직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 전원에서 공급받는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 10 µF
P = W
4.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 10 Ω, L = 1 mH, C = 1 µF이다. 대역폭 B(반전력 주파수 사이 대역의 폭)을(를) Hz로 구하시오.
R = 10 ΩL = 1 mHC = 1 µF
B = Hz
5.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.6로 39 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 39 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
6.교류 전력과 역률어려움
24 V(실효값), 1000 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 2 + j30 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.
Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 2 + j30 Ω
Pmax = W
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭보통
직렬 RLC 회로가 100 kHz에서 공진하고 Q = 4입니다. 낮은 쪽 반전력 주파수 f1을(를) kHz 단위로 정확하게 구하시오.
f0 = 100 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
전체 저항 100 Ω, 공진 주파수 100 kHz, 대역폭 4 kHz인 직렬 RLC 필터를 설계합니다. 커패시턴스 C을(를) nF 단위로 구하시오.
R = 100 Ωf0 = 100 kHzBW = 4 kHz
C = nF
9.3상 전력보통
상당 임피던스가 18 + j24 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VZ = 18 + j24 Ω 상당
P = kW
10.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 75 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 75 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 인덕터 전압 vL을(를) 구하시오.
Vs = 10 VR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 18 V이다. vC이(가) 10.8 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.
Vs = 6 VR = 2.2 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 V
t = ms
13.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
14.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
15.보드 선도와 여유보통
그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 20 Ω 양단에서 취하며, L = 2 mH, C = 0.22 µF입니다. 중심(공진) 주파수 f0을(를) Hz 단위로 구하시오.
R = 20 ΩL = 2 mHC = 0.22 µF
f0 = Hz
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 0.3/(s(s + 1))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 0.3/(s(s + 1))
PM = °
3용액
1.복소수
답: a = 3.484
극형식: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ이며 r = |z|, θ = arg z입니다. 직각 형식으로 되돌리면 a = r cos θ, b = r sin θ입니다. 편각은 사분면을 따져야 합니다. θ = atan(b/a)는 a > 0일 때만 맞고, a < 0이면 180°를 더하거나 뺍니다. 극형식에서는 곱셈이 쉽습니다. 절댓값을 곱하고 편각을 더하며, 나눗셈은 절댓값을 나누고 편각을 뺍니다.
오일러 공식
z = 5·(cos 0.8 + j sin 0.8)
성분(라디안)
a = 5·cos 0.8 = 3.484
b = 5·sin 0.8 = 3.587
a = 3.484
답
a = 3.484
2.복소수
답: a = 1.5
드무아브르와 거듭제곱근: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. 방정식 zⁿ = R∠φ는 정확히 n개의 근을 가지며, 모두 절댓값이 R1/n이고 편각은 k = 0, 1, …, n − 1에 대해 (φ + 360°·k)/n입니다. 근들은 원 위에 360°/n 간격으로 고르게 놓입니다. p² < 4q인 이차방정식 z² + pz + q = 0은 복소수 근 z = −p/2 ± j√(q − p²/4)를 가지며, 실수 계수 다항식의 복소수 근은 항상 켤레 쌍 a ± jb로 나타납니다.
판별식
p² − 4q = 9 − 73 = −64 < 0
근의 공식
z = (3 ± j√64)/2 = 1.5 + j4, 1.5 − j4
답
a = 1.5
답
a = 1.5
3.교류 임피던스와 페이저
답: P = 1.766 W
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
리액턴스
XL = 314.2 Ω, XC = 79.58 Ω
임피던스
|Z| = √(40² + (234.6)²) = 238 Ω
유효 전력
인덕터와 커패시터는 에너지를 저장했다가 돌려줄 뿐이며, 저항이 유효 전력을 모두 흡수합니다.
I = 50/238 = 0.2101 A
P = I²·R = 0.2101²·40 = 1.766 W
답
P = 1.766 W
4.교류 임피던스와 페이저
답: B = 1592 Hz
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
위상각
φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333
무효 전력
Q = P·tan φ = 39·1.333 = 52 kvar
답
Q = 52 kvar
6.교류 전력과 역률
답: Pmax = 72 W
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
C = 1/((2π·100000)²·0.003979) = 6.366 × 10⁻¹⁰ F = 0.6366 nF
답
C = 0.6366 nF
Q = f₀/BW = 25.
9.3상 전력
답: P = 9.6 kW
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
상전압
Vph = VL = 400 V
상전류
|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 400/30 = 13.33 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·13.33²·18 = 9.6 kW
답
P = 9.6 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
10.3상 전력
답: QC = 28.22 kvar
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0.78) = 75·0.8023 = 60.17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.92) = 75·0.426 = 31.95 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 28.22 kvar
답
QC = 28.22 kvar
11.RC·RL 과도 현상
답: vL = 4.029 V
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
시정수와 최종 전류
스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.
τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1.1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/20 = 0.5 A
인덕터 전압
t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/1.1 = 4.029 V
답
vL = 4.029 V
12.RC·RL 과도 현상
답: t = 94.74 ms
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.