10 nF 커패시터를 15 V로 충전해 이상적인 10 µH 인덕터와 진동시킵니다. 커패시터 전압이 11.25 V인 순간에 인덕터에 저장된 에너지 WL을(를) nJ 단위로 구하시오.
C = 10 nFV0 = 15 VvC = 11.25 V
WL = nJ
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
직렬 RLC 회로(R = 2 Ω, L = 100 µH, C = 2.2 µF)를 공진에서 전류 진폭 200 mA로 구동합니다. 한 주기 동안 R에서 소비되는 에너지 Ecycle을(를) µJ 단위로 구하시오.
R = 2 ΩL = 100 µHC = 2.2 µFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 690 V의 전원에서 선전류 80 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.92(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 690 VIL = 80 Acos φ = 0.92
P = kW
10.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 690 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 100 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 100 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 95%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 9 VR = 50 ΩL = 150 mH
t = ms
12.RC·RL 과도 현상어려움
타이머가 t = 0에 12 V 전원에서 저항을 통해 충전되지 않은 커패시터를 충전하기 시작한다. 타이머는 시작 후 정확히 100 ms에 커패시터 전압이 9 V에 도달할 때 작동해야 한다. R = 2.2 kΩ일 때 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.
Vs = 12 VVth = 9 VT = 100 msR = 2.2 kΩ
C = µF
13.테브난·노턴보통
a–b 사이에 부하 RL = 6 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.
V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩRL = 6 Ω
IL = A
14.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
15.보드 선도와 여유보통
그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 5 Ω 양단에서 취하며, L = 5 mH, C = 1 µF입니다. 중심(공진) 주파수 f0을(를) Hz 단위로 구하시오.
R = 5 ΩL = 5 mHC = 1 µF
f0 = Hz
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 40/(s(s + 2)(s + 7))이다. 이득 여유 GM을(를) dB 단위로 구하시오.
L(s) = 40/(s(s + 2)(s + 7))
GM = dB
3용액
1.복소수
답: A (−6 + j4)
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.
w의 효과
|z/w| = |z|/0.5, arg(z/w) = arg z − 90°
그 점
z/w = −6 + j4 → A
답
A (−6 + j4)
2.복소수
답: r = 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.
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.
공진
공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·4.7·10⁻⁶) = 2063 rad/s
I = V/R = 2/50 = 0.04 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 2063·0.05 = 103.1 Ω
VL = I·XL = 0.04·103.1 = 4.126 V
답
VL = 4.126 V
이는 전원 전압의 Q = 2.063배입니다.
5.교류 전력과 역률
답: I = 12.5 A
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.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 3000/(400·0.6) = 12.5 A
답
I = 12.5 A
6.교류 전력과 역률
답: C = 136.1 µF
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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(41.41°) = 13.23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(23.07°) = 6.39 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6.839 kvar
정전 용량
전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.
C = QC/(2πf·V²) = 6839/(2π·50·400²) = 136.1 µF
답
C = 136.1 µF
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭
답: WL = 492.2 nJ
LC 공진: 충전된 커패시터를 인덕터에 연결하면 전류가 흘러 커패시터를 반대 방향으로 충전합니다. 에너지는 고유 주파수 f0 = 1/(2π√(LC))로 C의 전기장(½Cv²)과 L의 자기장(½Li²) 사이를 오갑니다. 저항이 없으면 전체 에너지 ½CV0²은 일정하므로 최대 전류는 Imax = V0√(C/L)입니다. 한 주기는 T = 1/f0이며, 에너지는 그 사분의 일 동안 C에서 L로 이동합니다.
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.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·690·80 = 95.61 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 95.61·0.92 = 87.96 kW
답
P = 87.96 kW
10.3상 전력
답: Cph = 353.9 µF
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.