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​ΔI = ?DTT2T

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
tiL​Imax​IL​DTT2T

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
T (N·m)n (rpm)2,5 N·mn0​nFL​

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
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 300 rpmT = 1,8 N·m

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.

V = 24 Vk = 0,3 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 1,8 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VR + jXP = 1748 W9,5 A

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
230 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

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
ABCVL​ = 415 VIL​ = 100 Acos φ = 0,8in ritardo

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
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

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.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 59922/(314,2·415²) = 1107 µF

Risposta

Cph = 1107 µF

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