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 12 V in 48 V a 100 kHz con L = 68 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = 48 Vf = 100 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore buck-boost invertente ideale trasforma 9 V in −27 V su un carico da 10 Ω a 50 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 9 VVo​ = −27 Vf = 50 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 1,5 kW di potenza meccanica a 1000 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 1,5 kWn = 1000 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VRa​ = 0,4 ΩM+−En = ?T = 15 N·m

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 0,5 V·s/rad a campo pieno, Ra = 0,4 Ω, V = 120 V) aziona una coppia resistente costante di 15 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 90 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.

V = 120 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 15 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 36 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 36 kW con un fattore di potenza di 0,9 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 36 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 30 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la capacità C necessaria.

P = 30 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 24 + j7 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 24 + j7 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 = 24 + j7 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 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 = 1 − 12/48 = 0,75

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

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

VL = 12 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,75/(68·10⁻⁶·100·10³) = 1,324 A

Risposta

ΔIL = 1,324 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Lcrit = 6,25 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 = 27/(9 + 27) = 0,75

Condizione al limite

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

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Induttanza critica

Lcrit = (1 − 0,75)²·10/(250·10³) = 6,25 µH

Risposta

Lcrit = 6,25 µH
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 14,32 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·1000/60 = 104,7 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 1500/104,7 = 14,32 N·m

Risposta

T = 14,32 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: n = 2264 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.

Costante del motore indebolita

k₂ = 0,9·0,5 = 0,45 V·s/rad

Nuova corrente d’indotto

Ia = 15/0,45 = 33,33 A

Nuova velocità

ω = (120 − 33,33·0,4)/0,45 = 237 rad/s → n = 2264 rpm

Risposta

n = 2264 rpm

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 = 166,7 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 36000/(240·0,9) = 166,7 A

Risposta

I = 166,7 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 237,3 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.

Potenza reattiva prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(41,41°) = 26,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,93 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 11928/(2π·50·400²) = 237,3 µF

Risposta

C = 237,3 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 19,84 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| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·24 = 19,84 kW

Risposta

P = 19,84 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,96, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 2221 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 134 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) = 44657/(377·230,9²) = 2221 µF

Risposta

Cph = 2221 µF

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