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 buck ideale trasforma 36 V in 14,4 V a 20 kHz con L = 330 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 36 VVo​ = 14,4 Vf = 20 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−36 VSL = 330 µHC = ?R+−21,6 V

Un convertitore buck trasforma 36 V in 21,6 V a 40 kHz con L = 330 µH. Trova la capacità di uscita C che limita a 50 mV l’ondulazione picco-picco in uscita.

Vin​ = 36 VVo​ = 21,6 Vf = 40 kHzL = 330 µHΔVo = 50 mV
C = µF
3.Motori in corrente continuaMedia
+−220 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 50 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 50 A da un’alimentazione da 220 V. La sua resistenza d’indotto è 0,25 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 519 W. Trova il suo rendimento η.

V = 220 VIa = 50 ARa = 0,25 ΩProt = 519 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 16 N·m

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente (k = 0,8 V·s/rad a campo pieno, Ra = 1 Ω, V = 240 V) aziona una coppia resistente costante di 16 N·m. Il flusso di campo è ridotto al 85 % del valore pieno. Trova la nuova velocità n.

V = 240 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1 ΩT = 16 N·mΦ = 85 %
n = rpm
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 18 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 18 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 18 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico6 kW, 0,7C100 µFI

Un carico monofase assorbe 6 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 = 6 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,75in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 20 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,75 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,75
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 120 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 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 1,309 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 = 14,4/36 = 0,4

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.

VL = 36 − 14,4 = 21,6 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(330·10⁻⁶·20·10³) = 1,309 A

Risposta

ΔIL = 1,309 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: C = 40,91 µF

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 = 21,6/36 = 0,6

Corrente di ondulazione nell’induttore

ΔIL = (36 − 21,6)·0,6/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0,6545 A

Capacità

C = 0,6545/(8·40·10³·50·10⁻³) = 40,91 µF

Risposta

C = 40,91 µF
3.Motori in corrente continua

Risposta: η = 89,6 %

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 = 220·50 = 11000 W
Pdev = 207,5·50 = 10375 W
Pout = 10375 − 519 = 9856 W

Rendimento

η = 9856/11000·100 = 89,6 %

Risposta

η = 89,6 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: n = 3040 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.

Costante del motore indebolita

k₂ = 0,85·0,8 = 0,68 V·s/rad

Nuova corrente d’indotto

Ia = 16/0,68 = 23,53 A

Nuova velocità

ω = (240 − 23,53·1)/0,68 = 318,3 rad/s → n = 3040 rpm

Risposta

n = 3040 rpm

L’indebolimento di campo è il modo in cui un azionamento in corrente continua funziona oltre la velocità base.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 21,04 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 18·1,169 = 21,04 kvar

Risposta

Q = 21,04 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8239

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 = 6·tan(arccos 0,7) = 6,121 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·100·10⁻⁶ = 1994 var = 1,994 kvar
Q2 = 6,121 − 1,994 = 4,127 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(6² + 4,127²) = 7,282 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 6/7,282 = 0,8239

Risposta

cos φ = 0,8239
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 10,39 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 = √3·400·20 = 13,86 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 13,86·0,75 = 10,39 kW

Risposta

P = 10,39 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 319 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 47,71 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15904/(314,2·398,4²) = 319 µF

Risposta

Cph = 319 µF

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