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 ideale trasforma 15 V in 7,5 V a 100 kHz con L = 22 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 15 VVo​ = 7,5 Vf = 100 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VSLC = 47 µFR = 12 Ω−+−8 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −8 V su un carico da 12 Ω a 50 kHz. Il condensatore di uscita è 47 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = −8 Vf = 50 kHzC = 47 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Un motore in corrente continua con k = 1,5 V·s/rad funziona a 110 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.

V = 110 Vk = 1,5 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VRa​ = 0,5 ΩM+−EωT

Un piccolo motore in corrente continua ha una resistenza d’indotto di 0,5 Ω e funziona a 120 V. Trascurando le perdite rotazionali, trova la massima potenza meccanica Pmax che può sviluppare a qualsiasi velocità.

V = 120 VRa = 0,5 Ω
Pmax = W
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VZ8 + j6 ΩI

Un carico con impedenza Z = 8 + j6 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.

V = 120 VZ = 8 + j6 Ω
S = VA
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
24 V60 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Un generatore da 24 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 8 + j30 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 = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j30 Ω
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M15 kW, η = 93%cos φ = 0,88

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 15 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 15 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,65 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 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 1,705 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 = 7,5/15 = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.

VL = 15 − 7,5 = 7,5 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(22·10⁻⁶·100·10³) = 1,705 A

Risposta

ΔIL = 1,705 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 70,92 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 = 8/(24 + 8) = 0,25

Corrente nel carico

Io = 8/12 = 0,6667 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 0,6667·0,25/(50·10³·47·10⁻⁶) = 70,92 mV

Risposta

ΔVo = 70,92 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: n0 = 700,3 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 = 110/1,5 = 73,33 rad/s
n0 = 60·73,33/(2π) = 700,3 rpm

Risposta

n0 = 700,3 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: Pmax = 7200 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 = 60 V

Potenza massima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·0,5) = 7200 W

Risposta

Pmax = 7200 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: S = 1440 VA

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| = √(8² + 6²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

Potenza apparente

S = V·I = 120·12 = 1440 VA

Risposta

S = 1440 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 88,42 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* = 8 − j30 Ω

Capacità

XC = 30 Ω → C = 1/(2π·60·30) = 88,42 µF

Risposta

C = 88,42 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 25,5 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 = 15/0,93 = 16,13 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16129/(√3·415·0,88) = 25,5 A

Risposta

IL = 25,5 A
8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 48,3 kvar

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 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 48,3 kvar

Risposta

QC = 48,3 kvar

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