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 48 V in 36 V su un carico da 4 Ω. Commuta a 20 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 48 VVo​ = 36 Vf = 20 kHzL = 150 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−48 VSLC = 100 µFR = 12 Ω−+−72 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 48 V in −72 V su un carico da 12 Ω a 20 kHz. Il condensatore di uscita è 100 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 48 VVo​ = −72 Vf = 20 kHzC = 100 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 15 kW di potenza meccanica a 3000 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 15 kWn = 3000 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 1200 rpmT = 40 N·m

Un motore in corrente continua (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) con un’alimentazione fissa da 220 V aziona un carico di 40 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 1200 rpm.

V = 220 Vk = 1 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 40 N·mn = 1200 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 34 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 34 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 34 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico5 kW, 0,8C100 µFI

Un carico monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore da 100 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 5 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 30 Acos φ = 0,95in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 30 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,95 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 10,5 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 = 36/48 = 0,75

Corrente media e di ondulazione

Io = 36/4 = 9 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,75/(150·10⁻⁶·20·10³) = 3 A

Corrente di picco

Imax = 9 + 3/2 = 10,5 A

Risposta

Imax = 10,5 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 1800 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 = 72/(48 + 72) = 0,6

Corrente nel carico

Io = 72/12 = 6 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 6·0,6/(20·10³·100·10⁻⁶) = 1800 mV

Risposta

ΔVo = 1800 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 47,75 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.

Velocità in rad/s

ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 15000/314,2 = 47,75 N·m

Risposta

T = 47,75 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 2,108 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.

Corrente e f.c.e.m.

Ia = 40/1 = 40 A
E = 1·125,7 = 125,7 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (220 − 125,7)/40 = 2,358 Ω
Rs = 2,108 Ω

Risposta

Rs = 2,108 Ω

Il resistore dissipa 3373 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 184,8 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 34000/(230·0,8) = 184,8 A

Risposta

I = 184,8 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9435

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 = 5·tan(arccos 0,8) = 3,75 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·100·10⁻⁶ = 1994 var = 1,994 kvar
Q2 = 3,75 − 1,994 = 1,756 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(5² + 1,756²) = 5,299 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 5/5,299 = 0,9435

Risposta

cos φ = 0,9435
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 23,69 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 = √3·480·30 = 24,94 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 24,94·0,95 = 23,69 kW

Risposta

P = 23,69 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 132,5 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 = 60·tan(acos 0,72) = 60·0,9639 = 57,83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 28,77 kvar

Capacità per fase

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

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9591/(314,2·480²) = 132,5 µF

Risposta

Cph = 132,5 µF

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