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​ = 4 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​12 ΩB

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​3 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

마디 해석법을 이용해 마디 전압 VA (접지 기준)을(를) 구하시오.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​15 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 Ω
IR2 = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​2.5 ABRL​20 ΩIL​

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

V1 = 30 VIs = 2.5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩRL = 20 Ω
IL = A
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 10 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 2 V이다. t = 20 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 2 Vt = 20 ms
vC = V
9.교류 임피던스와 페이저보통
12 V100 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2.2 µFI

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF
cos φ =
10.교류 임피던스와 페이저어려움
12 V100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 공진 주파수 f0을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
f0 = Hz
11.교류 전력과 역률보통
240 VZ4 + j3 ΩI

임피던스 Z = 4 + j3 Ω인 부하가 240 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.

V = 240 VZ = 4 + j3 Ω
Q = var
12.교류 전력과 역률어려움
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 240 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 50 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.98(으)로 높인다. 필요한 정전 용량 C을(를) 구하시오.

P = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 208 VZ = 8 + j6 Ω상당

상당 임피던스가 8 + j6 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 = 8 + j6 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 100 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
RL​ = 4 Ω1012300 VV2​I1​ = ?I2​

권수비 N₁:N₂ = 10:1인 이상 변압기의 1차 권선에 2300 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 4 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.

N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.변압기어려움
250 kVA

단상 250 kVA 변압기의 철손은 1500 W이고 정격 부하에서의 동손은 3000 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 1.036 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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 2·17/(2+17) = 1.789 Ω
Req = R1 + 1.789 = 4 + 1.789 = 5.789 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 6/5.789 = 1.036 A

답

IR1 = 1.036 A
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 17.61 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​3 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 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 12.45 Ω
R3 + 12.45 = 15.45 Ω
R2 ∥ 15.45 = 7.612 Ω
Req = R1 + 7.612 = 10 + 7.612 = 17.61 Ω

답

Req = 17.61 Ω
3.마디 해석

답: VA = 2.487 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 9 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/2 + (VA − 9)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0.725·VA − 0.125·VB = 0.9

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 3
−0.125·VA + 0.4583·VB = 3

풀기

Δ = (0.725)(0.4583) − (−0.125)(−0.125) = 0.3167
VA = Δ1/Δ = 0.7875/0.3167 = 2.487 V
VB = Δ2/Δ = 2.287/0.3167 = 7.224 V

답

VA = 2.487 V
4.마디 해석

답: IR2 = −1.717 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​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​15 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 9 V, V2 = 24 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/15 + (VA − 9)/5 + (VA − VB)/8 = 0
0.3917·VA − 0.125·VB = 1.8

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/15 + (VB − VA)/8 + (VB − 24)/6 = 4
−0.125·VA + 0.3583·VB = 8

풀기

Δ = (0.3917)(0.3583) − (−0.125)(−0.125) = 0.1247
VA = Δ1/Δ = 1.645/0.1247 = 13.19 V
VB = Δ2/Δ = 3.358/0.1247 = 26.93 V

답

IR2 = (VA − VB)/R2 = (13.19 − 26.93)/8 = −1.717 A
5.테브난·노턴

답: Rth = 4.714 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω단락R2​2 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 12·2/(12+2) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 3 = 4.714 Ω
6.테브난·노턴

답: IL = 1.423 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​ = 10 Ω단락R2​5 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 5·5/(5+5) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 10 = 12.5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​2.5 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) = 15 + 2.5·2.5 = 21.25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21.25 + 2.5·10 = 46.25 V
Rth​ = 12.5 Ω+−Vth​46.25 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) = 46.25/(12.5 + 20) = 1.423 A
7.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.2842 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.

시정수와 최종 전류

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

τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3.4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0.3 A

주어진 시각의 전류

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.3·(1 − e−10/3.4) = 0.2842 A

답

i = 0.2842 A
8.RC·RL 과도 현상

답: vC = 8.053 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.

초기값, 최종값, 시정수

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

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 9 + (2 − 9)·e−t/τ

주어진 시각의 전압

vC(20) = 9 + (−7)·e−20/10 = 8.053 V

답

vC = 8.053 V
9.교류 임피던스와 페이저

답: cos φ = 0.1326

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 = 125.7 Ω, XC = 723.4 Ω

임피던스

|Z| = √(80² + (−597.8)²) = 603.1 Ω

역률

cos φ = R/|Z| = 80/603.1 = 0.1326
회로가 용량성이므로 역률은 진상입니다.

답

cos φ = 0.1326
10.교류 임피던스와 페이저

답: f0 = 339.3 Hz

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

공진 시 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC). 전원 주파수와는 관계없습니다.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.1·2.2·10⁻⁶)) = 339.3 Hz

답

f0 = 339.3 Hz
11.교류 전력과 역률

답: Q = 6912 var

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| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 240/5 = 48 A

무효 전력

Q = I²·X = 48²·3 = 6912 var

답

Q = 6912 var
12.교류 전력과 역률

답: C = 1511 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.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(36.87°) = 37.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(11.48°) = 10.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27.35 kvar

정전 용량

전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.

C = QC/(2πf·V²) = 27347/(2π·50·240²) = 1511 µF

답

C = 1511 µF
13.3상 전력

답: P = 10.38 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| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20.8 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·20.8²·8 = 10.38 kW

답

P = 10.38 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

14.3상 전력

답: Cph = 785.2 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 = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 47.36 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15787/(377·230.9²) = 785.2 µF

답

Cph = 785.2 µF
15.변압기

답: I1 = 5.75 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.

2차 전압과 전류

V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/4 = 57.5 A

1차 전류

이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 5.75 A

답

I1 = 5.75 A

확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 400 Ω이고, 2300/400도 같은 전류를 줍니다.

16.변압기

답: Sη,max = 176.8 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.

동손 = 철손

x²·3000 = 1500 → x = √(1500/3000) = 0.7071

최대 효율에서의 부하

Sη,max = x·S = 0.7071·250 = 176.8 kVA

답

Sη,max = 176.8 kVA

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