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
+−12 VLSCR = 25 Ω+−30 V

Un convertitore boost ideale trasforma 12 V in 30 V su un carico da 25 Ω. Trova la corrente media nell’induttore IL.

Vin​ = 12 VVo​ = 30 VR = 25 Ω
IL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VLSC = 47 µFR = 25 Ω+−80 V

Un convertitore boost ideale trasforma 24 V in 80 V su un carico da 25 Ω a 250 kHz. Il condensatore di uscita è 47 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = 80 Vf = 250 kHzC = 47 µFR = 25 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 0,75 kW di potenza meccanica a 1800 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 0,75 kWn = 1800 rpm
T = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 300 rpmT = 7,2 N·m

Un motore in corrente continua (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) con un’alimentazione fissa da 110 V aziona un carico di 7,2 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 300 rpm.

V = 110 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 7,2 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VZ3 + j4 ΩI

Un carico con impedenza Z = 3 + j4 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

V = 120 VZ = 3 + j4 Ω
Q = var
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la capacità C necessaria.

P = 20 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 93%cos φ = 0,85

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 55 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,85 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 55 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 690 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 60 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 stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: IL = 3 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 − 12/30 = 0,6

Corrente nel carico

Io = 30/25 = 1,2 A

Corrente nell’induttore

IL = Io/(1 − D) = 1,2/0,4 = 3 A

Risposta

IL = 3 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 190,6 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 = 1 − 24/80 = 0,7

Corrente nel carico

Io = 80/25 = 3,2 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 3,2·0,7/(250·10³·47·10⁻⁶) = 190,6 mV

Risposta

ΔVo = 190,6 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: T = 3,979 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·1800/60 = 188,5 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 750/188,5 = 3,979 N·m

Risposta

T = 3,979 N·m
4.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 7,096 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 = 7,2/0,6 = 12 A
E = 0,6·31,42 = 18,85 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (110 − 18,85)/12 = 7,596 Ω
Rs = 7,096 Ω

Risposta

Rs = 7,096 Ω

Il resistore dissipa 1022 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 2304 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| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 120/5 = 24 A

Potenza reattiva

Q = I²·X = 24²·4 = 2304 var

Risposta

Q = 2304 var
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 658,2 µF

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 = P·tan φ1 = 20·tan(36,87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11,48°) = 4,061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,94 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 10939/(2π·50·230²) = 658,2 µF

Risposta

C = 658,2 µF
7.Sistemi trifase

Risposta: IL = 58,22 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 = 55/0,93 = 59,14 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59140/(√3·690·0,85) = 58,22 A

Risposta

IL = 58,22 A
8.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 906,8 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 = 100·tan(acos 0,8) = 100·0,75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 54,69 kvar

Capacità per fase

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18231/(377·230,9²) = 906,8 µF

Risposta

Cph = 906,8 µF

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