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 buck ideale trasforma 48 V in 14,4 V a 500 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 48 VVo = 14,4 Vf = 500 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 48 V in 33,6 V a 200 kHz con L = 100 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.
Vin = 48 VVo = 33,6 Vf = 200 kHzL = 100 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua con k = 1,5 V·s/rad funziona a 120 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.
V = 120 Vk = 1,5 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua da 120 V ha una resistenza d’indotto di 1,2 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 15 A.
V = 120 VRa = 1,2 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un carico induttivo assorbe 7 A e 1008 W da un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.
V = 240 VI = 7 AP = 1008 W
X = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 100 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 25 + j20 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.
Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j20 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 37 kW. A questo carico il suo rendimento è del 92% e il suo fattore di potenza è 0,86 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.
Pout = 37 kWη = 92%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 480 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 = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,09164 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
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.
VL = 48 − 14,4 = 33,6 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 33,6·0,3/(220·10⁻⁶·500·10³) = 0,09164 A
Risposta
ΔIL = 0,09164 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Io,min = 0,252 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 = 33,6/48 = 0,7
Corrente di ondulazione
ΔIL = 33,6·0,3/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,504 A
Corrente di carico al limite
Io,min = ΔIL/2 = 0,252 A
Risposta
Io,min = 0,252 A
Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.
3.Motori in corrente continua
Risposta: n0 = 763,9 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.
Velocità a vuoto
ω₀ = V/k = 120/1,5 = 80 rad/s
n0 = 60·80/(2π) = 763,9 rpm
Risposta
n0 = 763,9 rpm
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rst = 6,8 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 = 120/15 = 8 Ω
Resistenza di avviamento
Rst = 8 − 1,2 = 6,8 Ω
Risposta
Rst = 6,8 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: X = 27,43 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 = 1008/7² = 20,57 Ω
Reattanza dall’impedenza
|Z| = V/I = 240/7 = 34,29 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(34,29² − 20,57²) = 27,43 Ω
Risposta
X = 27,43 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Pmax = 100 W
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.
Adattamento coniugato
La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.
ZL = Zs* = 25 − j20 Ω
Potenza massima
I = Vs/(2Rs) = 100/50 = 2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·25) = 100 W
Risposta
Pmax = 100 W
7.Sistemi trifase
Risposta: IL = 56,25 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 = 37/0,92 = 40,22 kW
Corrente di linea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 40217/(√3·480·0,86) = 56,25 A
Risposta
IL = 56,25 A
8.Sistemi trifase
Risposta: QC = 13,28 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.