연산에 맞는 형식을 고르세요: 덧셈과 뺄셈에는 직각 형식 a + jb, 곱셈, 나눗셈, 거듭제곱, 거듭제곱근에는 극형식 r∠θ.
곱셈은 j² = −1로 전개하고, 나눗셈은 분자와 분모에 분모의 켤레복소수를 곱하세요.
r = √(a² + b²)로, θ는 점의 스케치(사분면 확인)로 변환하고, a = r cos θ, b = r sin θ로 되돌리세요.
거듭제곱에는 드무아브르 (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ를 쓰고, zⁿ = R∠φ는 n개의 근 R1/n∠((φ + 360°k)/n)을 모두 나열하세요.
교류 임피던스와 페이저
임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z
방법
주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.
교류 전력과 역률
유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
LC 공진, Q 인자, 대역폭
고유 진동수
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
에너지
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
최대 전류
Imax = V0√(C/L)
선택도
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
직렬 RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
병렬 RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
대역폭
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
반전력 주파수
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
코일 저항 r이 있는 탱크 회로
RD = L/(C·r) = Q²·r
진폭의 감쇠
e−Rt/(2L)
방법
먼저 공진 주파수를 구하세요: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = ω₀/(2π).
회로가 직렬인지 병렬인지 판단하세요: 직렬 Q = (1/R)√(L/C), 병렬 Q = R√(C/L).
대역폭은 BW = f₀/Q로 구하거나, 지름길 공식 R/(2πL)(직렬), 1/(2πRC)(병렬)를 사용하세요.
에너지 문제에서는 이상적인 LC 회로에서 전체 에너지 ½CV₀²이 일정하며 사분의 일 주기마다 C와 L 사이를 오간다는 점을 이용하세요.
3상 전력
Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η
RC·RL 과도 현상
시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ
방법
스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.
테브난·노턴
테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
방법
부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.
2연습 문제
1.복소수보통
z₁ = 3∠70°, z₂ = 2∠−95°이 주어졌을 때 w = z₁·z₂의 편각 θ을(를) −180°와 180° 사이의 도 단위로 구하시오.
z₁ = 3∠70°z₂ = 2∠−95°
θ = °
2.복소수어려움
n = 5, w = 32∠120°일 때 zⁿ = w의 근은 zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4이다. z₃의 허수부를 구하시오.
w = 32∠120°n = 5k = 3
Im(z₃) =
3.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 100 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 전원에서 공급받는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF
P = W
4.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 2 Ω, L = 1 mH, C = 2.2 µF이다. 공진에서의 선택도 Q을(를) 구하시오.
R = 2 ΩL = 1 mHC = 2.2 µF
Q =
5.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.6로 35 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 35 kWpf = 0.6V = 230 V
I = A
6.교류 전력과 역률어려움
150 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.7의 49 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?
Smax = 150 kVAP1 = 49 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭보통
직렬 RLC 회로의 R = 22 Ω, L = 470 µH, C = 4.7 nF입니다. 품질 계수 Q을(를) 구하시오.
R = 22 ΩL = 470 µHC = 4.7 nF
Q =
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
전체 저항 50 Ω, 공진 주파수 200 kHz, 대역폭 4 kHz인 직렬 RLC 필터를 설계합니다. 커패시턴스 C을(를) nF 단위로 구하시오.
R = 50 Ωf0 = 200 kHzBW = 4 kHz
C = nF
9.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 400 V의 전원에서 선전류 12 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.82(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VIL = 12 Acos φ = 0.82
P = kW
10.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 200 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 50%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 15 VR = 50 ΩL = 100 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 50 ms에 커패시터 전압이 9.6 V에 도달할 때 작동해야 한다. C = 2.2 µF일 때 필요한 저항 R을(를) 구하시오.
Vs = 12 VVth = 9.6 VT = 50 msC = 2.2 µF
R = kΩ
13.테브난·노턴보통
a–b 사이에 부하 RL = 6 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.
V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩRL = 6 Ω
IL = A
14.테브난·노턴어려움
노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.
V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
15.보드 선도와 여유보통
그림의 직렬 RLC 대역 통과 필터에서 출력은 R = 2 Ω 양단에서 취하며, L = 1 mH, C = 2.2 µF입니다. 중심(공진) 주파수 f0을(를) Hz 단위로 구하시오.
R = 2 ΩL = 1 mHC = 2.2 µF
f0 = Hz
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 60/(s(s + 5))이다. 위상 여유 PM을(를) 도 단위로 구하시오.
L(s) = 60/(s(s + 5))
PM = °
3용액
1.복소수
답: θ = −25 °
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 절댓값과 편각
|w| = 3 · 2 = 6
θ = 70° + (−95)° = −25°
편각
θ = −25°
답
θ = −25°
2.복소수
답: Im(z₃) = −1.732
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.
근의 절댓값
321/5 = 2
근의 편각
θ₃ = (120° + 360°·3)/5 = 240° → −120°
직각 형식
z₃ = 2·(cos −120° + j sin −120°) = −1 − j1.732
Im(z₃) = −1.732
답
Im(z₃) = −1.732
5개의 근이 반지름 2인 원 위에 72° 간격으로 놓입니다.
3.교류 임피던스와 페이저
답: P = 49.43 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 = 94.25 Ω, XC = 33.86 Ω
임피던스
|Z| = √(20² + (60.39)²) = 63.61 Ω
유효 전력
인덕터와 커패시터는 에너지를 저장했다가 돌려줄 뿐이며, 저항이 유효 전력을 모두 흡수합니다.
I = 100/63.61 = 1.572 A
P = I²·R = 1.572²·20 = 49.43 W
답
P = 49.43 W
4.교류 임피던스와 페이저
답: Q = 10.66
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.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 35000/(230·0.6) = 253.6 A
답
I = 253.6 A
6.교류 전력과 역률
답: ΔP = 92.42 kW
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·200000)²·0.001989) = 3.183 × 10⁻¹⁰ F = 0.3183 nF
답
C = 0.3183 nF
Q = f₀/BW = 50.
9.3상 전력
답: P = 6.817 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.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·400·12 = 8.314 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 8.314·0.82 = 6.817 kW
답
P = 6.817 kW
10.3상 전력
답: QC = 53.14 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 = 200·tan(acos 0.8) = 200·0.75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 53.14 kvar
답
QC = 53.14 kvar
11.RC·RL 과도 현상
답: t = 1.386 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.
시정수와 최종 전류
스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.
τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0.3 A
시간에 대해 풀기
0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −2·ln(0.5) = 1.386 ms
답
t = 1.386 ms
12.RC·RL 과도 현상
답: R = 14.12 kΩ
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.
필요한 시정수
9.6 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 9.6))
τ = 50/1.609 = 31.07 ms
저항
kΩ × µF는 밀리초입니다.
R = τ/C = 31.07/2.2 = 14.12 kΩ
답
R = 14.12 kΩ
13.테브난·노턴
답: IL = 0.3614 A
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 = 12·5/(12+5) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 10 = 13.53 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) = 24·5/(12+5) = 7.059 V
부하를 테브난 등가 회로에 연결하기
테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.
IL = Vth/(Rth + RL) = 7.059/(13.53 + 6) = 0.3614 A
14.테브난·노턴
답: IN = −2.75 A
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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 15 = 18 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) = 4.5 + (−3)·3 = −4.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4.5 + (−3)·15 = −49.5 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = −49.5/18 = −2.75 A
15.보드 선도와 여유
답: f0 = 3393 Hz
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.