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​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 36 V in 27 V su un carico da 5 Ω. Commuta a 200 kHz con L = 22 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 36 VVo​ = 27 Vf = 200 kHzL = 22 µHR = 5 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VLSC = 100 µFR = 10 Ω+−48 V

Un convertitore boost ideale trasforma 24 V in 48 V su un carico da 10 Ω a 500 kHz. Il condensatore di uscita è 100 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = 48 Vf = 500 kHzC = 100 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 960 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 11 kW di potenza meccanica a 960 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 11 kWn = 960 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 1,2 ΩM+−En = ?T = 30 N·m

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 1,5 V·s/rad a campo pieno, Ra = 1,2 Ω, V = 240 V) aziona una coppia resistente costante di 30 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 90 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.

V = 240 Vk = 1,5 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 30 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 1 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 1 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 1 kWpf = 0,65V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V60 Hzcarico25 kW, 0,75C150 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore da 150 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 25 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
I = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M15 kW, η = 92%cos φ = 0,85

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 15 kW. A questo carico il suo rendimento è del 92% e il suo fattore di potenza è 0,85 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 15 kWη = 92%cos φ = 0,85VL = 480 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,75 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 0,95 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 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 6,167 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 = 27/36 = 0,75

Corrente media e di ondulazione

Io = 27/5 = 5,4 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,75/(22·10⁻⁶·200·10³) = 1,534 A

Corrente di picco

Imax = 5,4 + 1,534/2 = 6,167 A

Risposta

Imax = 6,167 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 48 mV

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 − 24/48 = 0,5

Corrente nel carico

Io = 48/10 = 4,8 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 4,8·0,5/(500·10³·100·10⁻⁶) = 48 mV

Risposta

ΔVo = 48 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 109,4 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 = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Risposta

T = 109,4 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: n = 1509 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 = 0,9·1,5 = 1,35 V·s/rad

Nuova corrente d’indotto

Ia = 30/1,35 = 22,22 A

Nuova velocità

ω = (240 − 22,22·1,2)/1,35 = 158 rad/s → n = 1509 rpm

Risposta

n = 1509 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 = 6,689 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) = 1000/(230·0,65) = 6,689 A

Risposta

I = 6,689 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 130,3 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 = 25·tan(arccos 0,75) = 22,05 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 22,05 − 3,257 = 18,79 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(25² + 18,79²) = 31,27 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 31274/240 = 130,3 A

Risposta

I = 130,3 A
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 23,07 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 15/0,92 = 16,3 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16304/(√3·480·0,85) = 23,07 A

Risposta

IL = 23,07 A
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 917,2 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 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 55,32 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) = 18441/(377·230,9²) = 917,2 µF

Risposta

Cph = 917,2 µF

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