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 9 V in 18 V a 100 kHz con L = 22 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 9 VVo​ = 18 Vf = 100 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore buck ideale trasforma 48 V in 12 V su un carico da 25 Ω a 40 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 48 VVo​ = 12 Vf = 40 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 1,5 kW di potenza meccanica a 1500 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 1,5 kWn = 1500 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−24 VRa​ = 3 ΩM+−EωT

Un piccolo motore in corrente continua ha una resistenza d’indotto di 3 Ω e funziona a 24 V. Trascurando le perdite rotazionali, trova la massima potenza meccanica Pmax che può sviluppare a qualsiasi velocità.

V = 24 VRa = 3 Ω
Pmax = W
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 V114 kW, 0,6229 kW, 0,9I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 14 kW con fattore di potenza 0,6 induttivo e un carico da 29 kW con fattore di potenza 0,9 capacitivo. Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 230 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,6 in ritardoP2 = 29 kW, pf2 = 0,9 capacitivo
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la capacità C necessaria.

P = 25 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VNZ = 20 + j15 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 20 + j15 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 480 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VZ = 20 + j15 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 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. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 2,045 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 − 9/18 = 0,5

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) = 9·0,5/(22·10⁻⁶·100·10³) = 2,045 A

Risposta

ΔIL = 2,045 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Lcrit = 234,4 µH

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 = 12/48 = 0,25

Condizione al limite

Poni la corrente media nell’induttore uguale a metà della corrente di ondulazione e ricava L.

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

Induttanza critica

Lcrit = (1 − 0,25)·25/(240·10³) = 234,4 µH

Risposta

Lcrit = 234,4 µH
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 9,549 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·1500/60 = 157,1 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 1500/157,1 = 9,549 N·m

Risposta

T = 9,549 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: Pmax = 48 W

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.

Potenza in funzione della f.c.e.m.

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

Potenza massima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·3) = 48 W

Risposta

Pmax = 48 W

In questo punto il rendimento è solo del 50 %, quindi i motori reali funzionano ben oltre metà velocità.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9943

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 = 14·tan(arccos 0,6) = 18,67 kvar
Q2 = −29·tan(arccos 0,9) = −14,05 kvar

Totali

P = 14 + 29 = 43 kW
Q = 18,67 + (−14,05) = 4,621 kvar
S = √(43² + 4,621²) = 43,25 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 43/43,25 = 0,9943 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,9943
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 851 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 = 25·tan(41,41°) = 22,05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(11,48°) = 5,076 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,97 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 16971/(2π·60·230²) = 851 µF

Risposta

C = 851 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 7,373 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 = 480/√3 = 277,1 V

Corrente di fase

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 277,1/25 = 11,09 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·11,09²·20 = 7,373 kW

Risposta

P = 7,373 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 462,3 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 69,15 kvar

Capacità per fase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23051/(314,2·398,4²) = 462,3 µF

Risposta

Cph = 462,3 µF

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