une dynamo d'éolienne. L'Américain cité ne connaît rien du tout. N'importe quel moteur à aimants va comme dynamo d'éolienne, et très bonne qualité, par ex des moteurs de trottinette, de fauteuil d'handicapé, de machines à laver Philips, de broches de machine-outil, etc...Tout ça ça pulvérise en performance tout bricolo que vous puissiez faire. Les seuls qui font du bon moteur axial, ce sont les Français, mondialement réputés, et la facture....AXEM ! ! ! En Amérique, il y a des casses de machines automatisées, je voulais acheter aux enchères un moteur de broche de rechange, neuf emballé, il y avait de petites enchères 200 euros, etc... Pile sur la fin j'offre une somme énorme, et je ne l'ai pas eu, ce moteur vaut dans les 10.000 euros! J'aurais fait une belle éolienne avec. On peut mettre plusieurs moteurs de trottinette, mais des multiplicateurs à plusieurs sorties ne se trouvent pas, et là on risque bien de perdre de la puissance, dans un tel cas, il faut avoir plusieurs petites éoliennes.

. . Il faut avoir le moteur en premier, se méfier que certains moteurs un peu costauds refusent de tourner, ce n'est pas comme un moteur triphasé, les aimants "collent". Mais ce n'est pas grave.Seulement cela peut gêner le départ de l'éolienne par vent faible, il faudrait pouvoir débrayer, que l'hélice se lance, et embrayer séchement, une fois partie, elle continue. Une hélice à pas variable est recommandée.
pont

[barbouilleur]

merci à ts pour votre aide

Pont2, je suis d'accord avec toi dans les grandes lignes : Piggott dénigre pas mal les alt auto modifiés alors que tant d'autoconstructeurs sont très satifaits des rendements (bon, c un jugement affectif...) Il me parait évident qu'un bon multiplicateur n'est pas sorcier à mettre en oeuvre, qu'il est aussi la meilleure façon de tirer le maximum du potentiel d'une machine.
Je dois même dire qu'au vu de toute la main d'oeuvre et du coût élevé nécessaires à construire de A à Z un alternateur discoïde, comparé à l'adapta° aisée & économique d'un alt auto (ou encore d'1 moteur asynchrone ou autre générateur de récup) mon choix est vite fait.

Mais l'absence de "cogging" des alt discoïdes est très précieux pour les adapta° que je souhaite expérimenter à l'avenir, et vaut bien que j'y mette le prix & le temps.

Mais revenons au sujet.............
J'ai donc fais fausse route : FCEM n'est pas le nom du phénomène qui nous préoccupe, contrairement à ce que j'avais cru en comprendre. Mes excuses... je vous ai tous fais taper du texte pour pas grand chose...

(Petite précision : je vise une utilisation directe sur résistances chauffantes triphasées. Donc ni batteries ni pont de diodes.)

FAISONS TABLE RASE ET REPRENONS A ZERO : qu'importe le nom donné à ce "frein", ce "couple" qui se manifeste quand une charge est connectée.
L'effet est réel, et qu'importe son unité de mesure (watt, joule, newton...), il annule une (grande) part de la force mécanique fournie à l'alternateur et contrarie, ralenti la rotation des pales ; ce que fait également le "cogging" sur un stator ferreux. L'effet est identique.

D'où ces 2 questions, selon moi importantes :

1) _N'existe-t il pas une moyenne du genre :
"Le "frein" provoqué par la charge (ex : un convecteur), annule en moyenne (par ex) 40% de la force mécanique d'entrainement" ?

2) _Un stator à noyau ferreux accentue t-il ce "frein" ?
(inversement : un stator sans fer l'atténue t-il ?)

Mon raisonnement est-il totalement dépourvu de sens ?

[invite1c20f11a]

Bonjour,

Je ne comprends pas du tout tes mots pas français, comment veux-tu que je te donne une explication? "cogging" ??? Je n'ai jamais vu ça nulle part.

J'ai étudié suffisamment la question de l'éolienne, en ai vu des petites, des moyennes, 5kW, et des grosses, des grands machins de 50m d'envergure, je n'y croyais pas, j'ai mesuré, et d'ailleurs me suis fait engueuler par le gardien du site (14 grandes) qui ne voulait pas que je regarde trop en détail, alors que au contraire je fouillais partout pour voir les valeurs, je prenais des photos.

