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 boost ideale trasforma 48 V in 120 V su un carico da 20 Ω. Trova la corrente media nell’induttore IL.
Vin = 48 VVo = 120 VR = 20 Ω
IL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 48 V in 24 V a 200 kHz con L = 330 µH. Trova la capacità di uscita C che limita a 20 mV l’ondulazione picco-picco in uscita.
Un motore in corrente continua eroga 1 kW di potenza meccanica a 960 rpm. Trova la coppia all’albero T.
P = 1 kWn = 960 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua da 240 V ha una resistenza d’indotto di 2 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 40 A.
V = 240 VRa = 2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 22 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo e un carico da 18 kW con fattore di potenza 0,95 induttivo. Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.
V = 240 VP1 = 22 kW, pf1 = 0,85 in ritardoP2 = 18 kW, pf2 = 0,95 in ritardo
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la nuova corrente di linea Inew.
P = 20 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 24 + j18 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 400 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 400 VZ = 24 + j18 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 120 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 400 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.
P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: IL = 15 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 − 48/120 = 0,6
Corrente nel carico
Io = 120/20 = 6 A
Corrente nell’induttore
IL = Io/(1 − D) = 6/0,4 = 15 A
Risposta
IL = 15 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: C = 5,682 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 = 24/48 = 0,5
Corrente di ondulazione nell’induttore
ΔIL = (48 − 24)·0,5/(330·10⁻⁶·200·10³) = 0,1818 A
Capacità
C = 0,1818/(8·200·10³·20·10⁻³) = 5,682 µF
Risposta
C = 5,682 µF
3.Motori in corrente continua
Risposta: T = 9,947 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·960/60 = 100,5 rad/s
Momento torcente
T = P/ω = 1000/100,5 = 9,947 N·m
Risposta
T = 9,947 N·m
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rst = 4 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.
Resistenza totale
Ra + Rst = 240/40 = 6 Ω
Resistenza di avviamento
Rst = 6 − 2 = 4 Ω
Risposta
Rst = 4 Ω
Il resistore viene escluso a gradini man mano che il motore accelera e la f.c.e.m. cresce.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: cos φ = 0,8984
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 = 22·tan(arccos 0,85) = 13,63 kvar
Q2 = 18·tan(arccos 0,95) = 5,916 kvar
Totali
P = 22 + 18 = 40 kW
Q = 13,63 + 5,916 = 19,55 kvar
S = √(40² + 19,55²) = 44,52 kVA
Fattore di potenza complessivo
cos φ = P/S = 40/44,52 = 0,8984 in ritardo
Risposta
cos φ = 0,8984
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Inew = 51,02 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 = P·tan φ1 = 20·tan(49,46°) = 23,38 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11,48°) = 4,061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 19,32 kvar
Nuova corrente di linea
Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(400·0,98) = 51,02 A
Risposta
Inew = 51,02 A
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 4,267 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 = 400/√3 = 230,9 V
Corrente di fase
|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 230,9/30 = 7,698 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·7,698²·24 = 4,267 kW
Risposta
P = 4,267 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: QC = 64,31 kvar
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.