전원 Vₛ가 R₁을 통해 커패시터를 충전하며, R₂는 C와 병렬로 연결되어 있습니다. t = 0에서 스위치가 닫힐 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. t = 25 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 6.8 kΩC = 10 µFt = 25 ms
vC = V
8.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 10 V이다. t = 40 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 9 VR = 3.3 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 Vt = 40 ms
vC = V
9.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 2.2 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
저항 R1이(가) R2와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 120 V(실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 50 ΩR2 = 30 ΩC = 22 µF
I = A
11.교류 전력과 역률보통
유도성 부하가 240 V(실효값) 단상 전원에서 19 A와 3192 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. R을(를) 구하시오.
V = 240 VI = 19 AP = 3192 W
R = Ω
12.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 240 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 6 kW를 소비한다. 68 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 6 kWpf1 = 0.7V = 240 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
13.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 45 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 91%, 역률은 0.86(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 45 kWη = 91%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 80 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 80 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 3:1인 이상 변압기의 2차 권선 양단에 8 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 권선 쪽에서 들여다본 저항 R1′을(를) 구하시오.
N1:N2 = 3:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
16.변압기어려움
단상 150 kVA 변압기의 철손은 1200 W이다. 정격 부하, 역률 0.8(지상)에서 효율은 98.2%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 150 kVAPcore = 1200 Wpf = 0.8η = 98.2%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 11 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 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 8·24/(8+24) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 5 + 6 = 11 Ω
답
Req = 11 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: IR1 = 1.395 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 + 25 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 4.583 Ω
R3 + 4.583 = 19.58 Ω
R2 ∥ 19.58 = 2.601 Ω
Req = R1 + 2.601 = 6 + 2.601 = 8.601 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 12/8.601 = 1.395 A
답
IR1 = 1.395 A
3.마디 해석
답: I1 = 1.111 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
아래 도선을 접지로 잡습니다. 각 가지는 A에서 나가는 방향으로 (VA − Vk)/Rk의 전류가 흐르며, Vk는 그 가지 전원의 전압입니다(저항만 있으면 0). A에서 나가는 전류의 합은 0입니다.
(VA − 10)/10 + (VA − (−6))/4 + VA/10 = 0
VA 구하기
VA = (10/10 + (−6)/4 + 0/10) / (1/10 + 1/4 + 1/10) = −0.5/0.45 = −1.111 V
가지 전류
화살표는 가지를 따라 위쪽, 마디 A로 향합니다.
I1 = (10 − VA)/R1 = (10 − (−1.111))/10 = 1.111 A
답
I1 = 1.111 A
결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.
4.마디 해석
답: IR2 = −0.9207 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 = 18 V, V2 = 36 V). 미지수: VA, VB.
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.
유효 전력에서 구한 저항
R = P/I² = 3192/19² = 8.842 Ω
답
R = 8.842 Ω
12.교류 전력과 역률
답: I = 31.62 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 = 6·tan(arccos 0.7) = 6.121 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1477 var = 1.477 kvar
Q2 = 6.121 − 1.477 = 4.645 kvar
새 피상 전력
S2 = √(6² + 4.645²) = 7.588 kVA
새 선전류
I = S2/V = 7588/240 = 31.62 A
답
I = 31.62 A
13.3상 전력
답: IL = 48.11 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 = 45/0.91 = 49.45 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 49451/(√3·690·0.86) = 48.11 A
답
IL = 48.11 A
14.3상 전력
답: Cph = 915.6 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 저항
전압은 a배 커지고 전류는 a배 작아지므로 V/I의 비는 a²배 커집니다.
R1′ = a²·RL = 3²·8 = 72 Ω
답
R1′ = 72 Ω
16.변압기
답: Pcu,fl = 999.6 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.