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 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 ΩB

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​8 Ω

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​1.5 A

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R3에 흐르는 전류 IR3을(를) 구하시오.

V1 = 18 VIs = 1.5 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
4.마디 해석어려움
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​30 ΩAR5​10 ΩBIs​2.5 A+−V2​9 V

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

V1 = 5 VIs = 2.5 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 10 Ω
VB = V
5.테브난·노턴보통
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​6 ABab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​20 Vt = 0R = 100 ΩL100 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 20 VR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​12 VR1​ = 47 ΩR2​ = 5 Ωt = 0에 열림L100 mHi(t)

R2 양단의 스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 5 ms에서의 인덕터 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 12 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
9.교류 임피던스와 페이저보통
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 0.1 µF

C = 0.1 µF인 직렬 RLC 회로가 60 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 인덕턴스 L을(를) 구하시오.

f0 = 60 HzC = 0.1 µF
L = mH
10.교류 임피던스와 페이저어려움
50 V200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFI

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
I = A
11.교류 전력과 역률보통
P = 28 kWQSφ

단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.75로 28 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.

P = 28 kWpf = 0.75V = 230 V
I = A
12.교류 전력과 역률어려움
P1​ = 21 kWQ1​S1​φ

50 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.6의 21 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?

Smax = 50 kVAP1 = 21 kWpf1 = 0.6
ΔP = kW
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 415 VIL​ = 40 Acos φ = 0.7지상

평형 3상 부하가 선간 전압 415 V의 전원에서 선전류 40 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.7(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 415 VIL = 40 Acos φ = 0.7
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 400 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 150 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 = 150 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
4 Ω121

권수비 N₁:N₂ = 12:1인 이상 변압기의 2차 권선 양단에 4 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 권선 쪽에서 들여다본 저항 R1′을(를) 구하시오.

N1:N2 = 12:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
16.변압기어려움
pf 0.9100 kVA, η = 97.5%

단상 100 kVA 변압기의 철손은 800 W이다. 정격 부하, 역률 0.9(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 100 kVAPcore = 800 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 3.07 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​ = 5 Ω+−V1​30 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 15·7/(15+7) = 4.773 Ω
Req = R1 + 4.773 = 5 + 4.773 = 9.773 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 30/9.773 = 3.07 A

답

IR1 = 3.07 A
2.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 1.319 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​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​4 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 = 30 + 8 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 3.619 Ω
R3 + 3.619 = 15.62 Ω
R2 ∥ 15.62 = 6.097 Ω
Req = R1 + 6.097 = 5 + 6.097 = 11.1 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 24/11.1 = 2.163 A

R₂에 흐르는 전류

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2.163·5 = 13.19 V
IR2 = VA/R2 = 13.19/10 = 1.319 A

답

IR2 = 1.319 A
3.마디 해석

답: IR3 = 1.038 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 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​1.5 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 18 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/10 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0.4·VA − 0.1·VB = 3.6

마디 B에서 KCL

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/10 = (−1.5)
−0.1·VA + 0.35·VB = −1.5

풀기

Δ = (0.4)(0.35) − (−0.1)(−0.1) = 0.13
VA = Δ1/Δ = 1.11/0.13 = 8.538 V
VB = Δ2/Δ = −0.24/0.13 = −1.846 V

답

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8.538 − −1.846)/10 = 1.038 A
4.마디 해석

답: VB = 10.93 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​30 ΩAR5​10 ΩBIs​2.5 A+−V2​9 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 5 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/30 + (VA − 5)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0.4833·VA − 0.2·VB = 1.25

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/10 + (VB − VA)/5 + (VB − 9)/3 = 2.5
−0.2·VA + 0.6333·VB = 5.5

풀기

Δ = (0.4833)(0.6333) − (−0.2)(−0.2) = 0.2661
VA = Δ1/Δ = 1.892/0.2661 = 7.109 V
VB = Δ2/Δ = 2.908/0.2661 = 10.93 V

답

VB = 10.93 V
5.테브난·노턴

답: Vth = 20 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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω단락R2​20 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 10·20/(10+20) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 2 = 8.667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​20 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) = 30·20/(10+20) = 20 V
6.테브난·노턴

답: Vth = 53.33 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​10 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 5 = 8.333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​6 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) = 3.333 + 6·3.333 = 23.33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23.33 + 6·5 = 53.33 V
7.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.1264 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 = 100 mH / 100 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/100 = 0.2 A

주어진 시각의 전류

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.2·(1 − e−1/1) = 0.1264 A

답

i = 0.1264 A
8.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.2326 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.

초기값, 최종값, 시정수

t = 0 전에는 닫힌 스위치가 R₂를 우회하고, 그 후에는 R₁과 R₂가 모두 루프에 있습니다.

i(0) = 12/47 = 0.2553 A
i(∞) = 12/(47 + 5) = 0.2308 A
τ = L/R = 100/52 = 1.923 ms
i(t) = 0.2308 + (0.2553 − 0.2308)·e−t/τ

주어진 시각의 전류

i(5) = 0.2308 + (0.02455)·e−5/1.923 = 0.2326 A

답

i = 0.2326 A
9.교류 임피던스와 페이저

답: L = 70362 mH

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 조건

공진에서는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·0.1·10⁻⁶) = 70362 mH

답

L = 70362 mH
10.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.994 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−43.65)²) = 50.3 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/50.3 = 0.994 A

답

I = 0.994 A
11.교류 전력과 역률

답: I = 162.3 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.

선전류

일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.

I = P/(V·cos φ) = 28000/(230·0.75) = 162.3 A

답

I = 162.3 A
12.교류 전력과 역률

답: ΔP = 20.42 kW

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.

기존 부하의 무효 전력

Q1 = 21·tan(arccos 0.6) = 28 kvar

최대 전체 유효 전력

정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.

P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 28²) = 41.42 kW

추가 유효 전력

ΔP = 41.42 − 21 = 20.42 kW

답

ΔP = 20.42 kW
13.3상 전력

답: P = 20.13 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 = √3·415·40 = 28.75 kVA

유효 전력

P = S·cos φ = 28.75·0.7 = 20.13 kW

답

P = 20.13 kW
14.3상 전력

답: Cph = 1123 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 = 150·tan(acos 0.78) = 150·0.8023 = 120.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 56.44 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18814/(314.2·230.9²) = 1123 µF

답

Cph = 1123 µF
15.변압기

답: R1′ = 576 Ω

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 = 12²·4 = 576 Ω

답

R1′ = 576 Ω
16.변압기

답: Pcu,fl = 1508 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.

출력 전력과 입력 전력

Pout = 100·0.9 = 90 kW
Pin = 90000/0.975 = 92308 W

전체 손실과 동손

Ploss = 92308 − 90000 = 2308 W
Pcu,fl = 2308 − 800 = 1508 W

답

Pcu,fl = 1508 W

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