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
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 48 V in 14,4 V su un carico da 2,5 Ω. Commuta a 200 kHz con L = 47 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 48 VVo​ = 14,4 Vf = 200 kHzL = 47 µHR = 2,5 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore boost ideale trasforma 36 V in 144 V su un carico da 10 Ω a 40 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 36 VVo​ = 144 Vf = 40 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)0,8 N·mn0​n = ?

Un motore in corrente continua (k = 0,08 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funziona a 24 V e aziona una coppia resistente di 0,8 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.

V = 24 Vk = 0,08 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 0,8 N·m
n = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 12 → 7,2 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 240 V (Ra = 1,2 Ω) gira a 900 rpm con una corrente d’indotto di 12 A. Il carico cambia e la corrente diventa 7,2 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 240 VRa = 1,2 Ωn1 = 900 rpmIa1 = 12 AIa2 = 7,2 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V115 kW, 0,8230 kW, 0,9I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 15 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo e un carico da 30 kW con fattore di potenza 0,9 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 15 kW, pf1 = 0,8 in ritardoP2 = 30 kW, pf2 = 0,9 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 25 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VNZ = 8 + j6 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 8 + j6 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 480 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VZ = 8 + j6 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 80 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 6,296 A

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 = 14,4/48 = 0,3

Corrente media e di ondulazione

Io = 14,4/2,5 = 5,76 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 33,6·0,3/(47·10⁻⁶·200·10³) = 1,072 A

Corrente di picco

Imax = 5,76 + 1,072/2 = 6,296 A

Risposta

Imax = 6,296 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Lcrit = 5,859 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 = 1 − 36/144 = 0,75

Condizione al limite

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

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

Induttanza critica

Lcrit = 0,75(1 − 0,75)²·10/(240·10³) = 5,859 µH

Risposta

Lcrit = 5,859 µH
3.Motori in corrente continua

Risposta: n = 2566 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.

Corrente d’indotto

Ia = T/k = 0,8/0,08 = 10 A

F.c.e.m. e velocità

E = 24 − 10·0,25 = 21,5 V
ω = E/k = 268,8 rad/s → n = 2566 rpm

Risposta

n = 2566 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 923 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.

F.c.e.m. prima e dopo

E1 = 240 − 12·1,2 = 225,6 V
E2 = 240 − 7,2·1,2 = 231,4 V

Nuova velocità

n2 = 900·231,4/225,6 = 923 rpm

Risposta

n2 = 923 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 216,1 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 = 15·tan(arccos 0,8) = 11,25 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,9) = 14,53 kvar

Totali

P = 15 + 30 = 45 kW
Q = 11,25 + 14,53 = 25,78 kvar
S = √(45² + 25,78²) = 51,86 kVA

Corrente totale

I = S/V = 51861/240 = 216,1 A

Risposta

I = 216,1 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 65,79 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 prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(36,87°) = 18,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,53 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(400·0,95) = 65,79 A

Risposta

Inew = 65,79 A
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 18,43 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.

Tensione di fase

Vph = 480/√3 = 277,1 V

Corrente di fase

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 277,1/10 = 27,71 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·27,71²·8 = 18,43 kW

Risposta

P = 18,43 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 42,87 kvar

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 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 42,87 kvar

Risposta

QC = 42,87 kvar

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