200 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.7의 96 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?
Smax = 200 kVAP1 = 96 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
13.3상 전력보통
상당 임피던스가 20 + j15 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VZ = 20 + j15 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 50 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 = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 10:1인 이상 변압기의 1차 권선에 2400 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 48 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 48 Ω
I1 = A
16.변압기어려움
단상 150 kVA 변압기의 철손은 450 W이고 정격 부하에서의 동손은 675 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 675 W
Sη,max = kVA
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 16.29 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.
R3 + R4 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 6·15/(6+15) = 4.286 Ω
Req = R1 + 4.286 = 12 + 4.286 = 16.29 Ω
답
Req = 16.29 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: Req = 31.68 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 6.923 Ω
R3 + 6.923 = 21.92 Ω
R2 ∥ 21.92 = 11.68 Ω
Req = R1 + 11.68 = 20 + 11.68 = 31.68 Ω
답
Req = 31.68 Ω
3.마디 해석
답: VA = 4.5 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.
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/6 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/8 = 0
0.3583·VA − 0.125·VB = 1.2
마디 B에서 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/8 = 1.5
−0.125·VA + 0.625·VB = 1.5
풀기
Δ = (0.3583)(0.625) − (−0.125)(−0.125) = 0.2083
VA = Δ1/Δ = 0.9375/0.2083 = 4.5 V
VB = Δ2/Δ = 0.6875/0.2083 = 3.3 V
답
VA = 4.5 V
4.마디 해석
답: Is = 6.237 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
VA를 알고 있으므로 이 방정식에서 VB가 나옵니다.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9.5 − 10)/10 + 9.5/20 = (VB − 9.5)/5
0.425 = (VB − 9.5)/5 → VB = 11.63 V
마디 B에서의 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (11.63 − 9.5)/5 + 11.63/2 = 6.237 A
답
Is = 6.237 A
5.테브난·노턴
답: IN = 0.3158 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 = 5·15/(5+15) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 20 = 23.75 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) = 10·15/(5+15) = 7.5 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = 7.5/23.75 = 0.3158 A
6.테브난·노턴
답: IN = 1.116 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 = 6·2/(6+2) = 1.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.5 + 20 = 21.5 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) = 2.5 + 1·1.5 = 4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4 + 1·20 = 24 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = 24/21.5 = 1.116 A
7.RC·RL 과도 현상
답: t = 4.485 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.
시정수
τ = L/R = 220 mH / 68 Ω = 3.235 ms
시간에 대해 풀기
0.75 = 3·e−t/τ → t = τ·ln(3/0.75)
t = 3.235·ln(4) = 4.485 ms
답
t = 4.485 ms
8.RC·RL 과도 현상
답: t = 354.1 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.
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.
각 부하의 무효 전력
지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).
Q1 = 4·tan(arccos 0.85) = 2.479 kvar
Q2 = −10·tan(arccos 0.9) = −4.843 kvar
합계
P = 4 + 10 = 14 kW
Q = 2.479 + (−4.843) = −2.364 kvar
S = √(14² + (−2.364)²) = 14.2 kVA
전체 역률
cos φ = P/S = 14/14.2 = 0.986 진상
답
cos φ = 0.986
12.교류 전력과 역률
답: ΔP = 78.38 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 = 96·tan(arccos 0.7) = 97.94 kvar
최대 전체 유효 전력
정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 97.94²) = 174.4 kW
추가 유효 전력
ΔP = 174.4 − 96 = 78.38 kW
답
ΔP = 78.38 kW
13.3상 전력
답: P = 15.36 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 = 400 V
상전류
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·16²·20 = 15.36 kW
답
P = 15.36 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
14.3상 전력
답: Cph = 394.2 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.
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 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/48 = 5 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 0.5 A
답
I1 = 0.5 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 4800 Ω이고, 2400/4800도 같은 전류를 줍니다.
16.변압기
답: Sη,max = 122.5 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.