470 pF 커패시터를 9 V로 충전해 이상적인 22 mH 인덕터와 진동시킵니다. 커패시터 전압이 5.4 V인 순간에 인덕터에 저장된 에너지 WL을(를) nJ 단위로 구하시오.
C = 470 pFV0 = 9 VvC = 5.4 V
WL = nJ
8.LC 공진, Q 인자, 대역폭어려움
직렬 공진 회로가 100 µH 인덕터를 사용합니다. 대역폭이 10 kHz가 되려면 전체 직렬 저항 R은 얼마여야 합니까?
L = 100 µHBW = 10 kHz
R = Ω
9.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 11 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 93%, 역률은 0.82(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 11 kWη = 93%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
10.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 200 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC·RL 과도 현상보통
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 68 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 8 V이다. t = 200 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 6.8 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 Vt = 200 ms
vC = V
13.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.보드 선도와 여유보통
ω = 1 rad/s에서 G(s) = 315/((s + 3)(s + 7))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 315/((s + 3)(s + 7))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
16.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))이다. 이득 여유 15 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 15 dB
K =
3용액
1.복소수
답: θ = 1.893 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 = √(4 + 36) = 6.325
라디안 단위의 편각
θ = 108.4° = 108.4·π/180 = 1.893 rad
지수 형식
z = 6.325·ej1.893
답
θ = 1.893 rad
2.복소수
답: Im(z₃) = −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.
근의 절댓값
811/4 = 3
근의 편각
θ₃ = (0° + 360°·3)/4 = 270° → −90°
직각 형식
z₃ = 3·(cos −90° + j sin −90°) = −j3
Im(z₃) = −3
답
Im(z₃) = −3
4개의 근이 반지름 3인 원 위에 90° 간격으로 놓입니다.
3.교류 임피던스와 페이저
답: cos φ = 0.1988
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 = 157.1 Ω, XC = 33.86 Ω
임피던스
|Z| = √(25² + (123.2)²) = 125.7 Ω
역률
cos φ = R/|Z| = 25/125.7 = 0.1988
회로가 유도성이므로 역률은 지상입니다.
답
cos φ = 0.1988
4.교류 임피던스와 페이저
답: Q = 15.08
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(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75
무효 전력
Q = P·tan φ = 34·0.75 = 25.5 kvar
답
Q = 25.5 kvar
6.교류 전력과 역률
답: Inew = 127.6 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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(36.87°) = 22.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11.48°) = 6.092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16.41 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(240·0.98) = 127.6 A
답
Inew = 127.6 A
7.LC 공진, Q 인자, 대역폭
답: WL = 12.18 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.
전기 입력 전력
Pin = Pout/η = 11/0.93 = 11.83 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11828/(√3·690·0.82) = 12.07 A
답
IL = 12.07 A
10.3상 전력
답: Cph = 681.7 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.