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 12 V in 3,6 V su un carico da 12 Ω. Commuta a 20 kHz con L = 330 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 12 VVo​ = 3,6 Vf = 20 kHzL = 330 µHR = 12 Ω
Imax = A
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
+−VRa​M+−En = 960 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 4 kW di potenza meccanica a 960 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 4 kWn = 960 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−48 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 1 N·m

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 0,5 V·s/rad a campo pieno, Ra = 1,5 Ω, V = 48 V) aziona una coppia resistente costante di 1 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 85 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.

V = 48 Vk = 0,5 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 1 N·mΦ = 85 %
n = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 6 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 6 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la corrente di linea I.

P = 6 kWpf = 0,7V = 400 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 45 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 0,98. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 91%cos φ = 0,84

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 90 kW. A questo carico il suo rendimento è del 91% e il suo fattore di potenza è 0,84 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 90 kWη = 91%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 415 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 = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 0,4909 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 = 3,6/12 = 0,3

Corrente media e di ondulazione

Io = 3,6/12 = 0,3 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 8,4·0,3/(330·10⁻⁶·20·10³) = 0,3818 A

Corrente di picco

Imax = 0,3 + 0,3818/2 = 0,4909 A

Risposta

Imax = 0,4909 A
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: T = 39,79 N·m

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 in rad/s

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Risposta

T = 39,79 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: n = 999,2 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.

Costante del motore indebolita

k₂ = 0,85·0,5 = 0,425 V·s/rad

Nuova corrente d’indotto

Ia = 1/0,425 = 2,353 A

Nuova velocità

ω = (48 − 2,353·1,5)/0,425 = 104,6 rad/s → n = 999,2 rpm

Risposta

n = 999,2 rpm

L’indebolimento di campo è il modo in cui un azionamento in corrente continua funziona oltre la velocità base.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 21,43 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 6000/(400·0,7) = 21,43 A

Risposta

I = 21,43 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 114,8 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 = 45·tan(36,87°) = 33,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,61 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0,98) = 114,8 A

Risposta

Inew = 114,8 A
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 98,52 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 90/0,91 = 98,9 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 98901/(√3·690·0,84) = 98,52 A

Risposta

IL = 98,52 A
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 915,2 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 59,42 kvar

Capacità per fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19807/(377·239,6²) = 915,2 µF

Risposta

Cph = 915,2 µF

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