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 9 V in −27 V a 25 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 9 VVo = −27 Vf = 25 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 36 V in 25,2 V a 250 kHz con L = 150 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.
Vin = 36 VVo = 25,2 Vf = 250 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua assorbe 4 A da un’alimentazione da 48 V. La sua resistenza d’indotto è 1 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 5 W. Trova il suo rendimento η.
V = 48 VIa = 4 ARa = 1 ΩProt = 5 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 240 V (Ra = 0,4 Ω) gira a 1200 rpm con una corrente d’indotto di 40 A. Il carico cambia e la corrente diventa 80 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.
V = 240 VRa = 0,4 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 40 AIa2 = 80 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un carico con impedenza Z = 6 + j8 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Trova la potenza attiva P che assorbe.
V = 240 VZ = 6 + j8 Ω
P = W
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un trasformatore monofase da 200 kVA alimenta un carico di 110 kW con fattore di potenza 0,75 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 = 200 kVAP1 = 110 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 16 + j12 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 415 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 415 VZ = 16 + j12 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 1,8 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 = 27/(9 + 27) = 0,75
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.
VL = 9 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,75/(150·10⁻⁶·25·10³) = 1,8 A
Risposta
ΔIL = 1,8 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Io,min = 0,1008 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 = 25,2/36 = 0,7
Corrente di ondulazione
ΔIL = 25,2·0,3/(150·10⁻⁶·250·10³) = 0,2016 A
Corrente di carico al limite
Io,min = ΔIL/2 = 0,1008 A
Risposta
Io,min = 0,1008 A
Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.
3.Motori in corrente continua
Risposta: η = 89,06 %
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 = 48·4 = 192 W
Pdev = 44·4 = 176 W
Pout = 176 − 5 = 171 W
Rendimento
η = 171/192·100 = 89,06 %
Risposta
η = 89,06 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: n2 = 1114 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.
F.c.e.m. prima e dopo
E1 = 240 − 40·0,4 = 224 V
E2 = 240 − 80·0,4 = 208 V
Nuova velocità
n2 = 1200·208/224 = 1114 rpm
Risposta
n2 = 1114 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: P = 3456 W
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| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A
Potenza attiva
P = I²·R = 24²·6 = 3456 W
Risposta
P = 3456 W
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: ΔP = 64,9 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 = 110·tan(arccos 0,75) = 97,01 kvar
Massima potenza attiva totale
Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 97,01²) = 174,9 kW
Potenza attiva aggiuntiva
ΔP = 174,9 − 110 = 64,9 kW
Risposta
ΔP = 64,9 kW
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 20,67 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.
Tensione di fase
Vph = VL = 415 V
Corrente di fase
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 415/20 = 20,75 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·20,75²·16 = 20,67 kW
Risposta
P = 20,67 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 298,6 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 134 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.