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-boost invertente ideale trasforma 48 V in −72 V a 40 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 48 VVo = −72 Vf = 40 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck trasforma 9 V in 2,7 V su un carico da 25 Ω a 200 kHz, con L = 100 µH e C = 10 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Un motore in corrente continua (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funziona a 120 V. A pieno carico assorbe 40 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.
V = 120 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 40 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua da 120 V ha una resistenza d’indotto di 0,5 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 20 A.
V = 120 VRa = 0,5 ΩImax = 20 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 27 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e un carico da 19 kW con fattore di potenza 0,9 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.
V = 230 VP1 = 27 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 19 kW, pf2 = 0,9 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 230 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 4 + j15 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.
Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j15 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 10 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 208 VIL = 10 Acos φ = 0,9
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 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. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 3,273 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 = 72/(48 + 72) = 0,6
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.
VL = 48 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,6/(220·10⁻⁶·40·10³) = 3,273 A
Risposta
ΔIL = 3,273 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 5,906 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 = 2,7/9 = 0,3
Corrente di ondulazione nell’induttore
ΔIL = (9 − 2,7)·0,3/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,0945 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 0,0945/(8·200·10³·10·10⁻⁶) = 5,906 mV
Risposta
ΔVo = 5,906 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 9,091 %
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 = 60·120/(2π·0,8) = 1432 rpm
nFL = 60·(120 − 40·0,25)/(2π·0,8) = 1313 rpm
Regolazione di velocità
SR = (1432 − 1313)/1313·100 = 9,091 %
Risposta
SR = 9,091 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rst = 5,5 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.
Resistenza totale
Ra + Rst = 120/20 = 6 Ω
Resistenza di avviamento
Rst = 6 − 0,5 = 5,5 Ω
Risposta
Rst = 5,5 Ω
Il resistore viene escluso a gradini man mano che il motore accelera e la f.c.e.m. cresce.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: I = 267,2 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 di ciascun carico
Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).
Q1 = 27·tan(arccos 0,65) = 31,57 kvar
Q2 = 19·tan(arccos 0,9) = 9,202 kvar
Totali
P = 27 + 19 = 46 kW
Q = 31,57 + 9,202 = 40,77 kvar
S = √(46² + 40,77²) = 61,47 kVA
Corrente totale
I = S/V = 61466/230 = 267,2 A
Risposta
I = 267,2 A
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Pmax = 3306 W
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* = 4 − j15 Ω
Potenza massima
I = Vs/(2Rs) = 230/8 = 28,75 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·4) = 3306 W
Risposta
Pmax = 3306 W
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 3,242 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 = √3·208·10 = 3,603 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 3,603·0,9 = 3,242 kW
Risposta
P = 3,242 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 794,5 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar
Capacità per fase
In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.