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 9 V in 6,3 V a 20 kHz con L = 47 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 9 VVo = 6,3 Vf = 20 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore boost ideale trasforma 12 V in 30 V su un carico da 50 Ω a 200 kHz. Il condensatore di uscita è 220 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Un motore in corrente continua assorbe 30 A da un’alimentazione da 240 V. La sua resistenza d’indotto è 0,4 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 205 W. Trova il suo rendimento η.
V = 240 VIa = 30 ARa = 0,4 ΩProt = 205 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 120 V (Ra = 1,2 Ω) gira a 1800 rpm con una corrente d’indotto di 6 A. Il carico cambia e la corrente diventa 3,6 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.
V = 120 VRa = 1,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 6 AIa2 = 3,6 A
n2 = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un motore monofase assorbe 24 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.
P = 24 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 100 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 8 + j15 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.
Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j15 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 9 + j12 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 400 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 400 VZ = 9 + j12 Ω per fase
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 triangolo. 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 = 2,011 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 = 6,3/9 = 0,7
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.
VL = 9 − 6,3 = 2,7 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 2,7·0,7/(47·10⁻⁶·20·10³) = 2,011 A
Risposta
ΔIL = 2,011 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 8,182 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 − 12/30 = 0,6
Corrente nel carico
Io = 30/50 = 0,6 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 0,6·0,6/(200·10³·220·10⁻⁶) = 8,182 mV
Risposta
ΔVo = 8,182 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: η = 92,15 %
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.
Potenze
Pin = 240·30 = 7200 W
Pdev = 228·30 = 6840 W
Pout = 6840 − 205 = 6635 W
Rendimento
η = 6635/7200·100 = 92,15 %
Risposta
η = 92,15 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: n2 = 1846 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 − 6·1,2 = 112,8 V
E2 = 120 − 3,6·1,2 = 115,7 V
Nuova velocità
n2 = 1800·115,7/112,8 = 1846 rpm
Risposta
n2 = 1846 rpm
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Q = 32 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.
Angolo
φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Potenza reattiva
Q = P·tan φ = 24·1,333 = 32 kvar
Risposta
Q = 32 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Pmax = 312,5 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* = 8 − j15 Ω
Potenza massima
I = Vs/(2Rs) = 100/16 = 6,25 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·8) = 312,5 W
Risposta
Pmax = 312,5 W
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 6,4 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.
Tensione di fase
Vph = 400/√3 = 230,9 V
Corrente di fase
|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 230,9/15 = 15,4 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·15,4²·9 = 6,4 kW
Risposta
P = 6,4 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 264,8 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 triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.