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 boost ideale trasforma 9 V in 30 V a 100 kHz con L = 150 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.
Vin = 9 VVo = 30 Vf = 100 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck-boost invertente ideale trasforma 24 V in −36 V su un carico da 20 Ω a 250 kHz. Trova la minima induttanza Lcrit per la conduzione continua.
Vin = 24 VVo = −36 Vf = 250 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 1 Ω) funziona a 120 V. A pieno carico assorbe 5 A. Trascurando la corrente a vuoto, trova la sua regolazione di velocità SR = (n₀ − nFL)/nFL in percentuale.
V = 120 Vk = 0,5 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 5 A
SR = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) con un’alimentazione fissa da 24 V aziona un carico di 1,8 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 300 rpm.
Un carico induttivo assorbe 9,5 A e 1748 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 = 9,5 AP = 1748 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 230 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 10 + j30 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.
Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j30 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 100 A da una rete con una tensione concatenata di 415 V. Il fattore di potenza è 0,8 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 415 VIL = 100 Acos φ = 0,8
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,78 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 = 300 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔIL = 0,42 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 = 1 − 9/30 = 0,7
Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura
Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.
VL = 9 V
Corrente di ondulazione
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,7/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,42 A
Risposta
ΔIL = 0,42 A
2.Convertitori DC-DC
Risposta: Lcrit = 6,4 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 = 36/(24 + 36) = 0,6
Condizione al limite
Poni la corrente media nell’induttore uguale a metà della corrente di ondulazione e ricava L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Induttanza critica
Lcrit = (1 − 0,6)²·20/(2250·10³) = 6,4 µH
Risposta
Lcrit = 6,4 µH
3.Motori in corrente continua
Risposta: SR = 4,348 %
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 = 60·120/(2π·0,5) = 2292 rpm
nFL = 60·(120 − 5·1)/(2π·0,5) = 2196 rpm
Regolazione di velocità
SR = (2292 − 2196)/2196·100 = 4,348 %
Risposta
SR = 4,348 %
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rs = 2,029 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 = 1,8/0,3 = 6 A
E = 0,3·31,42 = 9,425 V
Resistenza in serie
Ra + Rs = (24 − 9,425)/6 = 2,429 Ω
Rs = 2,029 Ω
Risposta
Rs = 2,029 Ω
Il resistore dissipa 73,05 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: R = 19,37 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 = 1748/9,5² = 19,37 Ω
Risposta
R = 19,37 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Pmax = 1323 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* = 10 − j30 Ω
Potenza massima
I = Vs/(2Rs) = 230/20 = 11,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·10) = 1323 W
Risposta
Pmax = 1323 W
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 57,5 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 = √3·415·100 = 71,88 kVA
Potenza attiva
P = S·cos φ = 71,88·0,8 = 57,5 kW
Risposta
P = 57,5 kW
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 1107 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 = 300·tan(acos 0,78) = 300·0,8023 = 240,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 179,8 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.