HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: 19. mai 2015 Varighet/eksamenstid: 9:00 14:00 Emnekode: TELE2006-A 15V Emnenavn: Klasse(r): Elektriske Maskiner ELK 13H Studiepoeng: 10 FEN 13H Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Pål Glimen, Kontaktperson(adm.) (fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) Vedlegg består av: (antall sider) Kalkulator av type C 9 oppgaver, pluss et formelark. Totalt 12 sider. Ingen Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av de studentene som sitter tiden ut. (Den vil bli lagt ut på It s learning, sammen med løsningsforslag). Hver deloppgave vil bli vektet etter vansklighetsgrad og arbeidsmengde. NB! Les gjennom hele oppgavesettet før du begynner arbeidet, og disponer tiden. Dersom noe virker uklart i oppgavsettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Lykke til!

2 INNHOLDSFORTEGNELSE Oppgave 1 Kort og enkelt... 3 Oppgave 2 - Likestrømsmaskiner... 4 Oppgave 3 Trefasekoblinger... 5 Oppgave 4 Transformator... 6 Oppgave 5 Transformator... 7 Oppgave 6 Asynkronmotor... 8 Oppgave 7 Asynkronmotor... 9 Oppgave 8 Synkrongenerator Oppgave 9 Enfasemaskiner Formelark

3 Oppgave 1 Kort og enkelt a) En motstand (R) har verdi 2,7 kω. Regn ut motstandens per unit-verdi når basespenningen (EB) er V og baseeffekten (PB) er 230 kw. Motstanden er tilkoblet en enfase kurs. b) Et elektrisk oppvarmet sementgulv med overflatetemperatur lik 25 C overfører varme til omgivelsene (luft) som har temperatur lik 23 C. Gulvet har areal lik 2000 m 2 og tykkelse lik 5 cm. Gulvets termiske konduktivitet er og strålingskonstanten er varme i kw som overføres. Regn ut hvor mye c) En trefase asynkronmotor har merkeskiltverdi på 2,2 kw, 400V. Den oppgitte nominelle virkningsgraden er 91% og den nominelle effektfaktoren er 0,81. Regn ut tapene til motoren og strømmen den trekker fra nettet. d) Tre motstander er koblet i stjernekobling (Y). Regn ut fasespenningen (ELN) og fasestrømmen (ILN) når linjespenningen er 400V og motstandene er 10 Ω. Hvor mye effekt trekkes totalt fra nettet, og hva vil det koste pr døgn å ha denne lasten liggende konstant inne, dersom strømpris inkl nettleie er 0,80 kr/kwh? 3

4 Oppgave 2 - Likestrømsmaskiner a) Hvilke tre hovedtyper (hovedvarianter) av likestrømsmaskiner har vi? Hva skiller først og fremst disse tre typene fra hverandre? (kun kort svar) b) En 200 kw shuntkoblet likestrømsmotor har nominell magnetiseringsstrøm Ix, (feltstrøm) lik 5 A og en intern resistans i feltviklingen på 90 Ω. Regn ut den ohmske verdien til den variable motstanden (Rf) slik at magnetiseringsstrømmen blir 4,5 A, når motoren er koblet til en 500V spenningskilde. Ankermotstanden Ra er neglisjert i denne oppgaven. c) Hva tror du skjer med turtallet når feltstrømmen synker fra 5 A til 4,5 A. (Begrunn kort uten å regne på turtall.) Figuren under viser metningskurven til en fremmedmagnetisert (separately excited) likestrømsgenerator som kjører uten last med turtall lik 1500 o/min. d) Regn ut magnetiseringsstrømmen, IX, som trengs for å generere E0 = 240 V ved 4

5 Oppgave 3 Trefasekoblinger Tre resistive motstander på hver 20 Ω er koblet i trekant. Linjespenningen er 416 V. a) Regn ut den aktive effekten motstandene totalt trekker fra nettet. b) Sikring F3 brenner opp og bryter dermed T-fasen. Regn ut den aktive effekten som motstandene totalt trekker fra nettet i dette tilfellet. Et industrianlegg trekker 660 kva fra en linje med linjespenning lik 2 kv med effektfaktor lik 0.8 (lagging). Anlegget er koblet i stjernekobling, se figur: c) Regn ut verdien til resistansen R, og reaktansen X. (begge i ohm). 5

6 Oppgave 4 Transformator a) Finn koblingsgruppe (med koblingssiffer) for trafoen på de to figurene under. Begge figurene viser det samme, men fremstilt på to ulike måter. Tegn også vektordiagram for spenningene på primær og sekundærsiden. b) Hva brukes en strømtransformator til og hvorfor er det farlig å bryte sekundærsiden? (forklar kort) c) Hva er en autotransformator? Beskriv kort én fordel og én ulempe med denne transformatoren. d) Figuren under viser en 400V/230V trafo som er koblet til et 400V nett (enfase). Hva blir spenningen mellom terminalene H2 og X2 hvis terminalene H1 og X1 blir koblet sammen? 6

