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-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
Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −36 V su un carico da 10 Ω a 100 kHz. Il condensatore di uscita è 47 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Un motore in corrente continua con k = 0,2 V·s/rad funziona a 24 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.
V = 24 Vk = 0,2 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua con k = 1,2 V·s/rad e Ra = 0,5 Ω deve azionare un carico di 30 N·m a 300 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.
k = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 30 N·mn = 300 rpm
V = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un carico con impedenza Z = 12 + j5 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.
V = 120 VZ = 12 + j5 Ω
Q = var
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, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,92. Trova la nuova corrente di linea Inew.
P = 5 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 7,5 kW. A questo carico il suo rendimento è del 88% e il suo fattore di potenza è 0,85 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.
Pout = 7,5 kWη = 88%cos φ = 0,85VL = 690 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,75 in ritardo da una rete a 480 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 = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
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: ΔVo = 459,6 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 = 36/(24 + 36) = 0,6
Corrente nel carico
Io = 36/10 = 3,6 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 3,6·0,6/(100·10³·47·10⁻⁶) = 459,6 mV
Risposta
ΔVo = 459,6 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: n0 = 1146 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.
Velocità a vuoto
ω₀ = V/k = 24/0,2 = 120 rad/s
n0 = 60·120/(2π) = 1146 rpm
Risposta
n0 = 1146 rpm
4.Motori in corrente continua
Risposta: V = 50,2 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 = 1,2·31,42 = 37,7 V
Corrente d’indotto
Ia = 30/1,2 = 25 A
Tensione d’indotto
V = 37,7 + 25·0,5 = 50,2 V
Risposta
V = 50,2 V
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Q = 426 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 + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9,231 A
Potenza reattiva
Q = I²·X = 9,231²·5 = 426 var
Risposta
Q = 426 var
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Inew = 23,63 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(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2,28 kvar
Nuova corrente di linea
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(230·0,92) = 23,63 A
Risposta
Inew = 23,63 A
7.Sistemi trifase
Risposta: IL = 8,39 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 = 7,5/0,88 = 8,523 kW
Corrente di linea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8523/(√3·690·0,85) = 8,39 A
Risposta
IL = 8,39 A
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 274,6 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 19,88 kvar
Capacità per fase
In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.