Il n'y a pas de "frein", même si un rotor reste bloqué, j'en ai un comme ça, on ne peut le tourner à la main, il faut un levier, mais une fois passée la position dure, brutalement il te pousse à la position suivante donc rend l'énergie qu'il a prise. Donc pas de freinage, pas de perte d'énergie. Si tu supprimes le fer, tu diminues beaucoup l'induction magnétique, comme si tes aimants ne valaient plus rien, et tu peux mettre tout le cuivre que tu veux, cela ne changera rien.

. .Il ne faut pas se tromper dans l'autre sens, pour de petites machines, de moins de 5kW, il faut un alternateur à aimants, au-dessus, un alternateur ordinaire sans aimants est bon. Un moteur asynchrone, mis en résonance par 3 condensateurs peut aller aussi, seulement ça va bien quand c'est couplé sur le secteur, car tu risques que ça ne s'amorce pas, et tu ne peux pas régler la tension comme tu veux, puisqu'il n'y a pas d'excitation. J'en ai vu un marcher sur une chute d'eau.

. .Je résume:
1) le "frein" dont tu parles n'existe pas.
2) L'energie de l'hélice apparaît à faible vitesse qu'il faut multiplier
3) Il faut un bon alternateur tournant à une vitesse de bon rendement
4) Comme le vent est variable, il faut une hélice à pas variable
5) Pour qu'une éolienne marche bien, il faut un pilote à µC
pont

[invite1c20f11a]

Petit complément pour Barbouilleur,

Ce qu'on appelle un "frein" en mécanique, c'est un organe qui dissipe l'énergie en pure perte, la résistance de 2,6 ohms de l'alternateur de l'auteur que tu as cité est un frein. Par contre, le fait de brancher un bon alternateur sur une charge va évidemment ralentir l'hélice, tu peux alors avoir l'impression d'un frein, mais il n'y en a pas au sens de la perte d'énergie.

. .Cela doit attirer ton attention sur la nécessité de bien adapter la vitesse de l'hélice au vent par le réglage de son pas, et la vitesse de l'alternateur, cela dans le plus grand nombre de cas possible. Même les constructeurs de grosses machines déclarent forfait dans les tempêtes et couchent la machine au sol, ou bloquent l'hélice ou la mettent en drapeau, ou l'orientent latéralement. Pour une machine moyenne, avec des pales de 2m ou 3m, en fibre de verre, il est très possible de continuer à fonctionner à pleine puissance en cas de tempête, si la régulation du pas permet de limiter la vitesse; les petites machines de moins de 1m sur les bateaux se paient les tempêtes, il n'y a pas de pas variable. Le constructeur à qui j'ai parlé, qui m'a montré son matériel m'a dit n'avoir jamais eu une éolienne détruite (6m de diamètre, pas variable, 5kW nominaux)

. .Pour qu'une éolienne marche bien, il faut qu'elle soit dans un courant d'air pas trop turbulent, donc sur une colline ou au sommet d'un pylône, qu'il faut calculer. Quand je l'ai vu, il y a deux ou 3 ans, il envisageait de passer à une puissance de 20kW, il avait trouvé un alternateur à aimants de cette puissance.
pont

[Zozo_MP]

Bonjour

Apropos du Cogging je note que mon fureteur préféré est for disert sur le sujet.

C'est ni plus ni moins le fait de sentir plus ou moins le décalage des aimants lorsque l'on tourne à la main les moteurs sans balais, sans brosse (brushless).

C'est la même sensation que l'orsque l'on tourner certains engrenages d'ou cog = roue dentée. Le mot serait apparement la contraction de cog ring. Les canadiens appellerait ça des frotte-aimants.

[HS on]
Ce phénomène est au contraire très intéressant dans le cas des freins à hystérésis qui m'intéresse bien en ce moment.
[HS /Off]

Cordialement

[barbouilleur]

Par contre, le fait de brancher un bon alternateur sur une charge va évidemment ralentir l'hélice, tu peux alors avoir l'impression d'un frein, mais il n'y en a pas au sens de la perte d'énergie.
pont

Tu mets le doigt dessus ; c'est exactement de ce ralentissement dû à la charge dont je parle. Perte d'énergie ou non, il bride la rotation des pales, et je tiens vraiment à connaître la part de force mécanique qu'il leur fait perdre...

