저항과 인덕터가 230 V(실효값), 60 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mH
I = A
4.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 100 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 VC을(를) 구하시오.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µF
VC = V
5.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 240 V 전원에서 지상 역률 0.75로 22 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 22 kWpf = 0.75V = 240 V
I = A
6.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 230 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 5 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.92(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 5 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭보통
직렬 RLC 회로의 R = 5 Ω, L = 4.7 mH, C = 2.2 nF입니다. 대역폭 BW을(를) Hz 단위로 구하시오.
R = 5 ΩL = 4.7 mHC = 2.2 nF
BW = Hz
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
공진 곡선의 반전력 주파수가 20 kHz와 32 kHz입니다. 이 둘의 기하평균으로 공진 주파수를 구한 다음 품질 계수 Q을(를) 구하시오.
f1 = 20 kHzf2 = 32 kHz
Q =
9.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 7.5 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 91%, 역률은 0.84(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 7.5 kWη = 91%cos φ = 0.84VL = 415 V
IL = A
10.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 250 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 = 250 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 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 = 20 VR = 68 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 6 V이다. t = 250 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 Vt = 250 ms
vC = V
13.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 24 VIs = 2.5 AR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
15.보드 선도와 여유보통
그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 2.2 kΩ, C = 1 nF을(를) 가집니다. 290 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.
R = 2.2 kΩC = 1 nFf = 290 kHz
φ = °
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 14/(s(s + 3)(s + 4))이다. 이득 여유 GM을(를) dB 단위로 구하시오.
L(s) = 14/(s(s + 3)(s + 4))
GM = dB
3용액
1.복소수
답: θ = 0.5191 rad
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.
절댓값
r = √(49 + 16) = 8.062
라디안 단위의 편각
θ = 29.74° = 29.74·π/180 = 0.5191 rad
지수 형식
z = 8.062·ej0.5191
답
θ = 0.5191 rad
2.복소수
답: r = 3
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.
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) = 22000/(240·0.75) = 122.2 A
답
I = 122.2 A
6.교류 전력과 역률
답: QC = 2.971 kvar
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.
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.
전기 입력 전력
Pin = Pout/η = 7.5/0.91 = 8.242 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8242/(√3·415·0.84) = 13.65 A
답
IL = 13.65 A
10.3상 전력
답: QC = 134.5 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 = 250·tan(acos 0.72) = 250·0.9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.92) = 250·0.426 = 106.5 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 134.5 kvar
답
QC = 134.5 kvar
11.RC·RL 과도 현상
답: vL = 2.548 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 = 33 mH / 68 Ω = 0.4853 ms
i(∞) = Vs/R = 20/68 = 0.2941 A
인덕터 전압
t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0.4853 = 2.548 V
답
vL = 2.548 V
12.RC·RL 과도 현상
답: vC = 9.187 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.
초기값, 최종값, 시정수
커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.
vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 12 + (6 − 12)·e−t/τ
주어진 시각의 전압
vC(250) = 12 + (−6)·e−250/330 = 9.187 V
답
vC = 9.187 V
13.테브난·노턴
답: Vth = 13.85 V
테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 6·20/(6+20) = 4.615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.615 + 10 = 14.62 Ω
개방 전압 Vth 구하기
a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·20/(6+20) = 13.85 V
14.테브난·노턴
답: Vth = 84 V
테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 30·3/(30+3) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 30 = 32.73 Ω
개방 전압 Vth 구하기
a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2.182 + 2.5·2.727 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + 2.5·30 = 84 V
15.보드 선도와 여유
답: φ = 14.01 °
주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.
차단 주파수
ωc = 1/(RC) = 1/(2200·1 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 290000/72343 = 4.009
위상
φ = 90° − atan(4.009) = 14.01°
답
φ = 14.01°
16.보드 선도와 여유
답: GM = 15.56 dB
주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.