Elettronica di potenza e azionamenti: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Convertitori DC-DC

Buck
Vo = D·Vin
Boost
Vo = Vin/(1 − D)
Buck-boost invertente
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Bilancio di potenza ideale
VinIin = VoIo
Ondulazione nell’induttore
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Corrente media nell’induttore
buck Io; boost e buck-boost Io/(1 − D)
Ondulazione in uscita
buck ΔIL/(8fC); boost e buck-boost Io·D/(fC)
Limite CCM
buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Metodo

  1. Individua il convertitore (buck, boost o buck-boost) e il rapporto di lavoro D dal rapporto delle tensioni.
  2. Usa il bilancio volt-secondo sull’induttore: la tensione media sull’induttore in un periodo è zero.
  3. Trova la tensione sull’induttore mentre l’interruttore è chiuso, poi ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Per l’ondulazione in uscita, trova la carica che entra ed esce dal condensatore; per il limite CCM, poni la corrente media nell’induttore uguale a ΔIL/2.

Motori in corrente continua

Circuito d’indotto
V = E + IaRa
F.c.e.m. e coppia
E = k·ω, T = k·Ia
Velocità
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocità a vuoto e coppia di spunto
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potenze
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Avviamento
Istart = V/(Ra + Rst)
Regolazione di velocità
SR = (n0 − nFL)/nFL
Massima potenza sviluppata
Pmax = V²/(4Ra)
Azionamento con chopper
Va = D·Vdc

Metodo

  1. Disegna il circuito d’indotto: alimentazione V, resistenza Ra e f.c.e.m. E in serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra per collegare tensione, corrente e f.c.e.m.
  3. Usa E = k·ω per la velocità e T = k·Ia per la coppia, con ω = 2π·n/60.
  4. Per potenza e rendimento, parti da V·Ia, sottrai la perdita nel rame Ia²·Ra e poi le perdite rotazionali.

Potenza AC e fattore di potenza

Potenza attiva
P = V·I·cos φ
Potenza reattiva
Q = V·I·sin φ
Potenza apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fattore di potenza
pf = cos φ = P/S
Condensatore di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Sistemi trifase

Collegamento a stella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Collegamento a triangolo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potenza attiva totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potenza apparente e reattiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensatori di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensione su ciascun condensatore
Δ: VL Y: VL/√3
Potenza assorbita dal motore
Pin = Pout/η

2Esercizi

1.Convertitori DC-DCMedia
+−15 VSL = ?CR+−9 V

Un convertitore buck ideale trasforma 15 V in 9 V a una frequenza di commutazione di 100 kHz. Trova l’induttanza L che mantiene a 0,5 A la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore.

Vin​ = 15 VVo​ = 9 Vf = 100 kHzΔIL = 0,5 A
L = µH
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore buck-boost invertente ideale trasforma 15 V in −10 V su un carico da 12 Ω a 40 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 15 VVo​ = −10 Vf = 40 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Un motore in corrente continua con k = 0,3 V·s/rad funziona a 110 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.

V = 110 Vk = 0,3 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 1,5 Ω30 AM+−E = 0n = 0T

Un motore in corrente continua da 120 V ha una resistenza d’indotto di 1,5 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 30 A.

V = 120 VRa = 1,5 ΩImax = 30 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V111 kW, 0,6218 kW, 0,8I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 11 kW con fattore di potenza 0,6 induttivo e un carico da 18 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 11 kW, pf1 = 0,6 in ritardoP2 = 18 kW, pf2 = 0,8 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 10 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 10 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,8in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 20 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,8 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,8
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: L = 72 µH

Convertitori DC-DC: un interruttore S si chiude per la frazione D di ogni periodo T = 1/f. A regime la tensione media sull’induttore è zero (bilancio volt-secondo), il che dà i rapporti di conversione ideali in conduzione continua: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost invertente |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertitore ideale conserva la potenza: Vin·Iin = Vo·Io. Mentre S è chiuso la corrente nell’induttore sale di ΔIL = VL·D·T/L, con VL = Vin − Vo per il buck e Vin per il boost e il buck-boost. L’ondulazione in uscita è ΔVo = ΔIL/(8fC) per il buck e Io·D/(fC) per il boost e il buck-boost. La corrente nell’induttore tocca appena lo zero (il confine della conduzione continua, CCM) quando la corrente media nell’induttore è uguale a ΔIL/2.

