Maszyny Elektryczne i Transformatory Wariant A
Transkrypt
Maszyny Elektryczne i Transformatory Wariant A
Maszyny Elektryczne i Transformatory Wariant A Kolokwium dodatkowe w sesji poprawkowej st. n. st. sem. III (zima) 2011/2012 Transformator Transformator trójfazowy ma następujące dane znamionowe: SN = 630 kVA fN = 50 Hz U1N/U2N = 15750 ± 2x2,5% / 400 V poł. – Dyn i0%N = 0,75 % P0N = 900 W uk%N = 6 % PkN = 6300 W Ponadto wiadomo, że: znamionowa liczba zwojów DN wynosi N2N = 23 zw., przekrój kolumny rdzenia wynosi A1 = 0,0284 m2 , współczynnik zapełnienia η1 = 0,96. Obliczyć: 1. znamionowy prąd fazowy i przewodowy strony GN, 2. całkowitą liczbę zwojów uzwojenia GN, 3. parametry zasilacza (napięcie, prąd) do wykonania znamionowej próby stanu jałowego, 4. napięcie po stronie DN transformatora pracującego jałowo, zasilanego po stronie GN na zaczepie „-5%” napięciem U1 = 15,0 kV o częstotliwości znamionowej, f = fN , 5. indukcję w kolumnie transformatora przy warunkach zasilania jak w punkcie 4. Maszyna Prądu Stałego Czterobiegunowy silnik bocznikowy prądu stałego ma następujące dane znamionowe: PN = 3,5 kW UN = 220 V nN = 1500 obr/min ηN = 0,87 Dana jest charakterystyka biegu jałowego E0 = f(If) zmierzona dla n = nN oraz charakterystyka wewnętrzna obciążenia Ea = f(If) dla n = nN oraz Ia = IaN . Rezystancji obwodu twornika wynosi ΣRa = 0,616 Ω a uzwojenia wzbudzenia RE1E2 = 280 Ω. Spadek napięcia na szczotkach wynosi 2∆utc = 2 V Obliczyć: 6. znamionowy prąd twornika IaN, 7. rezystancję rozrusznika, który spowoduje ograniczenie prądu twornika w pierwszej chwili rozruchu silnika do Iamax = 1,5·IaN , jeżeli napięcie zasilania U = UN = 220 V, a opór obwodu wzbudzenia Rf = RE1E2, 8. prędkość z jaką wiruje ten silnik zasilony napięciem U = 200 V i obciążony znamionowym prądem twornika Ia = IaN , jeżeli opór obwodu wzbudzenia jest znamionowy Rf = RfN. Przy pracy jako prądnica bocznikowa: 9. maksymalne napięcie jakie można uzyskać bez obciążenia, przy prędkości n = nN, 10. rezystancję krytyczną maszyny dla n = nN. Maszyna Asynchroniczna Trójfazowy, czterobiegunowy silnik indukcyjny ma następujące dane znamionowe: PN = 90 kW fN = 50 Hz UN = 400 V (∆) nN = 1480 obr/min cosφN = 0,93 mbN = 2,6 ηN = 93 % Obliczyć: 11. znamionowy prąd fazowy uzwojenia stojana, 12. znamionowy moment krytyczny i poślizg krytyczny, 13. znamionowy moment rozruchowy, 14. prędkość z jaką będzie wirował silnik obciążony momentem M = 0,75·MN. Przy zasilaniu napięciem U = UN o częstotliwości f = 2·fN: 15. współrzędne punktu krytycznego – moment, poślizg. Maszyny