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
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

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.

Vin​ = 15 VVo​ = 10,5 Vf = 20 kHzL = 220 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
tiL​Imax​IL​DTT2T

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
T (N·m)n (rpm)12 N·mn0​nFL​

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
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 0,4 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

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
230 VR + jXP = 949 W5,5 A

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
400 V50 Hzcarico20 kW, 0,65C100 µFI = ?

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
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 94%cos φ = 0,88

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
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

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.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 68095/(314,2·415²) = 1259 µF

Risposta

Cph = 1259 µF

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