Individua il convertitore (buck, boost o buck-boost) e il rapporto di lavoro D dal rapporto delle tensioni.
Usa il bilancio volt-secondo sull’induttore: la tensione media sull’induttore in un periodo è zero.
Trova la tensione sull’induttore mentre l’interruttore è chiuso, poi ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Disegna il circuito d’indotto: alimentazione V, resistenza Ra e f.c.e.m. E in serie.
Usa V = E + Ia·Ra per collegare tensione, corrente e f.c.e.m.
Usa E = k·ω per la velocità e T = k·Ia per la coppia, con ω = 2π·n/60.
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
Un convertitore boost ideale trasforma 15 V in 60 V a 200 kHz con L = 100 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 15 VVo = 60 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore boost ideale trasforma 48 V in 64 V su un carico da 20 Ω a 20 kHz. Il condensatore di uscita è 10 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Vin = 48 VVo = 64 Vf = 20 kHzC = 10 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 1 V·s/rad, Ra = 2 Ω) funziona a 240 V. A pieno carico assorbe 6 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.
V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 6 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua con k = 0,4 V·s/rad e Ra = 2 Ω deve azionare un carico di 0,8 N·m a 500 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.
k = 0,4 V·s/radRa = 2 ΩT = 0,8 N·mn = 500 rpm
V = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un carico induttivo assorbe 2 A e 192 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.
V = 120 VI = 2 AP = 192 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la nuova corrente di linea Inew.
P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 15 + j20 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 208 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 208 VZ = 15 + j20 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,5625 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 = 1 − 15/60 = 0,75
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.
VL = 15 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,75/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,5625 A
Risposta
ΔIL = 0,5625 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 4000 mV
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 − 48/64 = 0,25
Corrente nel carico
Io = 64/20 = 3,2 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 3,2·0,25/(20·10³·10·10⁻⁶) = 4000 mV
Risposta
ΔVo = 4000 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 5,263 %
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 e a pieno carico
n₀ = 60·240/(2π·1) = 2292 rpm
nFL = 60·(240 − 6·2)/(2π·1) = 2177 rpm
Regolazione di velocità
SR = (2292 − 2177)/2177·100 = 5,263 %
Risposta
SR = 5,263 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: V = 24,94 V
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.
E = 0,4·52,36 = 20,94 V
Corrente d’indotto
Ia = 0,8/0,4 = 2 A
Tensione d’indotto
V = 20,94 + 2·2 = 24,94 V
Risposta
V = 24,94 V
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: R = 48 Ω
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.
Resistenza dalla potenza attiva
R = P/I² = 192/2² = 48 Ω
Risposta
R = 48 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Inew = 21,26 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 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2,735 kvar
Nuova corrente di linea
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(240·0,98) = 21,26 A
Risposta
Inew = 21,26 A
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 1,038 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 = 208/√3 = 120,1 V
Corrente di fase
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·15 = 1,038 kW
Risposta
P = 1,038 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 234,1 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 126,1 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.