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 12 V in −28 V a 20 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = −28 Vf = 20 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−15 VSLC = 10 µFR = 50 Ω−+−10 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 15 V in −10 V su un carico da 50 Ω a 500 kHz. Il condensatore di uscita è 10 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 15 VVo​ = −10 Vf = 500 kHzC = 10 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)1,8 N·mn0​n = ?

Un motore in corrente continua (k = 0,12 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) funziona a 48 V e aziona una coppia resistente di 1,8 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.

V = 48 Vk = 0,12 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 1,8 N·m
n = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−24 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

Un piccolo motore in corrente continua ha una resistenza d’indotto di 4 Ω e funziona a 24 V. Trascurando le perdite rotazionali, trova la massima potenza meccanica Pmax che può sviluppare a qualsiasi velocità.

V = 24 VRa = 4 Ω
Pmax = W
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 30 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 30 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 30 kWpf = 0,8V = 240 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 45 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 = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 15 Acos φ = 0,82in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 15 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,82 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 690 VIL = 15 Acos φ = 0,82
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 690 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. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 2,8 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 = 28/(12 + 28) = 0,7

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

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

VL = 12 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,7/(150·10⁻⁶·20·10³) = 2,8 A

Risposta

ΔIL = 2,8 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 16 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 = 10/(15 + 10) = 0,4

Corrente nel carico

Io = 10/50 = 0,2 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 0,2·0,4/(500·10³·10·10⁻⁶) = 16 mV

Risposta

ΔVo = 16 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: n = 3342 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.

Corrente d’indotto

Ia = T/k = 1,8/0,12 = 15 A

F.c.e.m. e velocità

E = 48 − 15·0,4 = 42 V
ω = E/k = 350 rad/s → n = 3342 rpm

Risposta

n = 3342 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: Pmax = 36 W

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.

Potenza in funzione della f.c.e.m.

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

Potenza massima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·4) = 36 W

Risposta

Pmax = 36 W

In questo punto il rendimento è solo del 50 %, quindi i motori reali funzionano ben oltre metà velocità.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 22,5 kvar

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.

Angolo

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 30·0,75 = 22,5 kvar

Risposta

Q = 22,5 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 217,4 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.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17,89 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(230·0,9) = 217,4 A

Risposta

Inew = 217,4 A
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 14,7 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 = √3·690·15 = 17,93 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 17,93·0,82 = 14,7 kW

Risposta

P = 14,7 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 549,4 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 82,18 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27392/(314,2·398,4²) = 549,4 µF

Risposta

Cph = 549,4 µF

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