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 96 V su un carico da 15 Ω. Trova la corrente media nell’induttore IL.
Vin = 48 VVo = 96 VR = 15 Ω
IL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck-boost ideale trasforma 15 V in −15 V su un carico da 5 Ω a 25 kHz. Il condensatore di uscita è 220 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Vin = 15 VVo = −15 Vf = 25 kHzC = 220 µFR = 5 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua assorbe 5 A da un’alimentazione da 240 V. La sua resistenza d’indotto è 2 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 92 W. Trova il suo rendimento η.
V = 240 VIa = 5 ARa = 2 ΩProt = 92 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua (k = 1,5 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) con un’alimentazione fissa da 220 V aziona un carico di 60 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 300 rpm.
Un motore monofase assorbe 34 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.
P = 34 kWpf = 0,6V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 230 V (efficaci), 1000 Hz ha un’impedenza interna Zs = 4 + j5 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Il carico per la massima potenza è realizzato con un resistore in serie a un condensatore. Trova la capacità C.
Vs = 230 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j5 Ω
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 25 A da una rete con una tensione concatenata di 415 V. Il fattore di potenza è 0,82 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 415 VIL = 25 Acos φ = 0,82
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,78 in ritardo da una rete a 480 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 = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: IL = 12,8 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 − 48/96 = 0,5
Corrente nel carico
Io = 96/15 = 6,4 A
Corrente nell’induttore
IL = Io/(1 − D) = 6,4/0,5 = 12,8 A
Risposta
IL = 12,8 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 272,7 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 = 15/(15 + 15) = 0,5
Corrente nel carico
Io = 15/5 = 3 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 3·0,5/(25·10³·220·10⁻⁶) = 272,7 mV
Risposta
ΔVo = 272,7 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: η = 88,17 %
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 = 240·5 = 1200 W
Pdev = 230·5 = 1150 W
Pout = 1150 − 92 = 1058 W
Rendimento
η = 1058/1200·100 = 88,17 %
Risposta
η = 88,17 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rs = 4,072 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 = 60/1,5 = 40 A
E = 1,5·31,42 = 47,12 V
Resistenza in serie
Ra + Rs = (220 − 47,12)/40 = 4,322 Ω
Rs = 4,072 Ω
Risposta
Rs = 4,072 Ω
Il resistore dissipa 6515 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: I = 246,4 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) = 34000/(230·0,6) = 246,4 A
Risposta
I = 246,4 A
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: C = 31,83 µF
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* = 4 − j5 Ω
Capacità
XC = 5 Ω → C = 1/(2π·1000·5) = 31,83 µF
Risposta
C = 31,83 µF
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 14,74 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 = √3·415·25 = 17,97 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 17,97·0,82 = 14,74 kW
Risposta
P = 14,74 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 73,21 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 19,08 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.