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 ideale trasforma 12 V in 6 V a 100 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 12 VVo = 6 Vf = 100 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 48 V in 14,4 V su un carico da 10 Ω a 200 kHz, con L = 100 µH e C = 22 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Un motore in corrente continua (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funziona a 240 V e aziona una coppia resistente di 48 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.
V = 240 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 48 N·m
n = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 0,75 V·s/rad a campo pieno, Ra = 0,4 Ω, V = 48 V) aziona una coppia resistente costante di 9 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 70 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.
Un motore monofase assorbe 35 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.
P = 35 kWpf = 0,7V = 400 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 100 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 2 + j6 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 = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j6 Ω
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 12 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,95 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 208 VIL = 12 Acos φ = 0,95
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 80 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 415 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,2 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 = 6/12 = 0,5
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.
VL = 12 − 6 = 6 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0,5/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,2 A
Risposta
ΔIL = 0,2 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 14,32 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 = 14,4/48 = 0,3
Corrente di ondulazione nell’induttore
ΔIL = (48 − 14,4)·0,3/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,504 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 0,504/(8·200·10³·22·10⁻⁶) = 14,32 mV
Risposta
ΔVo = 14,32 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: n = 1830 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 = 48/1,2 = 40 A
F.c.e.m. e velocità
E = 240 − 40·0,25 = 230 V
ω = E/k = 191,7 rad/s → n = 1830 rpm
Risposta
n = 1830 rpm
4.Motori in corrente continua
Risposta: n = 748,4 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.
L’indebolimento di campo è il modo in cui un azionamento in corrente continua funziona oltre la velocità base.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Q = 35,71 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02
Potenza reattiva
Q = P·tan φ = 35·1,02 = 35,71 kvar
Risposta
Q = 35,71 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: C = 530,5 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* = 2 − j6 Ω
Capacità
XC = 6 Ω → C = 1/(2π·50·6) = 530,5 µF
Risposta
C = 530,5 µF
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 4,107 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 = √3·208·12 = 4,323 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 4,323·0,95 = 4,107 kW
Risposta
P = 4,107 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: QC = 67,24 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.