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 12 V in 8,4 V a una frequenza di commutazione di 250 kHz. Trova l’induttanza L che mantiene a 0,6 A la corrente di ondulazione picco-picco nell’induttore.
Vin = 12 VVo = 8,4 Vf = 250 kHzΔIL = 0,6 A
L = µH
2.Convertitori DC-DCDifficile
Un convertitore buck-boost ideale trasforma 24 V in −8 V su un carico da 25 Ω a 20 kHz. Il condensatore di uscita è 22 µF. Trova l’ondulazione picco-picco della tensione di uscita ΔVo in mV.
Vin = 24 VVo = −8 Vf = 20 kHzC = 22 µFR = 25 Ω
ΔVo = mV
3.Motori in corrente continuaMedia
Un motore in corrente continua (k = 0,75 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) funziona a 120 V e aziona una coppia resistente di 22,5 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.
V = 120 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 22,5 N·m
n = rpm
4.Motori in corrente continuaDifficile
Un piccolo motore in corrente continua ha una resistenza d’indotto di 2 Ω e funziona a 120 V. Trascurando le perdite rotazionali, trova la massima potenza meccanica Pmax che può sviluppare a qualsiasi velocità.
V = 120 VRa = 2 Ω
Pmax = W
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
Un motore monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.
P = 5 kWpf = 0,7V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
Un trasformatore monofase da 100 kVA alimenta un carico di 54 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo. Quanta potenza attiva in più ΔP si può aggiungere come carico resistivo (fattore di potenza unitario) prima che il trasformatore raggiunga la sua potenza nominale in kVA?
Smax = 100 kVAP1 = 54 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Sistemi trifaseMedia
Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 16 + j12 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 208 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.
VL = 208 VZ = 16 + j12 Ω per fase
P = kW
8.Sistemi trifaseDifficile
Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Soluzioni
1.Convertitori DC-DC
Risposta: L = 16,8 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 = 8,4/12 = 0,7
Induttanza
L = 3,6·0,7/(0,6·250·10³) = 16,8 µH
Risposta
L = 16,8 µH
2.Convertitori DC-DC
Risposta: ΔVo = 181,8 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 = 8/(24 + 8) = 0,25
Corrente nel carico
Io = 8/25 = 0,32 A
Ondulazione in uscita
ΔVo = 0,32·0,25/(20·10³·22·10⁻⁶) = 181,8 mV
Risposta
ΔVo = 181,8 mV
3.Motori in corrente continua
Risposta: n = 1337 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.
Corrente d’indotto
Ia = T/k = 22,5/0,75 = 30 A
F.c.e.m. e velocità
E = 120 − 30·0,5 = 105 V
ω = E/k = 140 rad/s → n = 1337 rpm
Risposta
n = 1337 rpm
4.Motori in corrente continua
Risposta: Pmax = 1800 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 = 60 V
Potenza massima
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·2) = 1800 W
Risposta
Pmax = 1800 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 = 29,76 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.
Corrente di linea
Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.
I = P/(V·cos φ) = 5000/(240·0,7) = 29,76 A
Risposta
I = 29,76 A
6.Potenza AC e fattore di potenza
Risposta: ΔP = 37,43 kW
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 del carico esistente
Q1 = 54·tan(arccos 0,8) = 40,5 kvar
Massima potenza attiva totale
Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 40,5²) = 91,43 kW
Potenza attiva aggiuntiva
ΔP = 91,43 − 54 = 37,43 kW
Risposta
ΔP = 37,43 kW
7.Sistemi trifase
Risposta: P = 5,192 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 = 208 V
Corrente di fase
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 208/20 = 10,4 A
Potenza attiva totale
Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.
P = 3·Iph²·R = 3·10,4²·16 = 5,192 kW
Risposta
P = 5,192 kW
Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.
8.Sistemi trifase
Risposta: QC = 51,86 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.