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 buck ideale trasforma 15 V in 7,5 V a 50 kHz con L = 47 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 15 VVo​ = 7,5 Vf = 50 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 24 V in 16,8 V a 20 kHz con L = 47 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.

Vin​ = 24 VVo​ = 16,8 Vf = 20 kHzL = 47 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
+−220 VRa​ = 0,4 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 20 A da un’alimentazione da 220 V. La sua resistenza d’indotto è 0,4 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 212 W. Trova il suo rendimento η.

V = 220 VIa = 20 ARa = 0,4 ΩProt = 212 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 1 ΩIa​: 12 → 3 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 240 V (Ra = 1 Ω) gira a 1500 rpm con una corrente d’indotto di 12 A. Il carico cambia e la corrente diventa 3 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 240 VRa = 1 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 12 AIa2 = 3 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
400 V114 kW, 0,622 kW, 1I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 14 kW con fattore di potenza 0,6 induttivo e una stufa elettrica da 2 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 400 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,6 in ritardoP2 = 2 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
10 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Un generatore da 10 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 20 + j10 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j10 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VZ = 3 + j4 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 120 kW con un fattore di potenza di 0,65 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 0,98 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 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 1,596 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 = 7,5/15 = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.

VL = 15 − 7,5 = 7,5 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(47·10⁻⁶·50·10³) = 1,596 A

Risposta

ΔIL = 1,596 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Io,min = 2,681 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 = 16,8/24 = 0,7

Corrente di ondulazione

ΔIL = 16,8·0,3/(47·10⁻⁶·20·10³) = 5,362 A

Corrente di carico al limite

Io,min = ΔIL/2 = 2,681 A

Risposta

Io,min = 2,681 A

Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.

3.Motori in corrente continua

Risposta: η = 91,55 %

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.

Potenze

Pin = 220·20 = 4400 W
Pdev = 212·20 = 4240 W
Pout = 4240 − 212 = 4028 W

Rendimento

η = 4028/4400·100 = 91,55 %

Risposta

η = 91,55 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 1559 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.

F.c.e.m. prima e dopo

E1 = 240 − 12·1 = 228 V
E2 = 240 − 3·1 = 237 V

Nuova velocità

n2 = 1500·237/228 = 1559 rpm

Risposta

n2 = 1559 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,6508

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 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 14 + 2 = 16 kW
Q = 18,67 + 0 = 18,67 kvar
S = √(16² + 18,67²) = 24,59 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 16/24,59 = 0,6508 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,6508
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 1,25 W

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.

Adattamento coniugato

La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.

ZL = Zs* = 20 − j10 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 10/40 = 0,25 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·20) = 1,25 W

Risposta

Pmax = 1,25 W
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 82,94 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 = 480 V

Corrente di fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·96²·3 = 82,94 kW

Risposta

P = 82,94 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 115,9 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.

Q1 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 115,9 kvar

Risposta

QC = 115,9 kvar

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