t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.
Vs = 9 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
8.RC·RL 과도 현상어려움
스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 회로는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 80 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR1 = 2.2 kΩR2 = 2.2 kΩC = 100 µFt = 80 ms
vC = V
9.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 100 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
저항 R1이(가) R2와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 12 V(실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩC = 22 µF
I = A
11.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.65로 6 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 6 kWpf = 0.65V = 230 V
I = A
12.교류 전력과 역률어려움
230 V(실효값), 1000 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 2 + j3 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 최대 전력을 위한 부하는 저항과 커패시터의 직렬로 만든다. 커패시턴스 C을(를) 구하시오.
Vs = 230 V (rms)f = 1000 HzZs = 2 + j3 Ω
C = µF
13.3상 전력보통
상당 임피던스가 9 + j12 Ω인 평형 Y 결선 부하가 선간 전압 208 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 150 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 = 150 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 2차 권선 양단에 50 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 권선 쪽에서 들여다본 저항 R1′을(를) 구하시오.
N1:N2 = 5:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
16.변압기어려움
단상 75 kVA 변압기의 철손은 300 W이다. 정격 부하, 역률 0.85(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 75 kVAPcore = 300 Wpf = 0.85η = 97.5%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 8 Ω
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R3 + R4 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 6 + 2 = 8 Ω
답
Req = 8 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: Req = 37.93 Ω
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R5 + R6 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7.143 Ω
R3 + 7.143 = 13.14 Ω
R2 ∥ 13.14 = 7.931 Ω
Req = R1 + 7.931 = 30 + 7.931 = 37.93 Ω
답
Req = 37.93 Ω
3.마디 해석
답: PIs = 35.89 W
마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.
마디 A에서 KCL
저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0.6167·VA − 0.2·VB = 5
마디 B에서 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/5 = 2
−0.2·VA + 0.2667·VB = 2
풀기
Δ = (0.6167)(0.2667) − (−0.2)(−0.2) = 0.1244
VA = Δ1/Δ = 1.733/0.1244 = 13.93 V
VB = Δ2/Δ = 2.233/0.1244 = 17.95 V
전류원이 공급하는 전력
전원은 Iₛ를 접지(0 V)에서 VB로, 마디 B을(를) 향해 위로 밀어 올립니다. 전류가 + 단자에서 나오는 전원은 P = V·I를 공급합니다.
PIs = VB·Is = 17.95·2 = 35.89 W
답
PIs = 35.89 W
4.마디 해석
답: VA = 11.21 V
마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.
마디 설정
접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 30 V, V2 = 10 V). 미지수: VA, VB.
마디 A에서 KCL
저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0.4333·VA − 0.3333·VB = 2
마디 B에서 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 + (VB − 10)/3 = 1.5
−0.3333·VA + VB = 4.833
풀기
Δ = (0.4333)(1) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.3222
VA = Δ1/Δ = 3.611/0.3222 = 11.21 V
VB = Δ2/Δ = 2.761/0.3222 = 8.569 V
답
VA = 11.21 V
5.테브난·노턴
답: Vth = 16.94 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 = 5·12/(5+12) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 15 = 18.53 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) = 24·12/(5+12) = 16.94 V
6.테브난·노턴
답: IL = 2.348 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 = 15·8/(15+8) = 5.217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.217 + 30 = 35.22 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) = 5.217 + 3·5.217 = 20.87 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20.87 + 3·30 = 110.9 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) = 110.9/(35.22 + 12) = 2.348 A
7.RC·RL 과도 현상
답: W = 5.377 mJ
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 = 47 mH / 15 Ω = 3.133 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0.6 A
주어진 시각의 전류
i(t) = 0.6·(1 − e−5/3.133) = 0.4783 A
저장된 에너지
W = ½·L·i² = ½·47·0.4783² = 5.377 mJ
답
W = 5.377 mJ
8.RC·RL 과도 현상
답: vC = 4.171 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.
초기 커패시터 전압
정상 상태에서 커패시터는 개방 회로이므로 R₁과 R₂가 전압 분배기를 이룹니다. 스위치가 열릴 때 커패시터 전압은 급변할 수 없습니다.
vC(0) = 12·2.2/(2.2 + 2.2) = 6 V
스위치가 열린 뒤의 시정수
τ = R2·C = 2.2·100 = 220 ms
방전
vC(t) = 6·e−80/220 = 4.171 V
답
vC = 4.171 V
9.교류 임피던스와 페이저
답: I = 5.563 A
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) = 6000/(230·0.65) = 40.13 A
답
I = 40.13 A
12.교류 전력과 역률
답: C = 53.05 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.
켤레 정합
부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.
ZL = Zs* = 2 − j3 Ω
정전 용량
XC = 3 Ω → C = 1/(2π·1000·3) = 53.05 µF
답
C = 53.05 µF
13.3상 전력
답: P = 1.731 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.
상전압
Vph = 208/√3 = 120.1 V
상전류
|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 120.1/15 = 8.006 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·8.006²·9 = 1.731 kW
답
P = 1.731 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
14.3상 전력
답: QC = 56.44 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 = 150·tan(acos 0.78) = 150·0.8023 = 120.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 56.44 kvar
답
QC = 56.44 kvar
15.변압기
답: R1′ = 1250 Ω
이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.
환산 저항
전압은 a배 커지고 전류는 a배 작아지므로 V/I의 비는 a²배 커집니다.
R1′ = a²·RL = 5²·50 = 1250 Ω
답
R1′ = 1250 Ω
16.변압기
답: Pcu,fl = 1335 W
변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.