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 36 V in 10,8 V su un carico da 2 Ω. Commuta a 25 kHz con L = 100 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 36 VVo​ = 10,8 Vf = 25 kHzL = 100 µHR = 2 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore boost ideale trasforma 12 V in 48 V su un carico da 25 Ω a 100 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 12 VVo​ = 48 Vf = 100 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)24 N·mn0​nFL​

Un motore in corrente continua (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) funziona a 240 V. A pieno carico assorbe 30 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.

V = 240 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,8 ΩIFL = 30 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 0,8 Ω100 AM+−E = 0n = 0T

Un motore in corrente continua da 220 V ha una resistenza d’indotto di 0,8 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 100 A.

V = 220 VRa = 0,8 ΩImax = 100 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 V130 kW, 0,8211 kW, 0,9I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 30 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo e un carico da 11 kW con fattore di potenza 0,9 induttivo. Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 230 VP1 = 30 kW, pf1 = 0,8 in ritardoP2 = 11 kW, pf2 = 0,9 in ritardo
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V50 Hzcarico7 kW, 0,75C68 µFI

Un carico monofase assorbe 7 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore da 68 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 7 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VZ = 20 + j15 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,75 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 6,912 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 = 10,8/36 = 0,3

Corrente media e di ondulazione

Io = 10,8/2 = 5,4 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 25,2·0,3/(100·10⁻⁶·25·10³) = 3,024 A

Corrente di picco

Imax = 5,4 + 3,024/2 = 6,912 A

Risposta

Imax = 6,912 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 − 12/48 = 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)²·25/(2100·10³) = 5,859 µH

Risposta

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

Risposta: SR = 11,11 %

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·0,8) = 2865 rpm
nFL = 60·(240 − 30·0,8)/(2π·0,8) = 2578 rpm

Regolazione di velocità

SR = (2865 − 2578)/2578·100 = 11,11 %

Risposta

SR = 11,11 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rst = 1,4 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 = 220/100 = 2,2 Ω

Resistenza di avviamento

Rst = 2,2 − 0,8 = 1,4 Ω

Risposta

Rst = 1,4 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: cos φ = 0,8274

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 = 30·tan(arccos 0,8) = 22,5 kvar
Q2 = 11·tan(arccos 0,9) = 5,328 kvar

Totali

P = 30 + 11 = 41 kW
Q = 22,5 + 5,328 = 27,83 kvar
S = √(41² + 27,83²) = 49,55 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 41/49,55 = 0,8274 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,8274
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8169

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 = 7·tan(arccos 0,75) = 6,173 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1230 var = 1,23 kvar
Q2 = 6,173 − 1,23 = 4,943 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(7² + 4,943²) = 8,569 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 7/8,569 = 0,8169

Risposta

cos φ = 0,8169
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 4,153 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 = VL = 208 V

Corrente di fase

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8,32 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·8,32²·20 = 4,153 kW

Risposta

P = 4,153 kW

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

8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 40,73 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 40,73 kvar

Risposta

QC = 40,73 kvar

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