Autres formes d'onde
Aussi étrange que cela puisse paraître, tout une forme d'onde répétitive non sinusoïdale équivaut en fait à une série de formes d'onde sinusoïdales de différentes amplitudes et fréquences additionnées. Les ondes carrées sont un cas très courant et bien compris, mais pas le seul.
Dispositifs électroniques de contrôle de puissance tels que les transistors et les redresseurs au silicium (SCR ) produisent souvent des formes d'onde de tension et de courant qui sont essentiellement des versions découpées de l'onde sinusoïdale alternative "propre" (pure) à partir de l'alimentation.
Ces appareils ont la capacité de changer soudainement leur résistance avec l'application d'une tension ou d'un courant de signal de commande, « s'allumant » ou « s'éteignant » presque instantanément, produisant des formes d'onde de courant ayant peu de ressemblance avec la forme d'onde de tension source alimentant le circuit.
Ces formes d'onde de courant produisent ensuite des changements dans la forme d'onde de tension vers d'autres composants du circuit, en raison des chutes de tension créées par le courant non sinusoïdal à travers les impédances du circuit.
Composants non linéaires
Les composants de circuit qui déforment la forme sinusoïdale normale de la tension ou du courant alternatif sont appelés non linéaires . Les composants non linéaires tels que les SCR sont couramment utilisés dans l'électronique de puissance en raison de leur capacité à réguler de grandes quantités d'énergie électrique sans dissiper beaucoup de chaleur.
Bien qu'il s'agisse d'un avantage du point de vue de l'efficacité énergétique, les distorsions de forme d'onde qu'elles introduisent peuvent causer des problèmes.
Ces formes d'onde non sinusoïdales, quelle que soit leur forme réelle, sont équivalentes à une série de formes d'onde sinusoïdales de fréquences (harmoniques) plus élevées.
Si elles ne sont pas prises en compte par le concepteur du circuit, ces formes d'onde harmoniques créées par les composants de commutation électroniques peuvent provoquer un comportement erratique du circuit.
Il est de plus en plus courant dans l'industrie de l'énergie électrique d'observer une surchauffe des transformateurs et des moteurs en raison de distorsions dans la forme sinusoïdale de la tension de la ligne électrique CA résultant de charges de « commutation » telles que les ordinateurs et les lampes à haute efficacité.
Ce n'est pas un exercice théorique :c'est bien réel et potentiellement très gênant.
Dans cette section, je vais étudier quelques-unes des formes d'onde les plus courantes et montrer leurs composantes harmoniques au moyen d'une analyse de Fourier à l'aide de SPICE.
Une manière très courante de générer des harmoniques dans un système d'alimentation en courant alternatif est lorsque le courant alternatif est converti ou « rectifié » en courant continu. Cela se fait généralement avec des composants appelés diodes , qui ne permettent le passage du courant que dans un sens.
Rectification demi-onde
Le type le plus simple de redressement AC/DC est le demi-onde , où une seule diode empêche la moitié du courant alternatif (au fil du temps) de traverser la charge. (Figure ci-dessous)
Redresseur demi-onde
Formes d'onde du redresseur demi-onde. V (1) + 0,4 décale l'entrée d'onde sinusoïdale V (1) vers le haut pour plus de clarté. Cela ne fait pas partie de la simulation.
Tout d'abord, nous verrons comment SPICE analyse la forme d'onde source, une tension d'onde sinusoïdale pure :(Figure ci-dessous)
Analyse de Fourier de l'entrée sinusoïdale
Notez les composants harmoniques et CC extrêmement faibles de cette forme d'onde sinusoïdale dans le tableau ci-dessus, cependant, trop petits pour être affichés sur le tracé harmonique ci-dessus.
Idéalement, il n'y aurait rien d'autre que la fréquence fondamentale (étant une onde sinusoïdale parfaite), mais nos chiffres d'analyse de Fourier ne sont pas parfaits car SPICE n'a pas le luxe d'échantillonner une forme d'onde de durée infinie. Ensuite, nous allons comparer cela avec l'analyse de Fourier de la tension « rectifiée » demi-onde aux bornes de la résistance de charge :(Figure ci-dessous)
Sortie demi-onde de l'analyse de Fourier
Remarquez les harmoniques paires multiples relativement importantes dans cette analyse. En supprimant la moitié de notre onde CA, nous avons introduit l'équivalent de plusieurs formes d'onde sinusoïdales à haute fréquence (en fait, cosinusoïdales) dans notre circuit à partir de l'onde sinusoïdale pure d'origine.
Notez également la grande composante continue :4,456 volts. Étant donné que notre forme d'onde de tension alternative a été « rectifiée » (seulement autorisée à pousser dans une direction à travers la charge plutôt que dans les deux sens), elle se comporte beaucoup plus comme un courant continu.
Rectification pleine onde
Une autre méthode de conversion AC/DC est appelée pleine onde (Figure ci-dessous), qui, comme vous l'avez peut-être deviné, utilise le cycle complet du courant alternatif de la source, inversant la polarité de la moitié du cycle alternatif pour que les électrons traversent la charge dans la même direction tout le temps.
Je ne vais pas vous ennuyer avec des détails sur la façon dont cela est fait, mais nous pouvons examiner la forme d'onde (figure ci-dessous) et son analyse harmonique via SPICE :
Circuit redresseur double alternance
Formes d'onde pour redresseur double alternance
Analyse de Fourier de la sortie du redresseur double alternance
Quelle différence! Selon la transformée de Fourier de SPICE, nous avons une 2e composante harmonique de cette forme d'onde qui est plus de 85 fois l'amplitude de la fréquence source CA d'origine !
La composante continue de cette onde apparaît comme étant de 8,273 volts (presque le double de ce qui était pour le circuit redresseur demi-onde) tandis que la deuxième harmonique a une amplitude de près de 6 volts. Remarquez toutes les autres harmoniques plus loin dans la table.
Les harmoniques impaires sont en fait plus fortes à certaines des fréquences les plus élevées qu'elles ne le sont aux fréquences les plus basses, ce qui est intéressant.
Comme vous pouvez le voir, ce qui peut commencer comme une simple onde sinusoïdale CA peut se transformer en un désordre complexe d'harmoniques après avoir traversé quelques composants électroniques.
Bien que les mathématiques complexes derrière toute cette transformation de Fourier ne soient pas nécessaires pour l'étudiant débutant en circuits électriques, il est de la plus haute importance de réaliser les principes à l'œuvre et de saisir les effets pratiques que les signaux harmoniques peuvent avoir sur les circuits.
Les effets pratiques des fréquences harmoniques dans les circuits seront explorés dans la dernière section de ce chapitre, mais avant cela, nous examinerons de plus près les formes d'onde et leurs harmoniques respectives.
AVIS :
- Tout forme d'onde du tout, tant qu'elle est répétitive, peut être réduite à une série de formes d'onde sinusoïdales additionnées. Différentes formes d'onde consistent en différents mélanges d'harmoniques sinusoïdales.
- La rectification du courant alternatif vers le courant continu est une source très courante d'harmoniques dans les systèmes électriques industriels.
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