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 boost ideale trasforma 12 V in 24 V a 20 kHz con L = 100 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = 24 Vf = 20 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Un convertitore buck trasforma 12 V in 3,6 V su un carico da 2 Ω a 50 kHz, con L = 47 µH e C = 470 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 12 VVo​ = 3,6 Vf = 50 kHzL = 47 µHC = 470 µF
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−110 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 8 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 8 A da un’alimentazione da 110 V. La sua resistenza d’indotto è 0,5 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 51 W. Trova il suo rendimento η.

V = 110 VIa = 8 ARa = 0,5 ΩProt = 51 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 800 rpmT = 2,4 N·m

Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 1 Ω) da un bus in continua da 120 V. La tensione media d’indotto è D·120 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 800 rpm con un carico di 2,4 N·m.

Vdc = 120 Vk = 0,6 V·s/radRa = 1 ΩT = 2,4 N·mn = 800 rpm
D = %
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 32 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 32 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la corrente di linea I.

P = 32 kWpf = 0,65V = 400 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
400 V60 Hzcarico30 kW, 0,65C68 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 30 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore da 68 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 30 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,75in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 20 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,75 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,75
P = kW
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 400 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 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 = 0,8pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 3 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 − 12/24 = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

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

VL = 12 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(100·10⁻⁶·20·10³) = 3 A

Risposta

ΔIL = 3 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 5,704 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 = 3,6/12 = 0,3

Corrente di ondulazione nell’induttore

ΔIL = (12 − 3,6)·0,3/(47·10⁻⁶·50·10³) = 1,072 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 1,072/(8·50·10³·470·10⁻⁶) = 5,704 mV

Risposta

ΔVo = 5,704 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: η = 90,57 %

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 = 110·8 = 880 W
Pdev = 106·8 = 848 W
Pout = 848 − 51 = 797 W

Rendimento

η = 797/880·100 = 90,57 %

Risposta

η = 90,57 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: D = 45,22 %

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.

Tensione d’indotto richiesta

Va = 0,6·83,78 + 4·1 = 54,27 V

Rapporto di lavoro

D = 54,27/120 = 45,22 %

Risposta

D = 45,22 %
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 123,1 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) = 32000/(400·0,65) = 123,1 A

Risposta

I = 123,1 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 107,8 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 = 30·tan(arccos 0,65) = 35,07 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4,102 kvar
Q2 = 35,07 − 4,102 = 30,97 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(30² + 30,97²) = 43,12 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 43119/400 = 107,8 A

Risposta

I = 107,8 A
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 10,39 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 = √3·400·20 = 13,86 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 13,86·0,75 = 10,39 kW

Risposta

P = 10,39 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 349,2 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 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 21,07 kvar

Capacità per fase

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7022/(377·230,9²) = 349,2 µF

Risposta

Cph = 349,2 µF

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