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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​30 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
−+Vs​ = 6 VIx​Is​1.5 AAR1​15 ΩR2​5 ΩB

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 B에 있으므로 VB − VA = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 화살표처럼 A에서 B로 전압원을 지나는 전류 Ix을(를) 구하시오.

Is = 1.5 AVs = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 5 Ω
Ix = A
4.마디 해석어려움
R1​ = 4 Ω−+Vs​ = 10 VIx​+−V1​36 VR2​12 ΩAR3​8 ΩBIs​2 A

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 B에 있으므로 VB − VA = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 화살표처럼 A에서 B로 전압원을 지나는 전류 Ix을(를) 구하시오.

V1 = 36 VIs = 2 AVs = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Ix = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​1 ABRL​20 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 20 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩRL = 20 Ω
IL = A
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 2.2 kΩR2​ = 6.8 kΩC220 µF+−vC​

전원 Vₛ가 R₁을 통해 커패시터를 충전하며, R₂는 C와 병렬로 연결되어 있습니다. t = 0에서 스위치가 닫힐 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. t = 500 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 24 VR1 = 2.2 kΩR2 = 6.8 kΩC = 220 µFt = 500 ms
vC = V
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​20 Vt = 0R = 4.7 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 4 V이다. vC이(가) 8.8 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

Vs = 20 VR = 4.7 kΩC = 47 µFvC(0) = 4 V
t = ms
9.교류 임피던스와 페이저보통
50 V100 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0.22 µF

직렬 RLC 회로의 R = 2 Ω, L = 1 mH, C = 0.22 µF이다. 공진에서의 선택도 Q을(를) 구하시오.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0.22 µF
Q =
11.교류 전력과 역률보통
120 VZ9 + j12 ΩI

임피던스 Z = 9 + j12 Ω인 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 피상 전력 S을(를) 구하시오.

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
S = VA
12.교류 전력과 역률어려움
100 V50 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

100 V(실효값), 50 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 8 + j40 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 최대 전력을 위한 부하는 저항과 커패시터의 직렬로 만든다. 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 8 + j40 Ω
C = µF
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M55 kW, η = 94%cos φ = 0.82

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 55 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 94%, 역률은 0.82(지상)이다. 전원의 선간 전압은 400 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 55 kWη = 94%cos φ = 0.82VL = 400 V
IL = A
14.3상 전력어려움
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

평형 3상 부하가 690 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 60 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 = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.변압기보통
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

단상 250 kVA, 2400/240 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 고압 권선의 전류 IHV을(를) 구하시오.

S = 250 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
16.변압기어려움
pf 0.8250 kVA, 75% 부하

단상 250 kVA 변압기의 철손은 750 W이고 정격 부하에서의 동손은 3000 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 75%를 역률 0.8(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 Wx = 0.75pf = 0.8
Ploss = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 15.44 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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5·11/(5+11) = 3.438 Ω
Req = R1 + 3.438 = 12 + 3.438 = 15.44 Ω

답

Req = 15.44 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 23.14 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​30 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 4.615 Ω
R3 + 4.615 = 14.62 Ω
R2 ∥ 14.62 = 3.14 Ω
Req = R1 + 3.14 = 20 + 3.14 = 23.14 Ω

답

Req = 23.14 Ω
3.마디 해석

답: Ix = 1.425 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 + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is

풀기

VA/15 + (VA + 6)/5 = 1.5
VA = (1.5 − 6/5)/(1/15 + 1/5) = 1.125 V
VB = 1.125 + 6 = 7.125 V

전압원을 지나는 전류

전원을 A에서 B로 지나는 전류는 모두 마디 B에서 R₂를 통해 나갑니다.

Ix = VB/R2 = 7.125/5 = 1.425 A

답

Ix = 1.425 A

결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.

