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 24 V in 12 V su un carico da 8 Ω. Commuta a 250 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 250 kHzL = 220 µHR = 8 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Un convertitore buck trasforma 48 V in 24 V su un carico da 2 Ω a 100 kHz, con L = 100 µH e C = 220 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 48 VVo​ = 24 Vf = 100 kHzL = 100 µHC = 220 µF
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motore in corrente continua con k = 0,2 N·m/A e Ra = 0,5 Ω è collegato a 24 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 24 Vk = 0,2 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 0,8 ΩM+−En = ?T = 25 N·m

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 1 V·s/rad a campo pieno, Ra = 0,8 Ω, V = 240 V) aziona una coppia resistente costante di 25 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 80 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.

V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 25 N·mΦ = 80 %
n = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 1344 W14 A

Un carico induttivo assorbe 14 A e 1344 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 = 14 AP = 1344 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V50 Hzcarico14 kW, 0,7C150 µFI

Un carico monofase assorbe 14 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore da 150 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 14 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VNZ = 9 + j12 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 9 + j12 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 400 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VZ = 9 + j12 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 415 V (tensione concatenata) e 50 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 = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 1,555 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 = 12/24 = 0,5

Corrente media e di ondulazione

Io = 12/8 = 1,5 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(220·10⁻⁶·250·10³) = 0,1091 A

Corrente di picco

Imax = 1,5 + 0,1091/2 = 1,555 A

Risposta

Imax = 1,555 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 6,818 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 = 24/48 = 0,5

Corrente di ondulazione nell’induttore

ΔIL = (48 − 24)·0,5/(100·10⁻⁶·100·10³) = 1,2 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 1,2/(8·100·10³·220·10⁻⁶) = 6,818 mV

Risposta

ΔVo = 6,818 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 9,6 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.

Corrente di spunto

Ia = V/Ra = 24/0,5 = 48 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,2·48 = 9,6 N·m

Risposta

Tstall = 9,6 N·m
4.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.

Costante del motore indebolita

k₂ = 0,8·1 = 0,8 V·s/rad

Nuova corrente d’indotto

Ia = 25/0,8 = 31,25 A

Nuova velocità

ω = (240 − 31,25·0,8)/0,8 = 268,8 rad/s → n = 2566 rpm

Risposta

n = 2566 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: R = 6,857 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 = 1344/14² = 6,857 Ω

Risposta

R = 6,857 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,7709

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 = 14·tan(arccos 0,7) = 14,28 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 14,28 − 2,714 = 11,57 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(14² + 11,57²) = 18,16 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 14/18,16 = 0,7709

Risposta

cos φ = 0,7709
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 6,4 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corrente di fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 230,9/15 = 15,4 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·15,4²·9 = 6,4 kW

Risposta

P = 6,4 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 978,3 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 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 158,8 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 52931/(314,2·415²) = 978,3 µF

Risposta

Cph = 978,3 µF

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