Elektryczne i Transformatory Wariant B Kolokwium dodatkowe w sesji poprawkowej st. n. st. sem. III (zima) 2011/2012 Transformator Transformator trójfazowy ma następujące dane znamionowe: SN = 630 kVA fN = 50 Hz U1N/U2N = 15750 ± 2x2,5% / 400 V poł. – Dyn i0%N = 0,75 % P0N = 900 W uk%N = 6 % PkN = 6300 W Ponadto wiadomo, że: znamionowa liczba zwojów DN wynosi N2N = 23 zw., przekrój kolumny rdzenia wynosi A1 = 0,0284 m2 , współczynnik zapełnienia η1 = 0,96. Obliczyć: 1. znamionowy prąd fazowy i przewodowy strony DN, 2. liczbę zwojów regulacyjnych, 3. parametry zasilacza (napięcie, prąd) do wykonania znamionowej próby zwarcia, 4. napięcie po stronie DN transformatora pracującego jałowo, zasilanego po stronie GN na zaczepie „-2,5%” napięciem U1 = 15,5 kV o częstotliwości znamionowej, f = fN , 5. indukcję w kolumnie transformatora przy warunkach zasilania jak w punkcie 4. Maszyna Prądu Stałego Czterobiegunowy silnik bocznikowy prądu stałego ma następujące dane znamionowe: PN = 3,5 kW UN = 220 V nN = 1500 obr/min ηN = 0,87 Dana jest charakterystyka biegu jałowego E0 = f(If) zmierzona dla n = nN oraz charakterystyka wewnętrzna obciążenia Ea = f(If) dla n = nN oraz Ia = IaN . Rezystancji obwodu twornika wynosi ΣRa = 0,616 Ω a uzwojenia wzbudzenia RE1E2 = 280 Ω. Spadek napięcia na szczotkach wynosi 2∆utc = 2 V Obliczyć: 6. znamionową rezystancję obwodu wzbudzenia RfN, 7. prąd pobierany z sieci w pierwszej chwili rozruchu, przy rezystancji rozrusznika RS = 7,5 Ω , jeżeli napięcie zasilania U = UN = 220 V, a opór obwodu wzbudzenia Rf = RE1E2, 8. prąd wzbudzenia niezbędny do uzyskania prędkości n = 1425 obr/min przy zasilaniu silnika napięciem U = 200 V i obciążeniu twornika prądem znamionowym Ia = IaN. Przy pracy jako prądnica bocznikowa: 9. prąd wzbudzenia przy prędkości n = nN , obciążeniu znamionowym prądem twornika Ia = IaN i napięciu na zaciskach U = 220 V, 10. prędkość krytyczną dla Rf = RE1E2. Maszyna Asynchroniczna Trójfazowy, czterobiegunowy silnik indukcyjny ma następujące dane znamionowe: PN = 90 kW fN = 50 Hz UN = 400 V (∆) nN = 1480 obr/min IN = 150,2 A mbN = 2,6 ηN = 93 % Obliczyć: 11. znamionowy współczynnik mocy silnika, 12. znamionowy moment maksymalny, 13. znamionową prędkość krytyczną, 14. moment obciążenia dla silnika wirującego z prędkością n = 1485 obr/min. Przy zasilaniu napięciem U = 0,5·UN o częstotliwości f = 0,5·fN: 15. współrzędne punktu krytycznego – moment, poślizg. Maszyna Prądu Stałego If E0 Ea A V V 0,1 60 0,2 120 0,3 165 160 0,4 199 192 0,5 222 214 0,6 239 230 0,7 251 240 0,8 259 248 0,9 