Je ne suis amateur de termes empruntés à l'anglais, mais "cogging" revient tellement souvent sur le sites & forums pour nommer " l'accrochage du flux des aimants sur le fer du stator" que je pensais que tt le monde comprendrait.

Bref mes 2 questions (peu ordinaires, j'en conviens) restent posées....

[Tropique]

Tu mets le doigt dessus ; c'est exactement de ce ralentissement dû à la charge dont je parle. Perte d'énergie ou non, il bride la rotation des pales, et je tiens vraiment à connaître la part de force mécanique qu'il leur fait perdre...
....

Ca c'est très facile: avec un bon alternateur dont le rendement peut être approximé à 100%, cette perte est égale à la puissance électrique qu'on en extrait (un petit peu plus avec un alternateur réel).
Tu n'espérais pas tout de même pas que ton énergie électrique serait produite "gratuitement"?
Le courant que tu pompes sur les fils de sortie se traduit par un couple résistant sur l'arbre.... il n'y a pas de miracles, tout se paie, rien ne se perd, rien ne se crée.

[invite1c20f11a]

Bonjour Barbouilleur,

Je vais juste développer ce que dit Tropique, peut-être tu y verras ce qui te manque.

. .Pour répondre à ta question, à savoir "quelle perte de force de l'hélice est entraînée par le couplage de l'alternateur sur la charge".
Je te dis tout de suite que c'est une vision pas courante des choses, comment mesurer cela? Il faut faire une expérience, avec un gros ventilateur de serre, de 10 ch et devant, tu mets ton éolienne, qui comme Tropique a dit équipée d'un alternateur ou dynamo dont le rendement est proche de 1 c'est à dire 100%.

. .Et si c'est du mono qui en sort ou du continu c'est plus facile, tu fais une mesure de vitesse de vent devant l'éolienne, et côté sortie des fils de la dynamo, tu mets un rhéostat, un ampèremètre et un voltmètre, ou un Wattmètre si tu en as. Un compte-tours aussi si tu peux, c'est assez facile à trouver.

. .Et tu relèves des points pour différentes charges avec ton rhéostat que tu fais varier, depuis la résistance maxi à gauche, jusqu'au court-circuit à droite.

. .Ensuite tu relèves une courbe qui donne la puissance de l'éolienne, en fonction de la charge, pour ce vent-là. Sur le même graphique, porte le nombre de tours par minute de l'éolienne. Si c'est possible, fais ce genre d'essai avec deux valeurs de vitesse de vent, en changeant l'écartement du ventilateur. Le mieux est d'utiliser un ventilateur déjà installé en bout d'une serre chez un agriculteur, car c'est assez dangereux, les pales décrivent un cercle d'1,20m en général.

. .Avec tes courbes, tu pourras voir ce que tu crois être un effet de freinage donné à l'hélice par une charge croissante. C'est certain que quand elle ralentit, elle n'est plus à la même vitesse, et comme son rendement dépend de cette vitesse, tu vois dans quelle zone de vitesse sa puissance est meilleure.
Est-ce que ça te va?
pont

[richard 31]

bonjour,

je vise une utilisation directe sur résistances chauffantes triphasées

le mieux pour comprendre ce qui vous est expliqué:
je vais l'imager d'une autre façon(j'espère que cela sera représentatif):
ce que j'ai mis en quote est la finalité voulue,
la tension de l'éolienne étant fonction de sa vitesse
la consommation des éléments cités vas pomper l'énergie produite mais comment cela se passe en contrepartie sur l'éolienne??
ben,
c'est simple
elle subit une charge tout aussi importante qu'une voiture n'en demande pour la déplacer a son moteur
donc,
"l'helice" ne perd pas de la force,(elle est liée a la "force" du vent son carburant)
tout comme vous ne perdez pas de la force dans vos bras pour pousser,
sauf que si ce que vous poussez est supérieur a la force de vos bras (qui elle est toujours la même)
ben vous ne pousserez pas,
point final

quelle perte de force de l'hélice est entraînée par le couplage de l'alternateur sur la charge".

pourquoi dire perd de la force???

est ce plus clair via mon moyen???