Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

MECH0071

January exams 2021 (timed exam)

2020/21

Answer All Four Questions

Each question is equally weighted with marks as indicated

There are 100 marks available on this paper

The assessment should take between 4 to 6 hours to complete

Use separate sheets of paper for answers to each question.

Question 1:(Balanced Faults and Circuit Breakers)

a) Vacuum circuit breakers (interrupters) are often used in electric railway transport systems:

i)   Sketch  a  cross-section  of a  typical vacuum  circuit  breaker for  a  rail  system ensuring you label the components then briefly discuss its operation. [120 words maximum]. [3 marks]

ii) Discuss four desirable characteristics of the material properties for the contacts of vacuum circuit breakers and give examples.[120 words maximum]. [3 marks]

iii) Use a sketch to describe an arrangement in which two vacuum circuit breakers are

used per pole for a railway track side 25 kV single-phase substation that supplies overhead electric rail.[120 words maximum]. [3 marks]

iv)Give two advantages and two disadvantages of using vacuum circuit breakers over other types in the arrangement described in part iii.[120 words maximum]. [3 marks]

b) Two synchronous generators rated at 11 kV, 50 Hz, 3000 kVA and having a 20% equivalent reactance are connected by a 100 km long transmission line having a reactance  of  0. 12/km,  as  shown  in  the  single-line  diagram  in  Figure  1.  The transformers near to the generators are rated at 6,000 kVA,  11/66 kV and have reactances of 5%. A three-phase fault to ground (earth), F, occurs at a distance of 20 km from one end of the line when the system is operating at its rated voltage and at no-load i.e. zero current is flowing through the line before the fault occurs. Calculate the MVA fault level and the fault current giving your answers both in per unit, to an apparent power base of 6,000 kVA, and in Amperes and MVA. [13 marks]

Question 3.(Propulsion Design/Operation)

a) A commercial road vehicle has a propulsion system arrangement shown in Figure 3. The diesel engine has stop-start capability and directly drives a 440 V three-phase generator. The power controller manages the charging/discharging of the battery, the supply to the propulsion motor and to the auxiliary systems. The propulsion motor drives a differential gearbox having a 4:1 turn down ratio which in turns drives the  vehicles wheels. The battery can be charged from an external source.

i)    Explain three factors that would govern the power rating of the engine-generator arrangement.[120 words maximum]. [3 marks]

ii) Calculate the time taken for the battery to be completely recharged by a mains

supply at an overnight stop using the nominal charging rate of 150 A. Comment on the recharging regime likely to be used. [3 marks]

iii) Explain how the propulsion arrangement can exploit regenerative breaking to

improve overall efficiency of the vehicle. What are the practical limits to such regeneration?[120 words maximum]. [3 marks]

iv) If the diesel-engine-generator is to be replaced with a hydrogen-fuel-cell suggest

how the design should be modified.[120 words maximum] [4 marks]

(a)Write a short essay comparing the advantages and disadvantages of integrated electrical propulsion plant against a mechanical propulsion plant for a new cruise ship. In your answer you can assume a varying operational profile across the world.   [600  words maximum]. [12 marks]

Question 4:(Generators)

a) Using suitable sketches describe an arrangement for controlling the frequency and the voltage generated by a three-phase synchronous generator.[120 words maximum]. [4 marks]

b) What conditions are needed for an incoming generator to be synchronised and connected to an active three-phase power system.[120 words maximum] [3 marks]

c) Considering your answers in part (a) and part (b) explain, using diagrams, how real and reactive power can be transferred between generators in a multiple generator electrical system.[120 words maximum]. [4 marks]

d) A three-phase star connected generator supplies a load of 10 MW at 0.8 power factor lagging and at 11 kV. If its armature resistance (Ra) is 0.1 Q/phase and synchronous reactance (Xs) is 0.7 Q/phase, then calculate the generated emf. [6 marks]

e) A single-phase short transmission line has an impedance (R+jX) Q/phase. If the sending end (Vs) and receiving end (Vr) voltages remain fixed, then derive an algebraic equation for the maximum power that can be transferred. [8 marks]