직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 전원에서 공급받는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µF
P = W
4.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 100 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
I = A
5.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.6로 14 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 14 kWpf = 0.6V = 230 V
Q = kvar
6.교류 전력과 역률어려움
24 V(실효값), 50 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 20 + j20 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.
Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j20 Ω
Pmax = W
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭보통
L = 100 µH, C = 4.7 nF인 이상적인 LC 회로에서 t = 0에 커패시터가 완전히 충전되어 있습니다. 모든 에너지가 인덕터에 있게 되기까지 얼마나 걸립니까? t을(를) µs 단위로 구하시오.
L = 100 µHC = 4.7 nF
t = µs
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
직렬 공진 회로가 1 mH 인덕터를 사용합니다. 대역폭이 1 kHz가 되려면 전체 직렬 저항 R은 얼마여야 합니까?
L = 1 mHBW = 1 kHz
R = Ω
9.3상 전력보통
상당 임피던스가 18 + j24 Ω인 평형 Y 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 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 75 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 75 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 415 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 90%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 100 ΩL = 68 mH
t = ms
12.RC·RL 과도 현상어려움
R2 양단의 스위치가 오랫동안 열려 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 닫혀 R2을(를) 단락한다. t = 60 ms에서의 인덕터 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩL = 220 mHt = 60 ms
i = A
13.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.테브난·노턴어려움
a–b 사이에 부하 RL = 12 Ω을 연결한다. 테브난 등가 회로를 이용해 부하에 전달되는 전력 PL을(를) 구하시오.
ω = 4 rad/s에서 G(s) = 4(s + 15)/(s(s + 14))의 위상 ∠G(jω)을(를) 도 단위로 구하시오.
G(s) = 4(s + 15)/(s(s + 14))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 18/(s(s + 4)(s + 5))이다. 이득 여유 GM을(를) dB 단위로 구하시오.
L(s) = 18/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB
3용액
1.복소수
답: θ = −127.9 °
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.
사분면
a = −7, b = −9 → III
기준각
α = atan(9/7) = 52.13°
편각
θ = −(180° − α) = −127.9°
답
θ = −127.9°
극형식으로 z = 11.4∠−127.9°.
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.
위상각
φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333
무효 전력
Q = P·tan φ = 14·1.333 = 18.67 kvar
답
Q = 18.67 kvar
6.교류 전력과 역률
답: Pmax = 7.2 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.
켤레 정합
부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.
ZL = Zs* = 20 − j20 Ω
최대 전력
I = Vs/(2Rs) = 24/40 = 0.6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·20) = 7.2 W
답
Pmax = 7.2 W
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭
답: t = 1.077 µs
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.
상전압
Vph = 400/√3 = 230.9 V
상전류
|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 230.9/30 = 7.698 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·7.698²·18 = 3.2 kW
답
P = 3.2 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
10.3상 전력
답: QC = 47.64 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 0.72) = 75·0.9639 = 72.29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.95) = 75·0.3287 = 24.65 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 47.64 kvar
답
QC = 47.64 kvar
11.RC·RL 과도 현상
답: t = 1.566 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 = 68 mH / 100 Ω = 0.68 ms
i(∞) = Vs/R = 20/100 = 0.2 A
시간에 대해 풀기
0.9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.9)
t = −0.68·ln(0.1) = 1.566 ms
답
t = 1.566 ms
12.RC·RL 과도 현상
답: i = 1.591 A
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
t = 0 전에는 두 저항이 모두 루프에 있고, 그 후에는 닫힌 스위치가 R₂를 우회합니다.
i(0) = 10/(5 + 20) = 0.4 A
i(∞) = 10/5 = 2 A
τ = L/R = 220/5 = 44 ms
i(t) = 2 + (0.4 − 2)·e−t/τ
주어진 시각의 전류
i(60) = 2 + (−1.6)·e−60/44 = 1.591 A
답
i = 1.591 A
13.테브난·노턴
답: Vth = 8.571 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 = 20·8/(20+8) = 5.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.714 + 10 = 15.71 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) = 30·8/(20+8) = 8.571 V
14.테브난·노턴
답: PL = 76.07 W
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 = 4·25/(4+25) = 3.448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.448 + 3 = 6.448 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) = 7.759 + 6·3.448 = 28.45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28.45 + 6·3 = 46.45 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) = 46.45/(6.448 + 12) = 2.518 A
PL = IL²·RL = 2.518²·12 = 76.07 W
15.보드 선도와 여유
답: ∠G(jω) = −91.01 °
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.