Rapporto di lavoro

D = 9/15 = 0,6

Induttanza

L = 6·0,6/(0,5·100·10³) = 72 µH

Risposta

L = 72 µH
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Lcrit = 54 µH

Convertitori DC-DC: un interruttore S si chiude per la frazione D di ogni periodo T = 1/f. A regime la tensione media sull’induttore è zero (bilancio volt-secondo), il che dà i rapporti di conversione ideali in conduzione continua: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost invertente |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertitore ideale conserva la potenza: Vin·Iin = Vo·Io. Mentre S è chiuso la corrente nell’induttore sale di ΔIL = VL·D·T/L, con VL = Vin − Vo per il buck e Vin per il boost e il buck-boost. L’ondulazione in uscita è ΔVo = ΔIL/(8fC) per il buck e Io·D/(fC) per il boost e il buck-boost. La corrente nell’induttore tocca appena lo zero (il confine della conduzione continua, CCM) quando la corrente media nell’induttore è uguale a ΔIL/2.

Rapporto di lavoro

D = 10/(15 + 10) = 0,4

Condizione al limite

Poni la corrente media nell’induttore uguale a metà della corrente di ondulazione e ricava L.

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Induttanza critica

Lcrit = (1 − 0,4)²·12/(240·10³) = 54 µH

Risposta

Lcrit = 54 µH
3.Motori in corrente continua

Risposta: n0 = 3501 rpm

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza Ra in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + Ia·Ra. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·Ia, con la stessa costante del motore k (V·s/rad = N·m/A) nel SI. Converti le velocità con ω = 2π·n/60. La potenza sviluppata è E·Ia = T·ω; la potenza assorbita è V·Ia, e la differenza è data dalle perdite nel rame Ia²Ra e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − Ra·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/Ra. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/Ra è elevata se una resistenza non la limita.

Velocità a vuoto

ω₀ = V/k = 110/0,3 = 366,7 rad/s
n0 = 60·366,7/(2π) = 3501 rpm

Risposta

n0 = 3501 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rst = 2,5 Ω

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza Ra in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + Ia·Ra. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·Ia, con la stessa costante del motore k (V·s/rad = N·m/A) nel SI. Converti le velocità con ω = 2π·n/60. La potenza sviluppata è E·Ia = T·ω; la potenza assorbita è V·Ia, e la differenza è data dalle perdite nel rame Ia²Ra e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − Ra·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/Ra. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/Ra è elevata se una resistenza non la limita.

Resistenza totale

Ra + Rst = 120/30 = 4 Ω

Resistenza di avviamento

Rst = 4 − 1,5 = 2,5 Ω

Risposta

Rst = 2,5 Ω

Il resistore viene escluso a gradini man mano che il motore accelera e la f.c.e.m. cresce.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 168,4 A

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Potenza reattiva di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 11·tan(arccos 0,6) = 14,67 kvar
Q2 = 18·tan(arccos 0,8) = 13,5 kvar

Totali

P = 11 + 18 = 29 kW
Q = 14,67 + 13,5 = 28,17 kvar
S = √(29² + 28,17²) = 40,43 kVA

Corrente totale

I = S/V = 40427/240 = 168,4 A

Risposta

I = 168,4 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 6,848 kvar

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(49,46°) = 11,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25,84°) = 4,843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,848 kvar

Risposta

QC = 6,848 kvar
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 11,09 kW

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·400·20 = 13,86 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 13,86·0,8 = 11,09 kW

Risposta

P = 11,09 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1710 µF

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Rifasamento: i condensatori forniscono localmente potenza reattiva, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Ciascuno dei tre condensatori fornisce QC/3 = V²·ω·C, dove V è la tensione ai capi di quel condensatore: VL in una batteria a triangolo, VL/√3 in una batteria a stella.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva non cambia, quindi ogni fattore di potenza determina la potenza reattiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 148,6 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 49517/(377·277,1²) = 1710 µF

Risposta

Cph = 1710 µF

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