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 boost ideale trasforma 36 V in 72 V a 200 kHz con L = 33 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 36 VVo​ = 72 Vf = 200 kHzL = 33 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−9 VSL = 100 µHC = ?R+−3,6 V

Un convertitore buck trasforma 9 V in 3,6 V a 250 kHz con L = 100 µH. Trova la capacità di uscita C che limita a 5 mV l’ondulazione picco-picco in uscita.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 250 kHzL = 100 µHΔVo = 5 mV
C = µF
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 110 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 110 Vk = 0,3 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
T (N·m)n (rpm)0,8 N·m1500 rpm

Un motore in corrente continua con k = 0,4 V·s/rad e Ra = 2 Ω deve azionare un carico di 0,8 N·m a 1500 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.

k = 0,4 V·s/radRa = 2 ΩT = 0,8 N·mn = 1500 rpm
V = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 540 W7,5 A

Un carico induttivo assorbe 7,5 A e 540 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.

V = 120 VI = 7,5 AP = 540 W
X = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la capacità C necessaria.

P = 5 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 18 + j24 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 18 + j24 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 415 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VZ = 18 + j24 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 415 V (tensione concatenata) e 50 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 = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 2,727 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 = 1 − 36/72 = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.

VL = 36 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,5/(33·10⁻⁶·200·10³) = 2,727 A

Risposta

ΔIL = 2,727 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: C = 8,64 µF

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 = 3,6/9 = 0,4

Corrente di ondulazione nell’induttore

ΔIL = (9 − 3,6)·0,4/(100·10⁻⁶·250·10³) = 0,0864 A

Capacità

C = 0,0864/(8·250·10³·5·10⁻³) = 8,64 µF

Risposta

C = 8,64 µF
3.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 16,5 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 = 110/2 = 55 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,3·55 = 16,5 N·m

Risposta

Tstall = 16,5 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: V = 66,83 V

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.

E = 0,4·157,1 = 62,83 V

Corrente d’indotto

Ia = 0,8/0,4 = 2 A

Tensione d’indotto

V = 62,83 + 2·2 = 66,83 V

Risposta

V = 66,83 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: X = 12,8 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 = 540/7,5² = 9,6 Ω

Reattanza dall’impedenza

|Z| = V/I = 120/7,5 = 16 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(16² − 9,6²) = 12,8 Ω

Risposta

X = 12,8 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 193,5 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 = 5·tan(49,46°) = 5,846 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,202 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 4202/(2π·60·240²) = 193,5 µF

Risposta

C = 193,5 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 10,33 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 = 415 V

Corrente di fase

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 415/30 = 13,83 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·13,83²·18 = 10,33 kW

Risposta

P = 10,33 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 245,5 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 13,28 kvar

Capacità per fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 4428/(314,2·239,6²) = 245,5 µF

Risposta

Cph = 245,5 µF

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