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
+−24 VLSCR = 2 Ω+−96 V

Un convertitore boost ideale trasforma 24 V in 96 V su un carico da 2 Ω. Trova la corrente media nell’induttore IL.

Vin​ = 24 VVo​ = 96 VR = 2 Ω
IL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VSLC = 22 µFR = 8 Ω−+−36 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −36 V su un carico da 8 Ω a 50 kHz. Il condensatore di uscita è 22 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = −36 Vf = 50 kHzC = 22 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Un motore in corrente continua con k = 0,75 V·s/rad funziona a 110 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.

V = 110 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 1200 rpmT = 8 N·m

Un motore in corrente continua (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) con un’alimentazione fissa da 110 V aziona un carico di 8 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 1200 rpm.

V = 110 Vk = 0,4 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 8 N·mn = 1200 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VZ6 + j8 ΩI

Un carico con impedenza Z = 6 + j8 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
Q = var
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V60 Hzcarico25 kW, 0,6C330 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore da 330 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 25 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
I = A
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = 75 Acos φ = 0,95in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 75 A da una rete con una tensione concatenata di 415 V. Il fattore di potenza è 0,95 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VIL = 75 Acos φ = 0,95
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,8 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 = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: IL = 192 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 − 24/96 = 0,75

Corrente nel carico

Io = 96/2 = 48 A

Corrente nell’induttore

IL = Io/(1 − D) = 48/0,25 = 192 A

Risposta

IL = 192 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 2455 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/(24 + 36) = 0,6

Corrente nel carico

Io = 36/8 = 4,5 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 4,5·0,6/(50·10³·22·10⁻⁶) = 2455 mV

Risposta

ΔVo = 2455 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: n0 = 1401 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.

Velocità a vuoto

ω₀ = V/k = 110/0,75 = 146,7 rad/s
n0 = 60·146,7/(2π) = 1401 rpm

Risposta

n0 = 1401 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 2,737 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 = 8/0,4 = 20 A
E = 0,4·125,7 = 50,27 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (110 − 50,27)/20 = 2,987 Ω
Rs = 2,737 Ω

Risposta

Rs = 2,737 Ω

Il resistore dissipa 1095 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 1152 var

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

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

Potenza reattiva

Q = I²·X = 12²·8 = 1152 var

Risposta

Q = 1152 var
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 150,8 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.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = 25·tan(arccos 0,6) = 33,33 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7,166 kvar
Q2 = 33,33 − 7,166 = 26,17 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(25² + 26,17²) = 36,19 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 36190/240 = 150,8 A

Risposta

I = 150,8 A
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 51,21 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 = √3·415·75 = 53,91 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 53,91·0,95 = 51,21 kW

Risposta

P = 51,21 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 673,9 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 = 200·tan(acos 0,8) = 200·0,75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 109,4 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) = 36463/(314,2·415²) = 673,9 µF

Risposta

Cph = 673,9 µF

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