265 253 0,9 269 257 300 250 E0 , Ea [V] 200 150 100 50 0 0 0,2 0,4 If [A] 0,6 0,8 1 Rozwiązania Wariant A Transformator 1. Znamionowy prąd przewodowy strony GN: I1N = SN 630 ⋅103 = = 23,09 A 3 ⋅ U1N 3 ⋅15750 połączenie ∆, więc: I1phN = 2. I1N SN SN 630 ⋅103 = = = = 13,33 A 3 3 ⋅ U1N 3 ⋅ U1phN 3 ⋅15750 Znamionowa liczba zwojów uzwojenia GN: N1N = N 2 N ⋅ U1phN U 2 phN = N2N ⋅ U1N 15750 ⋅ 3 = 23 ⋅ = 1569 zw. U2N 400 3 całkowita liczba zwojów uzwojenia GN: 2 ⋅ 2,5% N1tot . = N1N + 2 ⋅ N a = N1N ⋅ 1 + = N1N ⋅1,05 = 1569 ⋅1,05 = 1647 zw. 100% 3. Próbę stanu jałowego wykonuje się przy znamionowy napięciu, dlatego najlepiej zasilić transformator od strony DN: U 20 N = U 2 N = 400 V prąd pobierany przez transformator, bez obciążenia, od strony DN: I 20 N = I 2 N ⋅ 4. i 0% N SN i 630 ⋅103 0,75 = ⋅ 0% N = ⋅ = 6,820 A 100% 3 ⋅ U 2 N 100% 3 ⋅ 400 100 Przekładnia napięciowa przy zasilaniu na zaczepie „-5%”: 5% U1N ⋅ 1 − U1 100% = U2 U2N stąd: U2 = U2N ⋅ 5. U1 15000 = 400 ⋅ = 401,0 V U1N ⋅ 0,95 15750 ⋅ 0,95 Indukcja w kolumnie przy warunkach zasilania jak w punkcie 4: Bm = U1ph 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1 U1( ∆ ) = = U1 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1N ⋅ 0,95 5% 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1N ⋅ 1 − 100% 15000 Bm = = 1,663 T 4,44 ⋅ 0,0284 ⋅ 0,96 ⋅ 50 ⋅ 1569 ⋅ 0,95 lub: U 2(Y) Bm = U 2 ph U2 3 = 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N 3 ⋅ 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N 401 Bm = = 1,663 T 3 ⋅ 4,44 ⋅ 0,0284 ⋅ 0,96 ⋅ 50 ⋅ 23 = Maszyna Prądu Stałego 6. Znamionowy prąd silnika pobierany z sieci: IN = PN 3,5 ⋅103 = = 18,29 A U N ⋅ ηN 220 ⋅ 0,87 I iteracja I a = I N : E a = U N − Ia ⋅ ∑ R a − 2∆u tc = 220 − 18,29 ⋅ 0,616 − 2 = 206,7 V z charakterystyki Ea = f(If) dla Ea = 206,7 V odczytujemy: I f = 0,465 A II iteracja: IaN ≅ I N − If = 18,29 − 0,465 = 17,83 A E aN = U N − I aN ⋅ ∑ R a − 2∆u tc = 220 − 17,83 ⋅ 0,616 − 2 = 207,0 V po sprawdzeniu na charakterystyce, znamionowy prąd wzbudzenia: IfN = 0,465 A oraz znamionowy prąd twornika: IaN = I N − IfN = 18,29 + 0,465 = 17,83 A 7. Przy rozruchu n = 0 a więc i Ea = 0 , napięcie przyłożone do zacisków twornika zrównoważone jest tylko przez spadki napięć w obwodzie twornika: U N = 1,5 ⋅ I aN ⋅ (∑ R a + R s ) + 2∆u tc stąd: Rs = U N − 2∆u tc 220 − 2 − ∑ Ra = − 0,616 = 7,54 Ω 1,5 ⋅ I aN 1,5 ⋅17,83 Uwaga: wartość rezystancji obwodu wzbudzenia nie ma znaczenia. 