7 Oppgave 5 Transformator Tre enfase transformatorer med merkeverdier 250 kva, 24 kv/6 kv, 50 Hz, er koblet sammen. a) Transformatorene skal transformere opp spenningen fra en trefaset 6 kv linje til en trefaset 24 kv linje. 50Hz. Hvordan skal de kobles? (primær-sekundær: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ eller Y-Y?). Tegn figur. Lasten ut fra 24 kv-siden trekker 800 kva. (Fikk du ikke til a) så går du videre med Δ-Δ-kobling.) b) Regn ut linjestrømmen på hver side av trafoene. c) Regn ut strømmen i primær- og sekundær viklingene. 7

8 Oppgave 6 Asynkronmotor a) Når ønsker man å bruke en sleperingsmotor (Wound-rotor motor) i stedet for en kortslutningsmotor (Squirrel-cage motor) (Svar kort). b) Tegn en typisk moment-turtallskurve for en asynkronmaskin. Skriv på figuren hvilket område den kjører som generator, brems og motor. c) Skriv på figuren du tegnet i b) hvor kippmomentet (breakdown torque), startmomentet (locked-rotor torque) og det synkrone turtallet (synchronous speed) ligger. d) Nevn to metoder for hurtig å bremse en asynkronmotor som er i drift. (Kun kort svar, uten figur.) e) Vil en trefaset asynkronmotor fortsette å rotere hvis en av fasene detter ut under drift? Vil man kunne starte opp motoren i denne situasjonen? 8

9 Oppgave 7 Asynkronmotor Når en stor trefase, 4.7 kv, 50 Hz kortslutningsmotor (squirrel-cage motor) kjører med full last (merkedrift) blir følgende verdier målt: Strømmen trekt fra linjen: 350 A Effekten trekt fra linjen: 2500 kw Turtall til rotor = 591,1 o/min Stator er koblet i stjerne (Y) og resistansen mellom to statorklemmer er 0,10 Ω. Det totale jerntapet (Pf) er 23.4 kw og vind- og friksjonstapet (Pv) er 12 kw. a) Hvilken cos φ (PF) går denne maskinen på i dette tilfellet? b) Tegn en enkel skisse av motoren med alle tapene i den. c) Regn ut effekten overført til rotor (Pr). d) Regn ut det totale kobbertapet (Pjr) i rotor. e) Regn ut den mekaniske effekten (Pm) og virkningsgraden til motoren. 9

10 Oppgave 8 Synkrongenerator a) Hvordan regulerer man hvor mye aktiv effekt (P) og reaktiv effekt (Q) man ønsker å produsere og levere på stivt nett (infinite bus)? (Svar kort)? b) Hva er kriteriene for å kunne koble en synkrongenerator til et nett? c) Tegn ekvivalentskjemaet for en av fasene på en stjernekobla trefase synkrongenerator. En stjernekoblet trefase synkrongenerator med merkeverdier 250 MVA, 25 kv, har en synkronreaktans (Xs) på 1,6 per unit og en transient synkronreaktans (X d) på 0,23 per unit. Anta at generatoren leverer full merkeeffekt (altså merkeverdi) ut på nettet med PF lik 100% (cos φ = 1,0). d) Regn ut den induserte spenningen (E0). OBS! Kun volt-verdien (dvs absolutt verdien (lengden) til vektoren for E0. Du trenger altså ikke regne ut fasevinkel). Det oppstår en kortslutning på linjen nær generatoren. e) Regn ut strømmen i kortslutningsøyeblikket. f) Finn kortslutningsstrømmen som vil stabilisere seg etter litt tid (noen sekunder), dersom kortslutningen blir liggende på (dvs at effektbryter ikke går ut som den burde), og magnetiseringen (Ix) holdes på samme nivå (konstant). g) Kan du tenke deg hvorfor det viktig at man får opplysning om at kortslutningen skjer nær generatoren før man gjør disse beregningene? 10

11 Oppgave 9 Enfasemaskiner a) Hvilken enfasemotor er det som har typisk momentkurve lik kurven under? Forklar kort oppbygging og anvendelsesområde. b) Hvorfor vibrerer en enfaset asynkronmaskin mer enn en trefaset asynkronmaskin? c) Hvilke motorer passer best til arbeidsoppgavene under? - Bånd og platespiller - Elektrisk drill. - Stillegående vifte til sykehus med merkeverdi 200W. 11

12 Formelark Varmeoverføring med radiasjon/stråling, konveksjon og ledning:, der DC maskin: Asynkron: Generelt: 12