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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩIR2​AR4​6 ΩB

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​2 Ω

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2 A

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

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩAR5​30 ΩBIs​1.5 A−+V2​10 V

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

V1 = 15 VIs = 1.5 AV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
7.RC·RL 과도 현상보통
R = 33 Ωt = 0L22 mHi(t)

인덕터에 0.5 A의 정상 전류가 흐른다. t = 0에 스위치가 R을 통한 루프를 닫고 전원이 제거되어, 인덕터 전류는 R을 통해 감쇠한다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.

i(0) = 0.5 AR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​20 Vt = 0R = 4.7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 15 V이다. vC이(가) 19 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

Vs = 20 VR = 4.7 kΩC = 220 µFvC(0) = 15 V
t = ms
9.교류 임피던스와 페이저보통
10 V60 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 47 µF

직렬 RLC 회로가 10 V (실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
10.교류 임피던스와 페이저어려움
230 V50 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 150 ΩC = 10 µFI

저항 R1이(가) R2와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 230 V(실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 40 ΩR2 = 150 ΩC = 10 µF
I = A
11.교류 전력과 역률보통
230 VR + jXP = 1553 W9 A

유도성 부하가 230 V(실효값) 단상 전원에서 9 A와 1553 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. R을(를) 구하시오.

V = 230 VI = 9 AP = 1553 W
R = Ω
12.교류 전력과 역률어려움
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 230 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 45 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.92(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.

P = 45 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 480 VZ = 24 + j7 Ω상당

상당 임피던스가 24 + j7 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 480 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 480 VZ = 24 + j7 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 80 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 = 80 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
RL​ = 15 Ω1011200 VV2​I1​ = ?I2​

권수비 N₁:N₂ = 10:1인 이상 변압기의 1차 권선에 1200 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 15 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.

N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 15 Ω
I1 = A
16.변압기어려움
pf 0.85250 kVA, 50% 부하

단상 250 kVA 변압기의 철손은 750 W이고 정격 부하에서의 동손은 1125 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 50%를 역률 0.85(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1125 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.8757 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​6 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 + 6 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 5·9/(5+9) = 3.214 Ω
Req = R1 + 3.214 = 10 + 3.214 = 13.21 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 18/13.21 = 1.362 A

R₂에 흐르는 전류

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1.362·10 = 4.378 V
IR2 = VA/R2 = 4.378/5 = 0.8757 A

답

IR2 = 0.8757 A
2.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.1843 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​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2.857 Ω
R3 + 2.857 = 8.857 Ω
R2 ∥ 8.857 = 6.838 Ω
Req = R1 + 6.838 = 8 + 6.838 = 14.84 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 12/14.84 = 0.8087 A

R₂에 흐르는 전류

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0.8087·8 = 5.53 V
IR2 = VA/R2 = 5.53/30 = 0.1843 A

답

IR2 = 0.1843 A
3.마디 해석

답: VB = 7.692 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 10 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 − 10)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0.3333·VA − 0.06667·VB = 1.667

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)/15 = 2
−0.06667·VA + 0.3167·VB = 2

풀기

Δ = (0.3333)(0.3167) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.1011
VA = Δ1/Δ = 0.6611/0.1011 = 6.538 V
VB = Δ2/Δ = 0.7778/0.1011 = 7.692 V

답

VB = 7.692 V
4.마디 해석

답: IR1 = 2.552 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​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩAR5​30 ΩBIs​1.5 A−+V2​10 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 15 V, V2 = −10 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/8 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/2 = 0
0.825·VA − 0.5·VB = 3

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/30 + (VB − VA)/2 + (VB − (−10))/2 = 1.5
−0.5·VA + 1.033·VB = −3.5

풀기

Δ = (0.825)(1.033) − (−0.5)(−0.5) = 0.6025
VA = Δ1/Δ = 1.35/0.6025 = 2.241 V
VB = Δ2/Δ = −1.387/0.6025 = −2.303 V

답

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 2.241)/5 = 2.552 A
5.테브난·노턴

답: Rth = 16.8 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​ = 12 Ω단락R2​8 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 12 = 16.8 Ω
6.테브난·노턴

답: IN = 1.72 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​ = 5 Ω단락R2​30 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 10·30/(10+30) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 5 = 12.5 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​30 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) = 9 + 1·7.5 = 16.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16.5 + 1·5 = 21.5 V
IN​1.72 ARth​12.5 Ωab

노턴 등가 회로

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

IN = Vth/Rth = 21.5/12.5 = 1.72 A
7.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.1116 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.

시정수

τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0.6667 ms

전류의 감쇠

i(t) = 0.5·e−1/0.6667 = 0.1116 A

답

i = 0.1116 A
8.RC·RL 과도 현상

답: t = 1664 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 20 + (15 − 20)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

19 = 20 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (19 − 20)/(15 − 20) = 0.2
t = τ·ln((15 − 20)/(19 − 20)) = 1034·ln(5) = 1664 ms

답

t = 1664 ms
9.교류 임피던스와 페이저

답: φ = −43.14 °

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) = √(20² + (−18.74)²) = 27.41 Ω

위상각

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−18.74/20) = −43.14°

답

φ = −43.14°
10.교류 임피던스와 페이저

답: I = 1.332 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

XC = 1/(2π·50·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

병렬 조합

분자와 분모에 켤레 복소수를 곱해 Zp를 실수부와 허수부로 나누세요.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 122.7 − j57.84 Ω

전체 임피던스

Z = 40 + 122.7 − j57.84 = 162.7 − j57.84 Ω
|Z| = √(162.7² + 57.84²) = 172.7 Ω

전류

I = V/|Z| = 230/172.7 = 1.332 A

답

I = 1.332 A
11.교류 전력과 역률

답: R = 19.17 Ω

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.

유효 전력에서 구한 저항

R = P/I² = 1553/9² = 19.17 Ω

답

R = 19.17 Ω
12.교류 전력과 역률

답: QC = 26.74 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 = 45·tan(45.57°) = 45.91 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23.07°) = 19.17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 26.74 kvar

답

QC = 26.74 kvar
13.3상 전력

답: P = 26.54 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 = 480 V

상전류

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19.2 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·19.2²·24 = 26.54 kW

답

P = 26.54 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.96이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

14.3상 전력

답: Cph = 795.3 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 = 80·tan(acos 0.72) = 80·0.9639 = 77.11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 43.03 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) = 14343/(314.2·239.6²) = 795.3 µF

답

Cph = 795.3 µF
15.변압기

답: I1 = 0.8 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 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/15 = 8 A

1차 전류

이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 0.8 A

답

I1 = 0.8 A

확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 1500 Ω이고, 1200/1500도 같은 전류를 줍니다.

16.변압기

답: Ploss = 1031 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 = 0.25·1125 = 281.3 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

Ploss = 750 + 281.3 = 1031 W

답

Ploss = 1031 W

이 부하에서의 효율은 η = 99.04%입니다.

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