상당 임피던스가 16 + j12 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 208 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 208 VZ = 16 + j12 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 75 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 75 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
출력 저항이 90 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 10 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 90 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.
Rs = 90 ΩRL = 10 Ω
a =
16.변압기어려움
단상 100 kVA 변압기의 철손은 500 W이고 정격 부하에서의 동손은 1250 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 1250 W
Sη,max = kVA
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 22.47 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 3·14/(3+14) = 2.471 Ω
Req = R1 + 2.471 = 20 + 2.471 = 22.47 Ω
답
Req = 22.47 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.3878 A
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 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 3.529 Ω
R3 + 3.529 = 33.53 Ω
R2 ∥ 33.53 = 15.83 Ω
Req = R1 + 15.83 = 25 + 15.83 = 40.83 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 30/40.83 = 0.7347 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0.7347·25 = 11.63 V
IR2 = VA/R2 = 11.63/30 = 0.3878 A
답
IR2 = 0.3878 A
3.마디 해석
답: VA = 28.75 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). 미지수: VA, VB.
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/15 + (VA − 30)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0.3333·VA − 0.1·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/20 + (VB − VA)/10 = 4
−0.1·VA + 0.15·VB = 4
풀기
Δ = (0.3333)(0.15) − (−0.1)(−0.1) = 0.04
VA = Δ1/Δ = 1.15/0.04 = 28.75 V
VB = Δ2/Δ = 1.833/0.04 = 45.83 V
답
VA = 28.75 V
4.마디 해석
답: Is = 5.85 A
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 A에서의 KCL
VA를 알고 있으므로 이 방정식에서 VB가 나옵니다.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(12 − 18)/15 + 12/8 = (VB − 12)/15
1.1 = (VB − 12)/15 → VB = 28.5 V
마디 B에서의 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (28.5 − 12)/15 + 28.5/6 = 5.85 A
답
Is = 5.85 A
5.테브난·노턴
답: IL = 0.36 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 = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 5 = 8.75 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) = 18·6/(10+6) = 6.75 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) = 6.75/(8.75 + 10) = 0.36 A
6.테브난·노턴
답: Vth = −41.7 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 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) = 10.8 + (−2.5)·6 = −4.2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4.2 + (−2.5)·15 = −41.7 V
7.RC·RL 과도 현상
답: vL = 8.829 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0.5106 A
인덕터 전압
t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−1/1 = 8.829 V
답
vL = 8.829 V
8.RC·RL 과도 현상
답: vC = 0.5366 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) = 9·3.3/(4.7 + 3.3) = 3.712 V
스위치가 열린 뒤의 시정수
τ = R2·C = 3.3·47 = 155.1 ms
방전
vC(t) = 3.712·e−300/155.1 = 0.5366 V
답
vC = 0.5366 V
9.교류 임피던스와 페이저
답: cos φ = 0.1061
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 = 251.3 Ω, XC = 16.93 Ω
임피던스
|Z| = √(25² + (234.4)²) = 235.7 Ω
역률
cos φ = R/|Z| = 25/235.7 = 0.1061
회로가 유도성이므로 역률은 지상입니다.
답
cos φ = 0.1061
10.교류 임피던스와 페이저
답: Q = 67.42
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) = 30000/(400·0.6) = 125 A
답
I = 125 A
12.교류 전력과 역률
답: Inew = 122.3 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 = 45·tan(36.87°) = 33.75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23.07°) = 19.17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14.58 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0.92) = 122.3 A
답
Inew = 122.3 A
13.3상 전력
답: P = 5.192 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 = VL = 208 V
상전류
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 208/20 = 10.4 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·10.4²·16 = 5.192 kW
답
P = 5.192 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
14.3상 전력
답: Cph = 1116 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.
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 부하 정합
a²·10 = 90
a = √(90/10) = √9 = 3
답
a = 3
16.변압기
답: Sη,max = 63.25 kVA
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.