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-boost invertente ideale trasforma 48 V in −32 V a 200 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 48 VVo​ = −32 Vf = 200 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VSLC = 22 µFR = 8 Ω−+−72 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −72 V su un carico da 8 Ω a 40 kHz. Il condensatore di uscita è 22 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = −72 Vf = 40 kHzC = 22 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−110 VRa​ = 0,2 ΩIa​ = 50 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 50 A da un’alimentazione da 110 V. La sua resistenza d’indotto è 0,2 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 400 W. Trova il suo rendimento η.

V = 110 VIa = 50 ARa = 0,2 ΩProt = 400 W
η = %
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VD = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 400 rpmT = 1,5 N·m

Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) da un bus in continua da 240 V. La tensione media d’indotto è D·240 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 400 rpm con un carico di 1,5 N·m.

Vdc = 240 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 1,5 N·mn = 400 rpm
D = %
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VR + jXP = 2592 W18 A

Un carico induttivo assorbe 18 A e 2592 W da un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.

V = 240 VI = 18 AP = 2592 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico20 kW, 0,7C470 µFI

Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore da 470 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 20 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M22 kW, η = 94%cos φ = 0,8

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 22 kW. A questo carico il suo rendimento è del 94% e il suo fattore di potenza è 0,8 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 22 kWη = 94%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

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

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 0,4364 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 = 32/(48 + 32) = 0,4

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova direttamente ai capi di Vin.

VL = 48 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,4/(220·10⁻⁶·200·10³) = 0,4364 A

Risposta

ΔIL = 0,4364 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 7670 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/(24 + 72) = 0,75

Corrente nel carico

Io = 72/8 = 9 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 9·0,75/(40·10³·22·10⁻⁶) = 7670 mV

Risposta

ΔVo = 7670 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: η = 83,64 %

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 = 110·50 = 5500 W
Pdev = 100·50 = 5000 W
Pout = 5000 − 400 = 4600 W

Rendimento

η = 4600/5500·100 = 83,64 %

Risposta

η = 83,64 %
4.Motori in corrente continua

Risposta: D = 3,66 %

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.

Tensione d’indotto richiesta

Va = 0,15·41,89 + 10·0,25 = 8,783 V

Rapporto di lavoro

D = 8,783/240 = 3,66 %

Risposta

D = 3,66 %
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: R = 8 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 = 2592/18² = 8 Ω

Risposta

R = 8 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8756

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 = 20·tan(arccos 0,7) = 20,4 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9,373 kvar
Q2 = 20,4 − 9,373 = 11,03 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(20² + 11,03²) = 22,84 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 20/22,84 = 0,8756

Risposta

cos φ = 0,8756
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 35,19 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 22/0,94 = 23,4 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23404/(√3·480·0,8) = 35,19 A

Risposta

IL = 35,19 A
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 235,1 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 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 38,16 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) = 12718/(314,2·415²) = 235,1 µF

Risposta

Cph = 235,1 µF

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