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 24 V in 16,8 V a 200 kHz con L = 100 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore boost ideale trasforma 48 V in 80 V su un carico da 5 Ω a 100 kHz. Il condensatore di uscita è 47 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Vin = 48 VVo = 80 Vf = 100 kHzC = 47 µFR = 5 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 1 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 = 0,6 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 15 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 120 V (Ra = 0,2 Ω) gira a 1200 rpm con una corrente d’indotto di 30 A. Il carico cambia e la corrente diventa 45 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.
V = 120 VRa = 0,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 30 AIa2 = 45 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 12 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e una stufa elettrica da 29 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.
V = 400 VP1 = 12 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 29 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la capacità C necessaria.
P = 5 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 120 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,88 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 480 VIL = 120 Acos φ = 0,88
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 120 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 = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,252 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 = 16,8/24 = 0,7
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.
VL = 24 − 16,8 = 7,2 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,7/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,252 A
Risposta
ΔIL = 0,252 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 1362 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 = 1 − 48/80 = 0,4
Corrente nel carico
Io = 80/5 = 16 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 16·0,4/(100·10³·47·10⁻⁶) = 1362 mV
Risposta
ΔVo = 1362 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 7,317 %
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·0,6) = 3501 rpm
nFL = 60·(220 − 15·1)/(2π·0,6) = 3263 rpm
Regolazione di velocità
SR = (3501 − 3263)/3263·100 = 7,317 %
Risposta
SR = 7,317 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: n2 = 1168 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 = 120 − 30·0,2 = 114 V
E2 = 120 − 45·0,2 = 111 V
Nuova velocità
n2 = 1200·111/114 = 1168 rpm
Risposta
n2 = 1168 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: cos φ = 0,9461
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 di ciascun carico
Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).
Q1 = 12·tan(arccos 0,65) = 14,03 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Totali
P = 12 + 29 = 41 kW
Q = 14,03 + 0 = 14,03 kvar
S = √(41² + 14,03²) = 43,33 kVA
Fattore di potenza complessivo
cos φ = P/S = 41/43,33 = 0,9461 in ritardo
Risposta
cos φ = 0,9461
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: C = 204,9 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.
Potenza reattiva prima e dopo
La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.
Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(45,57°) = 5,101 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,086 kvar
Capacità
Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 4086/(2π·60·230²) = 204,9 µF
Risposta
C = 204,9 µF
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 87,79 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 = √3·480·120 = 99,77 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 99,77·0,88 = 87,79 kW
Risposta
P = 87,79 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: QC = 89,18 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.