8. prąd wzbudzenia: If = U U U ⋅ IfN 200 ⋅ 0,465 = = = = 0,423 A U R fN UN 220 N IfN z charakterystyki Ea = f(If) dla If = 0,423 A odczytujemy SEM przy prędkości nN : E a ( n N ) = 197 V SEM przy prędkości n : E a ( n ) = U − I aN ⋅ ∑ R a − 2∆u tc = 200 − 17,83 ⋅ 0,616 − 2 = 187,0 V stąd: n = nN ⋅ 9. Ea (n) Ea (nN ) = 1500 ⋅ 187 = 1424 obr./min 197 Maksymalne napięcie przy pracy jako prądnica bocznikowa uzyskamy przy minimalnej rezystancji obwodu wzbudzenia Rf = RE1E2 . Rozwiązanie graficzne: rysujemy prostą obrazującą spadek napięcia na rezystancji wzbudzenia Rf = RE1E2 = 280 Ω . Punkt przecięcia z charakterystyką E0 = f(If) (bez obciążenia) wypada przy wzbudzeniu: I f = 0,953 A i napięciu: U 0 = E 0 = If ⋅ R E1E 2 = 0,953 ⋅ 280 = 266.8 V 10. Z charakterystyki E0 = f(If) , dla n = nN , odczytujemy wartość SEM dla prądu wzbudzenia If = 0,1 A (początkowy, prostoliniowy odcinek charakterystyki): E 0( n N ) = 60 V stąd rezystancja krytyczna: R fcr ( n N ) = E0(nN ) If = 60 = 600 Ω 0,1 Maszyna Asynchroniczna (Indukcyjna) 11. Znamionowy prąd fazowy stojana - PN jest mocą mechaniczną na wale! Połączenie ∆, więc: I phN = 12. IN I SN 1 S PN 90 ⋅ 103 = N = ⋅ = N = = = 86,72 A 3 3 3 ⋅ U N 3 3 ⋅ U N 3 ⋅ U N ⋅ cos ϕ N ⋅ ηN 3 ⋅ 400 ⋅ 0,93 ⋅ 0,93 Moment znamionowy (przy prędkości podanej w obr/min): MN = PN ⋅ 60 90 ⋅103 ⋅ 60 = = 580,7 Nm 2⋅π⋅nN 2 ⋅ π ⋅1480 znamionowy moment krytyczny (maksymalny, utyku): M bN = m bN ⋅ M N = 2,6 ⋅ 580,7 = 1510 Nm Znamionowa prędkość synchroniczna (w obr/min): n sN = f ⋅ 60 50 ⋅ 60 = = 1500 obr/min p 2 bo liczba par biegunów p = 2 (liczba biegunów = 4). Poślizg znamionowy: sN = n sN − n N 1500 − 1480 = = 0,01333 n sN 1500 znamionowy poślizg krytyczny: ( ) 2 s bN = s N ⋅ m bN + m bN − 1 = 0,01333 ⋅ 2,6 + 2,6 2 − 1 = 0,06665 13. Znamionowy moment rozruchowy: M1 N = 14. 2 ⋅ M bN 2 ⋅1510 = = 200,4 Nm 1 1 + s bN + 0,06665 s bN 0,06665 Poślizg przy obciążeniu momentem M = 0,75 MN : 2 2 2 m M M bN m bN M bN M bN bN bN − 1 = s bN ⋅ s = s bN ⋅ − − 1 = s bN ⋅ − − −1 0,75 M 0,75 ⋅ M N M 0,75 0,75 ⋅ M N 2 2,6 2,6 s = 0,06665 ⋅ − − 1 = 0,009822 0,75 0,75 prędkość: n = n s ⋅ (1 − s ) = 1500 ⋅ (1 − 0,009822 ) = 1485 obr/min 15. Przy zmianie częstotliwości i wartości napięcia zasilającego zmianie ulega: a) prędkość synchroniczna: n s = n sN ⋅ b) moment maksymalny (krytyczny): f M b = M bN ⋅ N f c) f 2 ⋅ fN = n sN ⋅ = 2 ⋅ n sN = 2 ⋅ 1500 = 3000 obr/min fN fN 2 2 U f = M bN ⋅ N ⋅ UN 2 ⋅ fN 2 2 U ⋅ N = 0,25 ⋅ M bN = 0,25 ⋅1510 = 377,5 Nm UN poślizg krytyczny: s b = s bN ⋅ fN f = s bN ⋅ N = 0,5 ⋅ s bN = 0,5 ⋅ 0,06665 = 0,03333 f 2 ⋅ fN Rozwiązania Wariant B Transformator 1. Znamionowy prąd przewodowy strony DN: SN 630 ⋅ 103 = = 909,3 A 3 ⋅ U2N 3 ⋅ 400 I2 N = połączenie Y, więc: I 2 phN = 2. SN SN SN = = = I 2 N = 909,3 A 3 ⋅ U 2 phN 3 ⋅ U 2 N 3 ⋅ U2N 3 Znamionowa liczba zwojów uzwojenia GN: N1N = N 2 N ⋅ U1phN U 2 phN = N2N ⋅ U1N 15750 ⋅ 3 = 23 ⋅ = 1569 zw. U2N 400 3 liczba zwojów regulacyjnych (pomiędzy odczepami regulacyjnymi): N a = N1N ⋅ 3. 