3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 11 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.9(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 11 kWη = 88%cos φ = 0.9VL = 415 V
IL = A
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(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 = 0.75pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
단상 10 kVA, 10000/400 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 ILV을(를) 구하시오.
S = 10 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
16.변압기어려움
단상 25 kVA 변압기의 철손은 150 W이다. 정격 부하, 역률 0.95(지상)에서 효율은 98.2%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 25 kVAPcore = 150 Wpf = 0.95η = 98.2%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: IR1 = 4.034 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.
R3 + R4 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 3·13/(3+13) = 2.438 Ω
Req = R1 + 2.438 = 5 + 2.438 = 7.438 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 30/7.438 = 4.034 A
답
IR1 = 4.034 A
2.저항의 직렬·병렬
답: Req = 9.47 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.
R5 + R6 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 11.79 Ω
R3 + 11.79 = 19.79 Ω
R2 ∥ 19.79 = 7.47 Ω
Req = R1 + 7.47 = 2 + 7.47 = 9.47 Ω
답
Req = 9.47 Ω
3.마디 해석
답: I3 = 0.4615 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 − 15)/20 + (VA − 9)/20 + (VA − 18)/3 = 0
VA 구하기
VA = (15/20 + 9/20 + 18/3) / (1/20 + 1/20 + 1/3) = 7.2/0.4333 = 16.62 V
가지 전류
화살표는 가지를 따라 위쪽, 마디 A로 향합니다.
I3 = (18 − VA)/R3 = (18 − 16.62)/3 = 0.4615 A
답
I3 = 0.4615 A
결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.
4.마디 해석
답: IR4 = 8.757 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
저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.9167·VA − 0.25·VB = 18
마디 B에서의 KCL
종속 전원은 g·VA를 마디 B로 밀어 넣습니다. 독립 전원처럼 다룬 다음 VA 항을 좌변으로 옮기세요.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.5·VA
−0.75·VA + 0.3167·VB = 0
풀기
Δ = (0.9167)(0.3167) − (−0.25)(−0.75) = 0.1028
VA = Δ1/Δ = 5.7/0.1028 = 55.46 V
VB = Δ2/Δ = 13.5/0.1028 = 131.4 V
R₄의 전류
IR4 = VB/R4 = 131.4/15 = 8.757 A
답
IR4 = 8.757 A
5.테브난·노턴
답: Vth = 9.6 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.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 Ω
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) = 24·10/(15+10) = 9.6 V
6.테브난·노턴
답: IN = −0.5385 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.
모든 전원을 끄고 Rth 구하기
전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.
R1 ∥ R2 = 30·5/(30+5) = 4.286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.286 + 5 = 9.286 Ω
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) = 4.286 + (−1)·4.286 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−1)·5 = −5 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = −5/9.286 = −0.5385 A
7.RC·RL 과도 현상
답: vL = 2.417 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.
시정수와 최종 전류
스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.
τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1.1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0.3 A
인덕터 전압
t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/1.1 = 2.417 V
답
vL = 2.417 V
8.RC·RL 과도 현상
답: C = 23.22 µF
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.
필요한 시정수
3 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 3))
τ = 100/0.9163 = 109.1 ms
정전 용량
kΩ × µF는 밀리초입니다.
C = τ/R = 109.1/4.7 = 23.22 µF
답
C = 23.22 µF
9.교류 임피던스와 페이저
답: I = 0.108 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.
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(0.75) = 41.41°, tan φ = 0.8819
무효 전력
Q = P·tan φ = 29·0.8819 = 25.58 kvar
답
Q = 25.58 kvar
12.교류 전력과 역률
답: C = 1533 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 = 30·tan(53.13°) = 40 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25.84°) = 14.53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 25.47 kvar
정전 용량
전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.
C = QC/(2πf·V²) = 25470/(2π·50·230²) = 1533 µF
답
C = 1533 µF
13.3상 전력
답: IL = 19.32 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 = 11/0.88 = 12.5 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12500/(√3·415·0.9) = 19.32 A
답
IL = 19.32 A
14.3상 전력
답: Cph = 551.1 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.
정격 전류
두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.
ILV = S/V = 10000/400 = 25 A
답
ILV = 25 A
16.변압기
답: Pcu,fl = 285.3 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.