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 boost ideale trasforma 9 V in 15 V su un carico da 12 Ω. Trova la corrente media nell’induttore IL.
Vin = 9 VVo = 15 VR = 12 Ω
IL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 15 V in 9 V a 100 kHz con L = 150 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.
Vin = 15 VVo = 9 Vf = 100 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) funziona a 220 V. A pieno carico assorbe 15 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.
V = 220 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1,2 ΩIFL = 15 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) da un bus in continua da 220 V. La tensione media d’indotto è D·220 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 400 rpm con un carico di 9,6 N·m.
Un carico con impedenza Z = 16 + j12 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.
V = 230 VZ = 16 + j12 Ω
S = VA
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,92. Trova la nuova corrente di linea Inew.
P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 7 + j24 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 208 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 208 VZ = 7 + j24 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
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 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: IL = 2,083 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 − 9/15 = 0,4
Corrente nel carico
Io = 15/12 = 1,25 A
Corrente nell’induttore
IL = Io/(1 − D) = 1,25/0,6 = 2,083 A
Risposta
IL = 2,083 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Io,min = 0,12 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 = 9/15 = 0,6
Corrente di ondulazione
ΔIL = 9·0,4/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,24 A
Corrente di carico al limite
Io,min = ΔIL/2 = 0,12 A
Risposta
Io,min = 0,12 A
Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 8,911 %
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 e a pieno carico
n₀ = 60·220/(2π·1,2) = 1751 rpm
nFL = 60·(220 − 15·1,2)/(2π·1,2) = 1607 rpm
Regolazione di velocità
SR = (1751 − 1607)/1607·100 = 8,911 %
Risposta
SR = 8,911 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: D = 28,3 %
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 = 1,2·41,89 + 8·1,5 = 62,27 V
Rapporto di lavoro
D = 62,27/220 = 28,3 %
Risposta
D = 28,3 %
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: S = 2645 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| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 230/20 = 11,5 A
Potenza apparente
S = V·I = 230·11,5 = 2645 VA
Risposta
S = 2645 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Inew = 94,52 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 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18,15 kvar
Nuova corrente di linea
Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(230·0,92) = 94,52 A
Risposta
Inew = 94,52 A
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 0,4846 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 = 208/√3 = 120,1 V
Corrente di fase
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·7 = 0,4846 kW
Risposta
P = 0,4846 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,28, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 151,1 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 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 27,35 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.