3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 11 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 93%, 역률은 0.88(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 11 kWη = 93%cos φ = 0.88VL = 415 V
IL = A
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 60 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 = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.변압기보통
단상 100 kVA, 4160/480 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 ILV을(를) 구하시오.
S = 100 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
16.변압기어려움
단상 100 kVA 변압기의 철손은 600 W이다. 정격 부하, 역률 0.8(지상)에서 효율은 98%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 100 kVAPcore = 600 Wpf = 0.8η = 98%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 7.64 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 3·22/(3+22) = 2.64 Ω
Req = R1 + 2.64 = 5 + 2.64 = 7.64 Ω
답
Req = 7.64 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: IR1 = 0.4738 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 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 18.75 Ω
R3 + 18.75 = 23.75 Ω
R2 ∥ 23.75 = 2.664 Ω
Req = R1 + 2.664 = 10 + 2.664 = 12.66 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 6/12.66 = 0.4738 A
답
IR1 = 0.4738 A
3.마디 해석
답: Ix = 3.308 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.
슈퍼노드 만들기
A와 B 사이의 전압원에는 미지의 전류가 흐르므로 A나 B에서 따로 KCL을 쓸 수 없습니다. A, B와 전원을 하나의 슈퍼노드로 묶으세요. 들어오는 전류와 나가는 전류가 같습니다.
VB = VA + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
풀기
VA/10 + (VA + 3)/3 = 4
VA = (4 − 3/3)/(1/10 + 1/3) = 6.923 V
VB = 6.923 + 3 = 9.923 V
전압원을 지나는 전류
전원을 A에서 B로 지나는 전류는 모두 마디 B에서 R₂를 통해 나갑니다.
Ix = VB/R2 = 9.923/3 = 3.308 A
답
Ix = 3.308 A
결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.
4.마디 해석
답: IR1 = −0.2222 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 설정
접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 15 V, V2 = 36 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/10 + (VA − 15)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0.6333·VA − 0.5·VB = 0.5
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/12 + (VB − VA)/2 + (VB − 36)/6 = 3
−0.5·VA + 0.75·VB = 9
풀기
Δ = (0.6333)(0.75) − (−0.5)(−0.5) = 0.225
VA = Δ1/Δ = 4.875/0.225 = 21.67 V
VB = Δ2/Δ = 5.95/0.225 = 26.44 V
답
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 21.67)/30 = −0.2222 A
5.테브난·노턴
답: Vth = 6 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 8 = 14 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) = 15·10/(15+10) = 6 V
6.테브난·노턴
답: IL = 0.6832 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 = 3·2/(3+2) = 1.2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.2 + 6 = 7.2 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 + 2.5·1.2 = 7 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7 + 2.5·6 = 22 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) = 22/(7.2 + 25) = 0.6832 A
7.RC·RL 과도 현상
답: i = 0.9587 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.
시정수
τ = L/R = 68 mH / 50 Ω = 1.36 ms
전류의 감쇠
i(t) = 2·e−1/1.36 = 0.9587 A
답
i = 0.9587 A
8.RC·RL 과도 현상
답: t = 347.4 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.
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) = 36000/(400·0.7) = 128.6 A
답
I = 128.6 A
12.교류 전력과 역률
답: Inew = 241.5 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 = 50·tan(53.13°) = 66.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(25.84°) = 24.22 kvar
QC = Q1 − Q2 = 42.45 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 50000/(230·0.9) = 241.5 A
답
Inew = 241.5 A
13.3상 전력
답: IL = 18.7 A
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/(√3·415·0.88) = 18.7 A
답
IL = 18.7 A
14.3상 전력
답: QC = 33.19 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 = 60·tan(acos 0.75) = 60·0.8819 = 52.92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.95) = 60·0.3287 = 19.72 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 33.19 kvar
답
QC = 33.19 kvar
15.변압기
답: ILV = 208.3 A
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.
정격 전류
두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.
ILV = S/V = 100000/480 = 208.3 A
답
ILV = 208.3 A
16.변압기
답: Pcu,fl = 1033 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.