Individua il convertitore (buck, boost o buck-boost) e il rapporto di lavoro D dal rapporto delle tensioni.
Usa il bilancio volt-secondo sull’induttore: la tensione media sull’induttore in un periodo è zero.
Trova la tensione sull’induttore mentre l’interruttore è chiuso, poi ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Disegna il circuito d’indotto: alimentazione V, resistenza Ra e f.c.e.m. E in serie.
Usa V = E + Ia·Ra per collegare tensione, corrente e f.c.e.m.
Usa E = k·ω per la velocità e T = k·Ia per la coppia, con ω = 2π·n/60.
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
Un convertitore buck ideale trasforma 36 V in 21,6 V a una frequenza di commutazione di 250 kHz. Trova l’induttanza L che mantiene a 0,2 A la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore.
Vin = 36 VVo = 21,6 Vf = 250 kHzΔIL = 0,2 A
L = µH
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck-boost ideale trasforma 36 V in −24 V su un carico da 25 Ω a 100 kHz. Il condensatore di uscita è 10 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Un motore in corrente continua con k = 0,4 N·m/A e Ra = 0,4 Ω è collegato a 120 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.
V = 120 Vk = 0,4 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) con un’alimentazione fissa da 120 V aziona un carico di 7,2 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 750 rpm.
Un carico con impedenza Z = 6 + j8 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.
V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
S = VA
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un generatore da 24 V (efficaci), 1000 Hz ha un’impedenza interna Zs = 5 + j10 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.
Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 5 + j10 Ω
Pmax = W
7.Sistemi trifaseMedia
Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 18,5 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,84 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.
Pout = 18,5 kWη = 93%cos φ = 0,84VL = 415 V
IL = A
8.Sistemi trifaseDifficile
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 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 triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.
P = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: L = 172,8 µH
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
Induttanza
L = 14,4·0,6/(0,2·250·10³) = 172,8 µH
Risposta
L = 172,8 µH
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 384 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 = 24/(36 + 24) = 0,4
Corrente nel carico
Io = 24/25 = 0,96 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 0,96·0,4/(100·10³·10·10⁻⁶) = 384 mV
Risposta
ΔVo = 384 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: Tstall = 120 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.
Corrente di spunto
Ia = V/Ra = 120/0,4 = 300 A
Coppia di spunto
Tstall = 0,4·300 = 120 N·m
Risposta
Tstall = 120 N·m
4.Motori in corrente continua
Risposta: Rs = 3,292 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 = 7,2/1,2 = 6 A
E = 1,2·78,54 = 94,25 V
Resistenza in serie
Ra + Rs = (120 − 94,25)/6 = 4,292 Ω
Rs = 3,292 Ω
Risposta
Rs = 3,292 Ω
Il resistore dissipa 118,5 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.
5.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: S = 1440 VA
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 apparente
S = V·I = 120·12 = 1440 VA
Risposta
S = 1440 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: Pmax = 28,8 W
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.
Adattamento coniugato
La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.
ZL = Zs* = 5 − j10 Ω
Potenza massima
I = Vs/(2Rs) = 24/10 = 2,4 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·5) = 28,8 W
Risposta
Pmax = 28,8 W
7.Sistemi trifase
Risposta: IL = 32,95 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 = 18,5/0,93 = 19,89 kW
Corrente di linea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19892/(√3·415·0,84) = 32,95 A
Risposta
IL = 32,95 A
8.Sistemi trifase
Risposta: Cph = 432,6 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 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar
Potenza reattiva dei condensatori
QC = Q1 − Q2 = 84,26 kvar
Capacità per fase
In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.