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-boost invertente ideale trasforma 24 V in −24 V a 20 kHz con L = 330 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 24 VVo​ = −24 Vf = 20 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertitore buck-boost invertente ideale trasforma 48 V in −72 V su un carico da 25 Ω a 40 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.

Vin​ = 48 VVo​ = −72 Vf = 40 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
+−120 VRa​ = 1 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 5 A da un’alimentazione da 120 V. La sua resistenza d’indotto è 1 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 23 W. Trova il suo rendimento η.

V = 120 VIa = 5 ARa = 1 ΩProt = 23 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 500 rpmT = 24 N·m

Un motore in corrente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) con un’alimentazione fissa da 220 V aziona un carico di 24 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 500 rpm.

V = 220 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 24 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VZ12 + j9 ΩI

Un carico con impedenza Z = 12 + j9 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

V = 240 VZ = 12 + j9 Ω
Q = var
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P1​ = 8 kWQ1​S1​φ

Un trasformatore monofase da 25 kVA alimenta un carico di 8 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo. Quanta potenza attiva in più ΔP si può aggiungere come carico resistivo (fattore di potenza unitario) prima che il trasformatore raggiunga la sua potenza nominale in kVA?

Smax = 25 kVAP1 = 8 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 90%cos φ = 0,84

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 90 kW. A questo carico il suo rendimento è del 90% e il suo fattore di potenza è 0,84 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 90 kWη = 90%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 415 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 = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 1,818 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 = 24/(24 + 24) = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

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

VL = 24 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,5/(330·10⁻⁶·20·10³) = 1,818 A

Risposta

ΔIL = 1,818 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Lcrit = 50 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 = 72/(48 + 72) = 0,6

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 − 0,6)²·25/(240·10³) = 50 µH

Risposta

Lcrit = 50 µH
3.Motori in corrente continua

Risposta: η = 92 %

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 = 120·5 = 600 W
Pdev = 115·5 = 575 W
Pout = 575 − 23 = 552 W

Rendimento

η = 552/600·100 = 92 %

Risposta

η = 92 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 7,358 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.

Corrente e f.c.e.m.

Ia = 24/1,2 = 20 A
E = 1,2·52,36 = 62,83 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (220 − 62,83)/20 = 7,858 Ω
Rs = 7,358 Ω

Risposta

Rs = 7,358 Ω

Il resistore dissipa 2943 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 2304 var

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

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

Potenza reattiva

Q = I²·X = 16²·9 = 2304 var

Risposta

Q = 2304 var
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: ΔP = 16,5 kW

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 del carico esistente

Q1 = 8·tan(arccos 0,85) = 4,958 kvar

Massima potenza attiva totale

Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 4,958²) = 24,5 kW

Potenza attiva aggiuntiva

ΔP = 24,5 − 8 = 16,5 kW

Risposta

ΔP = 16,5 kW
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 99,61 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 = 90/0,9 = 100 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 100000/(√3·690·0,84) = 99,61 A

Risposta

IL = 99,61 A
8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 13,28 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 13,28 kvar

Risposta

QC = 13,28 kvar

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