2,5% 2,5% = 1569 ⋅ = 39 zw. 100% 100% Próbę zwarcia wykonuje się przy znamionowy prądzie, dlatego najlepiej zasilić transformator od strony GN: SN 630 ⋅ 103 = = 23,09 A 3 ⋅ U1N 3 ⋅ 15750 I1kN = I1N = U 20 N = U 2 N = 400 V napięcie zasilania transformatora przy zwarciu pomiarowym, od strony GN: U1kN = U1N ⋅ 4. u k%N 6 = 15750 ⋅ = 945 V 100% 100 Przekładnia napięciowa przy zasilaniu na zaczepie „-2,5%”: 2,5% U1N ⋅ 1 − U1 100% = U2 U2N stąd: U2 = U2N ⋅ 5. U1 15500 = 400 ⋅ = 403,7 V U1N ⋅ 0,975 15750 ⋅ 0,975 Indukcja w kolumnie przy warunkach zasilania jak w punkcie 4: Bm = U1ph 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1 U1( ∆ ) = = U1 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1N ⋅ 0,975 2,5% 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N1N ⋅ 1 − 100% 15500 Bm = = 1,674 T 4,44 ⋅ 0,0284 ⋅ 0,96 ⋅ 50 ⋅ 1569 ⋅ 0,975 lub: U 2(Y) Bm = U 2 ph 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N = U2 3 = 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N 3 ⋅ 4,44 ⋅ A1 ⋅ η ⋅ f N ⋅ N 2 N 403,7 = 1,674 T 3 ⋅ 4,44 ⋅ 0,0284 ⋅ 0,96 ⋅ 50 ⋅ 23 Bm = Maszyna Prądu Stałego 6. Znamionowy prąd silnika pobierany z sieci: PN 3,5 ⋅103 IN = = = 18,29 A U N ⋅ ηN 220 ⋅ 0,87 I iteracja I a = I N : E a = U N − Ia ⋅ ∑ R a − 2∆u tc = 220 − 18,29 ⋅ 0,616 − 2 = 206,7 V z charakterystyki Ea = f(If) dla Ea = 206,7 V odczytujemy: I f = 0,465 A II iteracja: IaN ≅ I N − If = 18,29 − 0,465 = 17,83 A E aN = U N − I aN ⋅ ∑ R a − 2∆u tc = 220 − 17,83 ⋅ 0,616 − 2 = 207,0 V po sprawdzeniu na charakterystyce, znamionowy prąd wzbudzenia: IfN = 0,465 A oraz znamionowa rezystancja obwodu wzbudzenia: R fN = 7. UN 220 = = 473,1 Ω IfN 0,465 Przy rozruchu n = 0 a więc i Ea = 0 , napięcie przyłożone do zacisków twornika zrównoważone jest tylko przez spadki napięć w obwodzie twornika: U N = Ia ⋅ (∑ R a + R s ) + 2∆u tc stąd: Ia = U N − 2∆u tc 220 − 2 = = 26,86 A ∑ R a + R S 0,616 + 7,5 prąd wzbudzenia: If = UN 220 = = 0,786 A R E1E 2 280 całkowity prąd pobierany z sieci: IS = I a + If = 26,86 + 0,786 = 27,65 A 8. SEM przy zasilaniu silnika napięciem U = 200 V , obciążeniu twornika prądem znamionowym Ia = IaN i prędkości n = 1425 obr/min : E a ( n ) = U − IaN ⋅ R a − 2∆u tc = 200 − 17,83 ⋅ 0,616 − 2 = 187,0 V ∑ SEM przy prędkości nN : Ea (n N ) = Ea (n) ⋅ nN 1500 = 187 ⋅ = 196,8 V n 1425 z charakterystyki Ea = f(If) dla Ea = 196,8 V odczytujemy: I f = 0,422 A 9. Przy pracy jako prądnica bocznikowa, prędkości n = nN oraz obciążeniu znamionowym prądem twornika Ia = IaN , napięciu na zaciskach U = 220 V , SEM w tworniku wynosi: E aG = U + IaN ⋅ R a + 2∆u tc = 220 + 17,83 ⋅ 0,616 + 2 = 233,0 V ∑ z charakterystyki Ea = f(If) dla Ea = 233 V odczytujemy: I fG = 0,625 A 10. Z charakterystyki E0 = f(If) , dla n = nN , odczytujemy wartość SEM dla prądu wzbudzenia If = 0,1 A (początkowy, prostoliniowy odcinek charakterystyki): E 0( n N ) = 60 V przy prędkości krytycznej i rezystancji wzbudzenia Rf = RE1E2 = 280 Ω oraz prądzie wzbudzenia If = 0,1 A , napięcie na bocznikowo połączonym obwodzie wzbudzenia będzie równe SEM w obwodzie twornika: U f ( ncr ) = U 0( ncr ) = E 0 ( ncr ) = If ⋅ R f = 0,1 ⋅ 280 = 28 V stąd: n cr = n N ⋅ E 0( n cr ) E0(nN ) = nN ⋅ U f ( n cr ) E 0( n N ) = 1500 ⋅ 28 = 700 obr./min 60 Maszyna Asynchroniczna (Indukcyjna) 11. Znamionowy współczynnik mocy silnika. PN jest mocą mechaniczną na wale! Połączenie ∆, więc: PN PN PN 90 ⋅103 ηN = = = = = 0,9300 ⋅100% = 93 % Pel. SN ⋅ cos ϕ N 3 ⋅ U N ⋅ I N ⋅ cos ϕ N 3 ⋅ 400 ⋅150,2 ⋅ 0,93 12. Moment znamionowy (przy prędkości podanej w obr/min): PN ⋅ 60 90 ⋅103 ⋅ 60 MN = = = 580,7 Nm 2⋅π⋅nN 2 ⋅ π ⋅1480 znamionowy moment maksymalny (krytyczny, utyku): M bN = m bN ⋅ M N = 2,6 ⋅ 580,7 = 1510 Nm 13. Znamionowa prędkość synchroniczna (w obr/min): n sN = f ⋅ 60 50 ⋅ 60 = = 1500 obr/min p 2 bo liczba par biegunów p = 2 (liczba biegunów = 4). Poślizg znamionowy: sN = n sN − n N 1500 − 1480 = = 0,01333 n sN 1500 znamionowy poślizg krytyczny: ( ) 2 s bN = s N ⋅ m bN + m bN − 1 = 0,01333 ⋅ 2,6 + 2,6 2 − 1 = 0,06665 stąd prędkość krytyczna: n bN = n s ⋅ (1 − s bN ) = 1500 ⋅ (1 − 0,06665) = 1400 obr/min 14. Poślizg przy prędkości 1485 obr/min: s= ns − n ns = 1500 − 1485 = 0,01000 1500 moment obciążenia: M= 15. 2 ⋅ M bN 2 ⋅1510 = = 443,1 Nm s s bN 0,01 0,06665 + + s bN s 0,06665 0,01 Przy zmianie częstotliwości i wartości napięcia zasilającego zmianie ulega: a) prędkość synchroniczna: n s = n sN ⋅ b) f 0,5 ⋅ f N = n sN ⋅ = 0,5 ⋅ n sN = 0,5 ⋅1500 = 750 obr/min fN fN moment maksymalny (krytyczny): f M b = M bN ⋅ N f c) 2 2 U f = M bN ⋅ N ⋅ UN 0,5 ⋅ f N 2 2 0,5 ⋅ U N = M bN = 1510 Nm ⋅ U N poślizg krytyczny: s b = s bN ⋅ fN f = s bN ⋅ N = 2 ⋅ s bN = 2 ⋅ 0,06665 = 0,1333 f 0,5 ⋅ f N Rozwiązania graficzne dla maszyny prądu stałego 300 P5A 250 P4B P5B P4A P1 200 E0 , Ea [V] P3 150 100 P6 50 0 0 0,2 0,4 If [A] 0,6 0,8 1