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-boost invertente ideale trasforma 9 V in −6 V a 40 kHz con L = 68 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 9 VVo = −6 Vf = 40 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck-boost ideale trasforma 9 V in −27 V su un carico da 2 Ω a 40 kHz. Il condensatore di uscita è 100 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Vin = 9 VVo = −27 Vf = 40 kHzC = 100 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua con k = 1,5 N·m/A e Ra = 1,5 Ω è collegato a 110 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.
V = 110 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1,5 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 0,2 V·s/rad a campo pieno, Ra = 0,4 Ω, V = 24 V) aziona una coppia resistente costante di 0,8 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 80 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.
Un motore monofase assorbe 8 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.
P = 8 kWpf = 0,75V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 230 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 4 + j10 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Il carico per la massima potenza è realizzato con un resistore in serie a un condensatore. Trova la capacità C.
Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j10 Ω
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 150 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0,9
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,72 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 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 1,324 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 = 6/(9 + 6) = 0,4
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.
VL = 9 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,4/(68·10⁻⁶·40·10³) = 1,324 A
Risposta
ΔIL = 1,324 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 2531 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 = 27/(9 + 27) = 0,75
Corrente nel carico
Io = 27/2 = 13,5 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 13,5·0,75/(40·10³·100·10⁻⁶) = 2531 mV
Risposta
ΔVo = 2531 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: Tstall = 110 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 = 110/1,5 = 73,33 A
Coppia di spunto
Tstall = 1,5·73,33 = 110 N·m
Risposta
Tstall = 110 N·m
4.Motori in corrente continua
Risposta: n = 1313 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.
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: I = 46,38 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.
Corrente di linea
Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.
I = P/(V·cos φ) = 8000/(230·0,75) = 46,38 A
Risposta
I = 46,38 A
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: C = 265,3 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.
Adattamento coniugato
La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.
ZL = Zs* = 4 − j10 Ω
Capacità
XC = 10 Ω → C = 1/(2π·60·10) = 265,3 µF
Risposta
C = 265,3 µF
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 161,3 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 = √3·690·150 = 179,3 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 179,3·0,9 = 161,3 kW
Risposta
P = 161,3 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 222,9 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 40,34 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.