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 trasforma 15 V in 10,5 V su un carico da 4 Ω. Commuta a 20 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.
Un convertitore buck ideale trasforma 9 V in 6,3 V su un carico da 50 Ω a 25 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.
Vin = 9 VVo = 6,3 Vf = 25 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) funziona a 220 V. A pieno carico assorbe 12 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.
V = 220 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩIFL = 12 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua da 48 V ha una resistenza d’indotto di 0,4 Ω. Trova la resistenza di avviamento in serie Rst che limita la corrente di spunto a 20 A.
V = 48 VRa = 0,4 ΩImax = 20 A
Rst = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un carico induttivo assorbe 5,5 A e 949 W da un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.
V = 230 VI = 5,5 AP = 949 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore da 100 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.
P = 20 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
I = A
7.Sistemi trifaseMedia
Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 55 kW. A questo carico il suo rendimento è del 94% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.
Pout = 55 kWη = 94%cos φ = 0,88VL = 690 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 415 V (tensione concatenata) e 50 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 = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: Imax = 2,983 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 = 10,5/15 = 0,7
Corrente media e di ondulazione
Io = 10,5/4 = 2,625 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4,5·0,7/(220·10⁻⁶·20·10³) = 0,7159 A
Corrente di picco
Imax = 2,625 + 0,7159/2 = 2,983 A
Risposta
Imax = 2,983 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Lcrit = 300 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 = 6,3/9 = 0,7
Condizione al limite
Poni la corrente media nell’induttore uguale a metà della corrente di ondulazione e ricava L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Induttanza critica
Lcrit = (1 − 0,7)·50/(225·10³) = 300 µH
Risposta
Lcrit = 300 µH
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 4,563 %
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) = 2101 rpm
nFL = 60·(220 − 12·0,8)/(2π·1) = 2009 rpm
Regolazione di velocità
SR = (2101 − 2009)/2009·100 = 4,563 %
Risposta
SR = 4,563 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rst = 2 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 = 48/20 = 2,4 Ω
Resistenza di avviamento
Rst = 2,4 − 0,4 = 2 Ω
Risposta
Rst = 2 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: R = 31,37 Ω
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.
Resistenza dalla potenza attiva
R = P/I² = 949/5,5² = 31,37 Ω
Risposta
R = 31,37 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: I = 67,87 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 = 20·tan(arccos 0,65) = 23,38 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5,027 kvar
Q2 = 23,38 − 5,027 = 18,36 kvar
Nuova potenza apparente
S2 = √(20² + 18,36²) = 27,15 kVA
Nuova corrente di linea
I = S2/V = 27147/400 = 67,87 A
Risposta
I = 67,87 A
7.Sistemi trifase
Risposta: IL = 55,63 A
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 elettrica assorbita
Pin = Pout/η = 55/0,94 = 58,51 kW
Corrente di linea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 58511/(√3·690·0,88) = 55,63 A
Risposta
IL = 55,63 A
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 1259 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 204,3 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.