Le site des Moulins de France
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L’évaluation de la puissance développée par les ailes d’un moulin à vent n’est pas un problème simple en raison de la complexité des phénomènes aérodynamiques accompagnant leur rotation. Bien que les moulins à vent aient commencé à se développer en occident à partir du XIIème siècle, il a fallu attendre le XVIIIème siècle pour que les physiciens commencent à établir les premières bases théoriques permettant d’aborder cette évaluation. Heureusement les bâtisseurs de moulins et les meuniers n’avaient pas attendu ces premiers résultats pour perfectionner leur machines et les amener, déjà au XVIIIème siècle et en utilisant les moyens technologiques disponibles à cette époque, à un degré de perfectionnement permettant d’obtenir le maximum de puissance. Au XXème siècle, plusieurs évaluations ont été proposées mais elles ne conduisent pas toujours au même résultat. De nos jours, et avec le regain d’intérêt que suscitent ces merveilleuses machines du point de vue patrimonial, le problème de l’évaluation de la puissance est encore d’actualité : la question est souvent posée mais la réponse reste difficile à obtenir théoriquement car les ailes à toiles constituent une structure relativement complexe, difficile à modéliser sur le plan aérodynamique. Ce sujet, relatif à la puissance des moulins à vent, a d’ailleurs été abordé récemment par plusieurs auteurs dans les revues spécialisées(1).
Une voie intéressante pour amener des éléments de réponse peut consister à utiliser le moteur électrique auxiliaire dont sont désormais équipés plusieurs moulins à vent. C’est une des voies que nous avons choisie en procédant à une série de mesures de la puissance absorbée par le moteur auxiliaire du moulin de St Lys (Haute-Garonne) dont l’installation a été déjà décrite(2).
Nous rappellerons simplement ici que le dispositif utilisé à St Lys se compose, comme indiqué sur la figure 1, d’un motoréducteur à couple conique Bonfiglioli de 7,5 kW, entraînant le petit fer et alimenté au moyen d’un variateur de vitesse électronique à conversion de fréquence Lenze, matériels distribués par la Compagnie Industrielle du Roulement (CIR).

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figure 1 – Principe de l’entraînement par moteur auxiliaire du moulin de Saint Lys

Principe de la mesure de puissance

Comme indiqué sur la figure 1, la puissance électrique a été mesurée à la sortie du variateur électronique c’est à dire au plus près du motoréducteur. A priori on pourrait penser que cette mesure de puissance est simple à réaliser mais elle présente en réalité quelques difficultés. En effet, tout d’abord, les tensions et les courants triphasés à la sortie du variateur ne sont pas sinusoïdaux et contiennent de par le principe même du variateur électronique des composantes dont la gamme de fréquence peut aller de quelques dizaines de Hertz à plusieurs dizaines de kiloHertz. De plus et comme nous allons le voir dans ce qui suit, le moulin constitue pour le motoréducteur une charge complexe dont le couple résistant n’est pas constant et qui peut présenter de fortes irrégularités et des oscillations à des fréquences très basses, c e r t a i n e s pouvant être inférieures à un Hertz. Il est  donc indispensable de disposer, pour effectuer ces mesures de puissance, d’un wattmètre capable de traiter des signaux électriques triphasés sur une large bande de fréquence et permettant en outre d’enregistrer la puissance sur une certaine durée. Nous disposons au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT (INP de Toulouse, CNRS) d’appareils permettant de pratiquer ce type de mesure. La photographie de la figure 2 montre l’installation de mesure dans le moulin à proximité du motoréducteur comprenant un analyseur de puissance, un oscilloscope numérique et un tachymètre.

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figure 2 – Appareillage de mesure à proximité du motoréducteur

Résultats des mesures

Une première séance de mesures, effectuée en décembre 2003, a permis de tester cet appareillage et d’obtenir les premiers enregistrements de la puissance absorbée par le motoréducteur pour différentes configurations : meules levées ou au travail, sans entraîner ou en entraînant les ailes. La figure 3 montre, par exemple, un enregistrement de la puissance absorbée par le motoréducteur, correspondant au fonctionnement sans ailes et avec la séquence suivante : enclenchement du motoréducteur meules levées, introduction du blé, serrage des meules.

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figure 3 – Puissance absorbée par le motoréducteur lors d’une séquence de démarrage

