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 ideale trasforma 15 V in 7,5 V a 20 kHz con L = 220 µH. Trova la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore ΔIL.

Vin​ = 15 VVo​ = 7,5 Vf = 20 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.Convertitori DC-DCDifficile
+−24 VSLC = 22 µFR = 50 Ω−+−24 V

Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −24 V su un carico da 50 Ω a 500 kHz. Il condensatore di uscita è 22 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.

Vin​ = 24 VVo​ = −24 Vf = 500 kHzC = 22 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Un motore in corrente continua con k = 0,8 V·s/rad funziona a 240 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.

V = 240 Vk = 0,8 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
+−48 VRa​ = 2,5 ΩM+−EωT

Un piccolo motore in corrente continua ha una resistenza d’indotto di 2,5 Ω e funziona a 48 V. Trascurando le perdite rotazionali, trova la massima potenza meccanica Pmax che può sviluppare a qualsiasi velocità.

V = 48 VRa = 2,5 Ω
Pmax = W
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 V129 kW, 0,7222 kW, 1I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 230 V: un carico da 29 kW con fattore di potenza 0,7 induttivo e una stufa elettrica da 22 kW (fattore di potenza unitario). Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 230 VP1 = 29 kW, pf1 = 0,7 in ritardoP2 = 22 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
400 V60 Hzcarico26 kW, 0,8C68 µFI

Un carico monofase assorbe 26 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore da 68 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 26 kWpf1 = 0,8V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
7.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 120 Acos φ = 0,9in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 120 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 690 VIL = 120 Acos φ = 0,9
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 80 kW con un fattore di potenza di 0,65 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 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Soluzioni

1.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔIL = 0,8523 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 = 7,5/15 = 0,5

Tensione sull’induttore durante il tempo di chiusura

Mentre S è chiuso, l’induttore si trova tra Vin e Vo.

VL = 15 − 7,5 = 7,5 V

Corrente di ondulazione

ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(220·10⁻⁶·20·10³) = 0,8523 A

Risposta

ΔIL = 0,8523 A
2.Convertitori DC-DC

Risposta: ΔVo = 21,82 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/(24 + 24) = 0,5

Corrente nel carico

Io = 24/50 = 0,48 A

Ondulazione in uscita

ΔVo = 0,48·0,5/(500·10³·22·10⁻⁶) = 21,82 mV

Risposta

ΔVo = 21,82 mV
3.Motori in corrente continua

Risposta: n0 = 2865 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 = 240/0,8 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm

Risposta

n0 = 2865 rpm
4.Motori in corrente continua

Risposta: Pmax = 230,4 W

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.

Potenza in funzione della f.c.e.m.

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Potenza massima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·2,5) = 230,4 W

Risposta

Pmax = 230,4 W

In questo punto il rendimento è solo del 50 %, quindi i motori reali funzionano ben oltre metà velocità.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 256,3 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 = 29·tan(arccos 0,7) = 29,59 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 29 + 22 = 51 kW
Q = 29,59 + 0 = 29,59 kvar
S = √(51² + 29,59²) = 58,96 kVA

Corrente totale

I = S/V = 58960/230 = 256,3 A

Risposta

I = 256,3 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8604

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 = 26·tan(arccos 0,8) = 19,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4,102 kvar
Q2 = 19,5 − 4,102 = 15,4 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(26² + 15,4²) = 30,22 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 26/30,22 = 0,8604

Risposta

cos φ = 0,8604
7.Sistemi trifase

Risposta: P = 129,1 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 = √3·690·120 = 143,4 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 143,4·0,9 = 129,1 kW

Risposta

P = 129,1 kW
8.Sistemi trifase

Risposta: QC = 59,45 kvar

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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 59,45 kvar

Risposta

QC = 59,45 kvar

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