4.마디 해석

답: Ix = 1.909 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 + 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

풀기

(VA − 36)/4 + VA/12 + (VA + 10)/8 = 2
VA·(1/4 + 1/12 + 1/8) = 2 + 36/4 − 10/8 = 9.75
VA = 9.75/0.4583 = 21.27 V
VB = 31.27 V

전압원을 지나는 전류

마디 A만의 KCL: R₁을 통해 들어오는 전류는 R₂와 전압원을 통해 나갑니다.

IR1 = (36 − 21.27)/4 = 3.682 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 3.682 − 21.27/12 = 1.909 A

답

Ix = 1.909 A

결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.

5.테브난·노턴

답: IN = 0.5882 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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω단락R2​4 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 10·4/(10+4) = 2.857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.857 + 2 = 4.857 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 10·4/(10+4) = 2.857 V
IN​0.5882 ARth​4.857 Ωab

노턴 등가 회로

노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.

IN = Vth/Rth = 2.857/4.857 = 0.5882 A
6.테브난·노턴

답: IL = 0.5574 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω단락R2​25 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 4·25/(4+25) = 3.448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.448 + 12 = 15.45 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​1 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) = 4.31 + 1·3.448 = 7.759 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7.759 + 1·12 = 19.76 V
Rth​ = 15.45 Ω+−Vth​19.76 VRL​20 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) = 19.76/(15.45 + 20) = 0.5574 A
7.RC·RL 과도 현상

답: vC = 13.51 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.

커패시터에서 본 테브난 등가 회로

Rth를 구하려면 전원을 단락하고, 최종 전압을 구하려면 커패시터를 개방하세요.

Rth = R1 ∥ R2 = 2.2·6.8/(2.2 + 6.8) = 1.662 kΩ
vC(∞) = 24·6.8/(2.2 + 6.8) = 18.13 V

시정수

τ = Rth·C = 1.662·220 = 365.7 ms

충전 곡선

vC(t) = 18.13·(1 − e−500/365.7) = 13.51 V

답

vC = 13.51 V
8.RC·RL 과도 현상

답: t = 78.79 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

커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 47 µF = 220.9 ms
vC(t) = 20 + (4 − 20)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

8.8 = 20 + (−16)·e−t/τ → e−t/τ = (8.8 − 20)/(4 − 20) = 0.7
t = τ·ln((4 − 20)/(8.8 − 20)) = 220.9·ln(1.429) = 78.79 ms

답

t = 78.79 ms
9.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.489 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.02 = 12.57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−21.3)²) = 102.2 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/102.2 = 0.489 A

답

I = 0.489 A
10.교류 임피던스와 페이저

답: Q = 33.71

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 주파수

f0 = 1/(2π·√(0.001·0.22·10⁻⁶)) = 10730 Hz

선택도

Q는 공진에서의 리액턴스를 저항과 비교합니다: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0.001/(0.22·10⁻⁶)) = 33.71

답

Q = 33.71
11.교류 전력과 역률

답: S = 960 VA

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.

전류

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

피상 전력

S = V·I = 120·8 = 960 VA

답

S = 960 VA
12.교류 전력과 역률

답: C = 79.58 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* = 8 − j40 Ω

정전 용량

XC = 40 Ω → C = 1/(2π·50·40) = 79.58 µF

답

C = 79.58 µF
13.3상 전력

답: IL = 103 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 = 55/0.94 = 58.51 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 58511/(√3·400·0.82) = 103 A

답

IL = 103 A
14.3상 전력

답: QC = 27.36 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 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 27.36 kvar

답

QC = 27.36 kvar
15.변압기

답: IHV = 104.2 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.

IHV = S/V = 250000/2400 = 104.2 A

답

IHV = 104.2 A
16.변압기

답: Ploss = 2438 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 = 0.5625·3000 = 1688 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

Ploss = 750 + 1688 = 2438 W

답

Ploss = 2438 W

이 부하에서의 효율은 η = 98.4%입니다.

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