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
+−12 VSL = ?CR+−3,6 V

Un convertitore buck ideale trasforma 12 V in 3,6 V a una frequenza di commutazione di 500 kHz. Trova l’induttanza L che mantiene a 2 A la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore.

Vin​ = 12 VVo​ = 3,6 Vf = 500 kHzΔIL = 2 A
L = µH
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 12 V in 7,2 V a 100 kHz con L = 220 µH. Trova la minima corrente di carico Io,min per cui resta in conduzione continua.

Vin​ = 12 VVo​ = 7,2 Vf = 100 kHzL = 220 µH
Io,min = A
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)1,5 N·mn0​n = ?

Un motore in corrente continua (k = 0,3 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) funziona a 24 V e aziona una coppia resistente di 1,5 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.

V = 24 Vk = 0,3 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 1,5 N·m
n = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 400 rpmT = 30 N·m

Un motore in corrente continua (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) con un’alimentazione fissa da 220 V aziona un carico di 30 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 400 rpm.

V = 220 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 30 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VZ20 + j15 ΩI

Un carico con impedenza Z = 20 + j15 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

V = 240 VZ = 20 + j15 Ω
Q = var
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 45 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 100 Acos φ = 0,85in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 100 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,85 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 100 Acos φ = 0,85
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: L = 2,52 µH

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

Induttanza

L = 8,4·0,3/(2·500·10³) = 2,52 µH

Risposta

L = 2,52 µH
2.Convertitori DC-DC

Risposta: Io,min = 0,06545 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 = 7,2/12 = 0,6

Corrente di ondulazione

ΔIL = 7,2·0,4/(220·10⁻⁶·100·10³) = 0,1309 A

Corrente di carico al limite

Io,min = ΔIL/2 = 0,06545 A

Risposta

Io,min = 0,06545 A

Sotto questa corrente il convertitore passa in conduzione discontinua e Vo sale sopra D·Vin.

3.Motori in corrente continua

Risposta: n = 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.

Corrente d’indotto

Ia = T/k = 1,5/0,3 = 5 A

F.c.e.m. e velocità

E = 24 − 5·0,4 = 22 V
ω = E/k = 73,33 rad/s → n = 700,3 rpm

Risposta

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

Risposta: Rs = 4,315 Ω

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 e f.c.e.m.

Ia = 30/0,75 = 40 A
E = 0,75·41,89 = 31,42 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (220 − 31,42)/40 = 4,715 Ω
Rs = 4,315 Ω

Risposta

Rs = 4,315 Ω

Il resistore dissipa 6903 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 1382 var

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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A

Potenza reattiva

Q = I²·X = 9,6²·15 = 1382 var

Risposta

Q = 1382 var
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 24,9 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.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(18,19°) = 14,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,9 kvar

Risposta

QC = 24,9 kvar
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 70,67 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.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·480·100 = 83,14 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 83,14·0,85 = 70,67 kW

Risposta

P = 70,67 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 148,6 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 148,6 kvar

Risposta

QC = 148,6 kvar

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