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 25,2 V su un carico da 4 Ω. Commuta a 100 kHz con L = 33 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 36 VVo​ = 25,2 Vf = 100 kHzL = 33 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−15 VLSC = 47 µFR = 50 Ω+−50 V

Un convertitore boost ideale trasforma 15 V in 50 V su un carico da 50 Ω a 500 kHz. Il condensatore di uscita è 47 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 15 VVo​ = 50 Vf = 500 kHzC = 47 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motore in corrente continua con k = 0,3 N·m/A e Ra = 2 Ω è collegato a 120 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 120 Vk = 0,3 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 30 → 45 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 120 V (Ra = 0,2 Ω) gira a 1200 rpm con una corrente d’indotto di 30 A. Il carico cambia e la corrente diventa 45 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 120 VRa = 0,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 30 AIa2 = 45 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VZ8 + j6 ΩI

Un carico con impedenza Z = 8 + j6 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Trova la potenza attiva P che assorbe.

V = 230 VZ = 8 + j6 Ω
P = W
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 15 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la capacità C necessaria.

P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 15 Acos φ = 0,88in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 15 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,88 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 208 VIL = 15 Acos φ = 0,88
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 400 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 7,445 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 = 25,2/36 = 0,7

Corrente media e di ondulazione

Io = 25,2/4 = 6,3 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 10,8·0,7/(33·10⁻⁶·100·10³) = 2,291 A

Corrente di picco

Imax = 6,3 + 2,291/2 = 7,445 A

Risposta

Imax = 7,445 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 29,79 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 − 15/50 = 0,7

Corrente nel carico

Io = 50/50 = 1 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 1·0,7/(500·10³·47·10⁻⁶) = 29,79 mV

Risposta

ΔVo = 29,79 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 18 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 = 120/2 = 60 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,3·60 = 18 N·m

Risposta

Tstall = 18 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 1168 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.

F.c.e.m. prima e dopo

E1 = 120 − 30·0,2 = 114 V
E2 = 120 − 45·0,2 = 111 V

Nuova velocità

n2 = 1200·111/114 = 1168 rpm

Risposta

n2 = 1168 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: P = 4232 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.

Corrente

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 230/10 = 23 A

Potenza attiva

P = I²·R = 23²·8 = 4232 W

Risposta

P = 4232 W
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 515,1 µF

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 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,27 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 10272/(2π·60·230²) = 515,1 µF

Risposta

C = 515,1 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 4,756 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.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·208·15 = 5,404 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 5,404·0,88 = 4,756 kW

Risposta

P = 4,756 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 84,04 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 84,04 kvar

Risposta

QC = 84,04 kvar

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