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 7,5 V su un carico da 25 Ω. Commuta a 200 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 15 VVo​ = 7,5 Vf = 200 kHzL = 150 µHR = 25 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−36 VSLC = 100 µFR = 20 Ω−+−36 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 36 V in −36 V su un carico da 20 Ω a 50 kHz. Il condensatore di uscita è 100 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 36 VVo​ = −36 Vf = 50 kHzC = 100 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motore in corrente continua con k = 0,75 N·m/A e Ra = 0,2 Ω è collegato a 220 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 220 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,2 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VD = ?Ra​ = 2 ΩM+−En = 400 rpmT = 7,5 N·m

Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 1,5 V·s/rad, Ra = 2 Ω) da un bus in continua da 240 V. La tensione media d’indotto è D·240 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 400 rpm con un carico di 7,5 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1,5 V·s/radRa = 2 ΩT = 7,5 N·mn = 400 rpm
D = %
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V119 kW, 0,728 kW, 0,95I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 19 kW con fattore di potenza 0,7 induttivo e un carico da 8 kW con fattore di potenza 0,95 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 19 kW, pf1 = 0,7 in ritardoP2 = 8 kW, pf2 = 0,95 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 30 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,92. Trova la capacità C necessaria.

P = 30 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 93%cos φ = 0,88

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 110 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 110 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,75 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 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 0,3625 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 = 7,5/15 = 0,5

Corrente media e di ondulazione

Io = 7,5/25 = 0,3 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0,125 A

Corrente di picco

Imax = 0,3 + 0,125/2 = 0,3625 A

Risposta

Imax = 0,3625 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 180 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 = 36/(36 + 36) = 0,5

Corrente nel carico

Io = 36/20 = 1,8 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 1,8·0,5/(50·10³·100·10⁻⁶) = 180 mV

Risposta

ΔVo = 180 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 825 N·m

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.

Corrente di spunto

Ia = V/Ra = 220/0,2 = 1100 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,75·1100 = 825 N·m

Risposta

Tstall = 825 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: D = 30,35 %

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.

Tensione d’indotto richiesta

Va = 1,5·41,89 + 5·2 = 72,83 V

Rapporto di lavoro

D = 72,83/240 = 30,35 %

Risposta

D = 30,35 %
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 145,2 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 = 19·tan(arccos 0,7) = 19,38 kvar
Q2 = 8·tan(arccos 0,95) = 2,629 kvar

Totali

P = 19 + 8 = 27 kW
Q = 19,38 + 2,629 = 22,01 kvar
S = √(27² + 22,01²) = 34,84 kVA

Corrente totale

I = S/V = 34837/240 = 145,2 A

Risposta

I = 145,2 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 1341 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 = 30·tan(49,46°) = 35,07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23,07°) = 12,78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,29 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 22294/(2π·50·230²) = 1341 µF

Risposta

C = 1341 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 187 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 = 110/0,93 = 118,3 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 118280/(√3·415·0,88) = 187 A

Risposta

IL = 187 A
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 226,9 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 101,8 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33943/(314,2·690²) = 226,9 µF

Risposta

Cph = 226,9 µF

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