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​ΔI = ?DTT2T

Un convertitore buck ideale trasforma 36 V in 9 V a 200 kHz con L = 22 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 36 VVo​ = 9 Vf = 200 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 36 V in 14,4 V a 200 kHz con L = 220 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.

Vin​ = 36 VVo​ = 14,4 Vf = 200 kHzL = 220 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 2900 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 5,5 kW di potenza meccanica a 2900 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 5,5 kWn = 2900 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 500 rpmT = 0,4 N·m

Un motore in corrente continua (k = 0,1 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) con un’alimentazione fissa da 24 V aziona un carico di 0,4 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 500 rpm.

V = 24 Vk = 0,1 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 0,4 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 V124 kW, 0,6525 kW, 1I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 24 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e una stufa elettrica da 5 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 230 VP1 = 24 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 5 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V50 Hzcarico23 kW, 0,8C330 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 23 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore da 330 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 23 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 75 Acos φ = 0,85in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 75 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,85 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,85
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,78 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 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 1,534 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 = 9/36 = 0,25

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.

VL = 36 − 9 = 27 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 27·0,25/(22·10⁻⁶·200·10³) = 1,534 A

Risposta

ΔIL = 1,534 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Io,min = 0,09818 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 = 14,4/36 = 0,4

Corrente di ondulazione

ΔIL = 14,4·0,6/(220·10⁻⁶·200·10³) = 0,1964 A

Corrente di carico al limite

Io,min = ΔIL/2 = 0,09818 A

Risposta

Io,min = 0,09818 A

Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.

3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 18,11 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.

Velocità in rad/s

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Risposta

T = 18,11 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 4,291 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.

Corrente e f.c.e.m.

Ia = 0,4/0,1 = 4 A
E = 0,1·52,36 = 5,236 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (24 − 5,236)/4 = 4,691 Ω
Rs = 4,291 Ω

Risposta

Rs = 4,291 Ω

Il resistore dissipa 68,66 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,7187

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 = 24·tan(arccos 0,65) = 28,06 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 24 + 5 = 29 kW
Q = 28,06 + 0 = 28,06 kvar
S = √(29² + 28,06²) = 40,35 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 29/40,35 = 0,7187 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,7187
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 106,7 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.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = 23·tan(arccos 0,8) = 17,25 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 17,25 − 5,972 = 11,28 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(23² + 11,28²) = 25,62 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 25616/240 = 106,7 A

Risposta

I = 106,7 A
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 53 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 = √3·480·75 = 62,35 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 62,35·0,85 = 53 kW

Risposta

P = 53 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1054 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 = 200·tan(acos 0,78) = 200·0,8023 = 160,5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 63,59 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21197/(377·230,9²) = 1054 µF

Risposta

Cph = 1054 µF

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