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​Io​DTT2T

Un convertitore buck trasforma 36 V in 14,4 V su un carico da 25 Ω. Commuta a 500 kHz con L = 330 µH. Trova la corrente di picco nell’induttore Imax.

Vin​ = 36 VVo​ = 14,4 Vf = 500 kHzL = 330 µHR = 25 Ω
Imax = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−12 VSLC = 10 µFR = 10 Ω−+−28 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 12 V in −28 V su un carico da 10 Ω a 100 kHz. Il condensatore di uscita è 10 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 12 VVo​ = −28 Vf = 100 kHzC = 10 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 2900 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 4 kW di potenza meccanica a 2900 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 4 kWn = 2900 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
T (N·m)n (rpm)3,2 N·m300 rpm

Un motore in corrente continua con k = 0,4 V·s/rad e Ra = 1,5 Ω deve azionare un carico di 3,2 N·m a 300 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.

k = 0,4 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 3,2 N·mn = 300 rpm
V = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
400 V12 kW, 0,65216 kW, 1I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 2 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e una stufa elettrica da 16 kW (fattore di potenza unitario). Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 400 VP1 = 2 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 16 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V60 Hzcarico9 kW, 0,65C330 µFI

Un carico monofase assorbe 9 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore da 330 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 9 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VZ = 15 + j20 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 15 + j20 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 400 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VZ = 15 + j20 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: Imax = 0,6022 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

Corrente media e di ondulazione

Io = 14,4/25 = 0,576 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(330·10⁻⁶·500·10³) = 0,05236 A

Corrente di picco

Imax = 0,576 + 0,05236/2 = 0,6022 A

Risposta

Imax = 0,6022 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 1960 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 = 28/(12 + 28) = 0,7

Corrente nel carico

Io = 28/10 = 2,8 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 2,8·0,7/(100·10³·10·10⁻⁶) = 1960 mV

Risposta

ΔVo = 1960 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 13,17 N·m

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 in rad/s

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Risposta

T = 13,17 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: V = 24,57 V

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.

F.c.e.m.

E = 0,4·31,42 = 12,57 V

Corrente d’indotto

Ia = 3,2/0,4 = 8 A

Tensione d’indotto

V = 12,57 + 8·1,5 = 24,57 V

Risposta

V = 24,57 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 45,38 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 di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 2·tan(arccos 0,65) = 2,338 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 2 + 16 = 18 kW
Q = 2,338 + 0 = 2,338 kvar
S = √(18² + 2,338²) = 18,15 kVA

Corrente totale

I = S/V = 18151/400 = 45,38 A

Risposta

I = 45,38 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,937

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 = 9·tan(arccos 0,65) = 10,52 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7,166 kvar
Q2 = 10,52 − 7,166 = 3,356 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(9² + 3,356²) = 9,605 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 9/9,605 = 0,937

Risposta

cos φ = 0,937
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 11,52 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.

Tensione di fase

Vph = VL = 400 V

Corrente di fase

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·16²·15 = 11,52 kW

Risposta

P = 11,52 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 577,9 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 103,7 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 34576/(377·398,4²) = 577,9 µF

Risposta

Cph = 577,9 µF

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