La durée de l’enregistrement est de 50 secondes, temps suffisant pour que la vitesse de rotation de la meule, imposée par le variateur électronique, atteigne le régime permanent de 44 tours par minute (tr/mn). La baisse de puissance observée pendant le démarrage correspond à l’introduction du blé qui précède le serrage des meules : la présence des grains entre les meules avant leur serrage facilite la rotation de la tournante.
Cet enregistrement montre bien la complexité de l’évolution dans le temps de la puissance : elle dépend naturellement des conditions de fonctionnement (serrage des meules, alimentation en grains…) mais également des irrégularités du couple résistant du moulin. Ces irrégularités, qui se traduisent par les oscillations de puissance observées sur la figure 3, apparaissent après le serrage des meules et se produisent à la fréquence de rotation. Elles sont vraisemblablement
dues à l’équilibrage imparfait de la meule tournante.
Pour obtenir des mesures de puissance correctes il est donc, tout d’abord, indispensable de s’assurer que le régime permanent est bien atteint, pas seulement pour la vitesse de rotation mais aussi pour l’alimentation en grain. Ensuite il n’est pas possible de se contenter d’une mesure ponctuelle de puissance, mais il faut au contraire enregistrer la puissance pendant un temps suffisant (de l’ordre de la minute) et prendre ensuite la moyenne des résultats obtenus.
En prenant ces précautions, nous avons procédé à une nouvelle séance de mesures de la puissance pour un fonctionnement sans les ailes mais avec les meules en plein travail. Les mesures ont été faites pour plusieurs vitesses de rotation de la meule, ce qui s’obtient en modifiant la fréquence du variateur électronique. Le même réglage de l’auget ainsi que le même serrage des meules ont été conservés pour toutes les vitesses et plusieurs essais ont été réalisés pour chaque point de fonctionnement afin de vérifier la dispersion des mesures. Les résultats correspondant à cette séance de mesures de la puissance absorbée par le motoréducteur sont donnés sur la figure 4.

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figure 4 – Puissance absorbée par le motoréducteur en fonction de la vitesse de rotation de la meule

La dispersion entre les différentes mesures de puissance pour la même vitesse est relativement faible, ce qui constitue une bonne validation de la procédure d’essai. De plus, la loi d’augmentation de la puissance en fonction de la vitesse, sensiblement
suivant un polynôme du deuxième degré, semble cohérente.

Interprétation des mesures

On peut tout d’abord remarquer que le système d’entraînement auxiliaire mis en place, d’une puissance de 7,5 kW (environ 10 cv) s’est avéré bien dimensionné pour faire fonctionner de manière satisfaisante le moulin dans son état actuel et avec les réglages retenus pour les essais.
Afin d’obtenir, à partir des résultats de mesure, la puissance effectivement absorbée par la rotation de la meule il faut tenir compte du rendement du motoréducteur. En première approximation, ce rendement peut être estimé à 80 %, pour les vitesses entre 20 et 60 tr/mn, ce qui conduit à une puissance absorbée par la rotation de la meule de l’ordre de 4,3 kW à 44 tr/mn, vitesse qui nous a paru correspondre au meilleur comportement du moulin compte tenu des réglages de l’alimentation en grain et de l’écartement des meules qui avaient été adoptés pour produire une mouture de qualité satisfaisante.
A cette vitesse, des essais complémentaires ont pu être faits en couplant les ailes sans toiles et en l’absence de vent de manière à estimer l’importance des frottements au niveau de l’arbre moteur et de l’engrenage rouet-lanterne. Ces essais ont mis en évidence des oscillations importantes sur la puissance qui résultent de l’existence de points durs dans la rotation de l’arbre. Malgré cette anomalie nous avons pu obtenir une idée de la puissance absorbée par les frottements de la transmission
entre les ailes et la meule : elle est de l’ordre de 1 kW.
D’après ces résultats, on peut donc estimer à 5,3 kW la puissance que devraient fournir les ailes pour faire fonctionner le moulin au vent et à 44 tr/mn, avec les mêmes réglages que lors des essais avec l’entraînement électrique. Ce résultat concernant la puissance nécessaire au fonctionnement du moulin est naturellement sujet à discussion, compte tenu des imprécisions qui ont entouré les essais et surtout de la très grande sensibilité que présente la puissance vis à vis de l’état du moulin et de ses différents réglages au moment des essais.
Nous avons, bien évidemment, essayé de confronter ce résultat des mesures à la valeur de la puissance que sont susceptibles de développer les ailes, puissance que l’on peut obtenir, à partir des caractéristiques des ailes et de la transmission, au moyen de différentes règles empiriques ou de calculs un peu plus évolués proposés dans la littérature ancienne ou plus récente. Comme nous l’avons déjà signalé, ce calcul n’est pas évident et les résultats obtenus par les différentes méthodes divergent de manière impressionnante…
Cependant, dans l’état actuel de nos connaissances et en reprenant, à notre manière, les évaluations qui apparaissent comme les plus crédibles et rationnelles, nous pouvons dire que le point de fonctionnement à 44 tr/mn et avec les réglages adoptés pour les essais, ne semble pouvoir être atteint, compte tenu des caractéristiques que présente aujourd’hui le moulin, qu’avec un vent relativement fort, avoisinant 50 km/h.
La campagne de mesure de puissance que nous avons menée au moulin de St Lys a permis de bien mettre en évidence les problèmes posés par ce type d’expérimentation ainsi que l’intérêt que peuvent présenter de tels essais pour diagnostiquer le fonctionnement du moulin. Elle devrait se prolonger par de nouveaux essais, d’autres calculs théoriques et aussi, nous l’espérons, grâce aux avis et remarques des lecteurs intéressés, afin de compléter ou critiquer ces premiers résultats.
Nous tenons à remercier Michel SICARD qui à bien voulu mettre à notre disposition le moulin de St Lys et en assurer les manoeuvres au cours des essais.

Michel LAJOIE-MAZENC et Bernard TRANNOY – Article paru dans le Monde des Moulins – N°10 – octobre 2004

Catégories : Technique

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