전기공학개론: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z

방법

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

변압기

권수비
a = N1/N2 = V1/V2
전류비
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
정격 전류
I = S/V
환산 임피던스
Z1′ = a²·ZL
부분 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl
효율
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
최대 효율
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩIR2​AR4​2 ΩB

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​8 Ω

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

마디 해석법을 이용해 전류원 Is이(가) 공급하는 전력 PIs을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
PIs = W
4.마디 해석어려움
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 25 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​1 A+−V2​9 V

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 1 AV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩARL​15 ΩIL​B

a–b 사이에 부하 RL = 15 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩRL = 15 Ω
IL = A
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​0.5 ABab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 6 VIs = 0.5 AR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 ΩL22 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 75%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.

Vs = 5 VR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​6 VR1​ = 5 ΩR2​ = 10 Ωt = 0에 닫힘L47 mHi(t)

R2 양단의 스위치가 오랫동안 열려 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 닫혀 R2을(를) 단락한다. t = 0 후 얼마 만에 인덕터 전류가 0.88 A에 도달하는가? t을(를) 구하시오.

Vs = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
9.교류 임피던스와 페이저보통
24 V60 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

직렬 RLC 회로가 24 V (실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
10 Vf0​R = 50 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF

직렬 RLC 회로를 10 V(실효값) 전원으로 구동하며, 전원 주파수는 회로의 공진 주파수로 맞추어져 있다. 인덕터 양단의 실효 전압 VL을(를) 구하시오.

V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF
VL = V
11.교류 전력과 역률보통
P = 27 kWQ = ?Sφ

단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.7로 27 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.

P = 27 kWpf = 0.7V = 400 V
Q = kvar
12.교류 전력과 역률어려움
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 15 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.9(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.

P = 15 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0.95지상

평형 3상 부하가 선간 전압 400 V의 전원에서 선전류 20 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.95(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0.95
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 75 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 75 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
2 ΩN1​N2​32 Ω

출력 저항이 32 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 2 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 32 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.

Rs = 32 ΩRL = 2 Ω
a =
16.변압기어려움
pf 0.8525 kVA, 75% 부하

단상 25 kVA 변압기의 철손은 125 W이고 정격 부하에서의 동손은 312.5 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 75%를 역률 0.85(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 312.5 Wx = 0.75pf = 0.85
Ploss = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.6128 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​2 ΩB

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 = 6 + 2 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5.217 Ω
Req = R1 + 5.217 = 5 + 5.217 = 10.22 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 18/10.22 = 1.762 A

R₂에 흐르는 전류

R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1.762·5 = 9.191 V
IR2 = VA/R2 = 9.191/15 = 0.6128 A

답

IR2 = 0.6128 A
2.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.2254 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.

R1​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 7.886 Ω
R3 + 7.886 = 9.886 Ω
R2 ∥ 9.886 = 4.422 Ω
Req = R1 + 4.422 = 25 + 4.422 = 29.42 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 12/29.42 = 0.4079 A

R₂에 흐르는 전류

R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0.4079·25 = 1.803 V
IR2 = VA/R2 = 1.803/8 = 0.2254 A

답

IR2 = 0.2254 A
3.마디 해석

답: PIs = 20.72 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/20 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/3 = 0
0.8833·VA − 0.3333·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/2 + (VB − VA)/3 = 3
−0.3333·VA + 0.8333·VB = 3

풀기

Δ = (0.8833)(0.8333) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.625
VA = Δ1/Δ = 5.167/0.625 = 8.267 V
VB = Δ2/Δ = 4.317/0.625 = 6.907 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 = 6.907·3 = 20.72 W

답

PIs = 20.72 W
4.마디 해석

답: IR1 = 0.2885 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.

R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​1 A+−V2​9 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 10 V, V2 = 9 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/25 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/25 = 0
0.18·VA − 0.04·VB = 1

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/6 + (VB − VA)/25 + (VB − 9)/12 = 1
−0.04·VA + 0.29·VB = 1.75

풀기

Δ = (0.18)(0.29) − (−0.04)(−0.04) = 0.0506
VA = Δ1/Δ = 0.36/0.0506 = 7.115 V
VB = Δ2/Δ = 0.355/0.0506 = 7.016 V

답

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 7.115)/10 = 0.2885 A
5.테브난·노턴

답: IL = 0.1132 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω단락R2​3 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 5·3/(5+3) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 3 = 4.875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab+−Vth​

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) = 6·3/(5+3) = 2.25 V
Rth​ = 4.875 Ω+−Vth​2.25 VRL​15 ΩIL​

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) = 2.25/(4.875 + 15) = 0.1132 A
6.테브난·노턴

답: Vth = 0.4167 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω단락R2​25 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 5·25/(5+25) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 5 = 9.167 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​0.5 ABab+−Vth​

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 + (−0.5)·4.167 = 2.917 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2.917 + (−0.5)·5 = 0.4167 V
7.RC·RL 과도 현상

답: t = 0.61 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.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0.44 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0.1 A

시간에 대해 풀기

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −0.44·ln(0.25) = 0.61 ms

답

t = 0.61 ms
8.RC·RL 과도 현상

답: t = 8.613 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.

초기값, 최종값, 시정수

t = 0 전에는 두 저항이 모두 루프에 있고, 그 후에는 닫힌 스위치가 R₂를 우회합니다.

i(0) = 6/(5 + 10) = 0.4 A
i(∞) = 6/5 = 1.2 A
τ = L/R = 47/5 = 9.4 ms
i(t) = 1.2 + (0.4 − 1.2)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

e−t/τ = (0.88 − 1.2)/(0.4 − 1.2) = 0.4
t = 9.4·ln(2.5) = 8.613 ms

답

t = 8.613 ms
9.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.6785 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.

리액턴스

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.1 = 37.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56.44 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−18.74)²) = 35.37 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 24/35.37 = 0.6785 A

답

I = 0.6785 A
10.교류 임피던스와 페이저

답: VL = 60.3 V

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.

공진

공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·0.22·10⁻⁶) = 15076 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0.2 A

인덕터 양단의 전압

XL = ω₀L = 15076·0.02 = 301.5 Ω
VL = I·XL = 0.2·301.5 = 60.3 V

답

VL = 60.3 V

이는 전원 전압의 Q = 6.03배입니다.

11.교류 전력과 역률

답: Q = 27.55 kvar

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(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

무효 전력

Q = P·tan φ = 27·1.02 = 27.55 kvar

답

Q = 27.55 kvar
12.교류 전력과 역률

답: QC = 3.985 kvar

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 = 15·tan(36.87°) = 11.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25.84°) = 7.265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3.985 kvar

답

QC = 3.985 kvar
13.3상 전력

답: P = 13.16 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.

피상 전력

S = √3·VL·IL = √3·400·20 = 13.86 kVA

유효 전력

P = S·cos φ = 13.86·0.95 = 13.16 kW

답

P = 13.16 kW
14.3상 전력

답: Cph = 368.3 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.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0.8) = 75·0.75 = 56.25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.9) = 75·0.4843 = 36.32 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 19.93 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 6642/(314.2·239.6²) = 368.3 µF

답

Cph = 368.3 µF
15.변압기

답: a = 4

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

a²·2 = 32
a = √(32/2) = √16 = 4

답

a = 4
16.변압기

답: Ploss = 300.8 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.

이 부하에서의 동손

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.5625·312.5 = 175.8 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

Ploss = 125 + 175.8 = 300.8 W

답

Ploss = 300.8 W

이 부하에서의 효율은 η = 98.15%입니다.

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