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 buck ideale trasforma 12 V in 9 V a 50 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 12 VVo = 9 Vf = 50 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 48 V in 14,4 V a 200 kHz con L = 150 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.
Vin = 48 VVo = 14,4 Vf = 200 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua con k = 0,5 N·m/A e Ra = 0,25 Ω è collegato a 48 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.
V = 48 Vk = 0,5 N·m/ARa = 0,25 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua con k = 0,15 V·s/rad e Ra = 0,8 Ω deve azionare un carico di 0,3 N·m a 500 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.
k = 0,15 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 0,3 N·mn = 500 rpm
V = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 11 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo e una stufa elettrica da 20 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.
V = 230 VP1 = 11 kW, pf1 = 0,8 in ritardoP2 = 20 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 5 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 0,9. Trova la nuova corrente di linea Inew.
P = 5 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 100 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 690 VIL = 100 Acos φ = 0,9
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 75 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 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,3 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 = 9/12 = 0,75
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.
VL = 12 − 9 = 3 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 3·0,75/(150·10⁻⁶·50·10³) = 0,3 A
Risposta
ΔIL = 0,3 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Io,min = 0,168 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 = 14,4/48 = 0,3
Corrente di ondulazione
ΔIL = 14,4·0,7/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0,336 A
Corrente di carico al limite
Io,min = ΔIL/2 = 0,168 A
Risposta
Io,min = 0,168 A
Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.
3.Motori in corrente continua
Risposta: Tstall = 96 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 = 48/0,25 = 192 A
Coppia di spunto
Tstall = 0,5·192 = 96 N·m
Risposta
Tstall = 96 N·m
4.Motori in corrente continua
Risposta: V = 9,454 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 = 0,15·52,36 = 7,854 V
Corrente d’indotto
Ia = 0,3/0,15 = 2 A
Tensione d’indotto
V = 7,854 + 2·0,8 = 9,454 V
Risposta
V = 9,454 V
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: cos φ = 0,9664
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 = 11·tan(arccos 0,8) = 8,25 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Totali
P = 11 + 20 = 31 kW
Q = 8,25 + 0 = 8,25 kvar
S = √(31² + 8,25²) = 32,08 kVA
Fattore di potenza complessivo
cos φ = P/S = 31/32,08 = 0,9664 in ritardo
Risposta
cos φ = 0,9664
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Inew = 24,15 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 = 5·tan(41,41°) = 4,41 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,988 kvar
Nuova corrente di linea
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(230·0,9) = 24,15 A
Risposta
Inew = 24,15 A
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 107,6 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.
Potenza apparente
S = √3·VL·IL = √3·690·100 = 119,5 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 119,5·0,9 = 107,6 kW
Risposta
P = 107,6 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 164,8 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 29,82 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.