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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​12 Ω

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​1 A

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

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A+−V2​15 V

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

V1 = 36 VIs = 3 AV2 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 Ω
IR2 = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​0.5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​12 Vt = 0R = 20 ΩL100 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 10 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.

Vs = 12 VR = 20 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 10 V이다. vC이(가) 10.8 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 10 V
t = ms
9.교류 임피던스와 페이저보통
120 V60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 100 µF

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 100 µF
φ = °
10.교류 임피던스와 페이저어려움
120 V500 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
11.교류 전력과 역률보통
P = 34 kWQSφ

단상 전동기가 240 V 전원에서 지상 역률 0.9로 34 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.

P = 34 kWpf = 0.9V = 240 V
I = A
12.교류 전력과 역률어려움
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.65로 50 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.92(으)로 높인다. 필요한 정전 용량 C을(를) 구하시오.

P = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 95%cos φ = 0.85

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 55 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 95%, 역률은 0.85(지상)이다. 전원의 선간 전압은 480 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0.85VL = 480 V
IL = A
14.3상 전력어려움
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 690 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 200 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 200 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

단상 100 kVA, 11000/400 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 고압 권선의 전류 IHV을(를) 구하시오.

S = 100 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.변압기어려움
100 kVA

단상 100 kVA 변압기의 철손은 300 W이고 정격 부하에서의 동손은 450 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?

S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 450 W
Sη,max = kVA

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 15.71 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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​20 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 = 2 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 20·8/(20+8) = 5.714 Ω
Req = R1 + 5.714 = 10 + 5.714 = 15.71 Ω

답

Req = 15.71 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.7152 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​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​12 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 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 4.286 Ω
R3 + 4.286 = 34.29 Ω
R2 ∥ 34.29 = 1.89 Ω
Req = R1 + 1.89 = 10 + 1.89 = 11.89 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 9/11.89 = 0.757 A

R₂에 흐르는 전류

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0.757·10 = 1.43 V
IR2 = VA/R2 = 1.43/2 = 0.7152 A

답

IR2 = 0.7152 A
3.마디 해석

답: VB = 4.641 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 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​1 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 24 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 − 24)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0.4·VA − 0.05·VB = 6

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)/20 = 1
−0.05·VA + 0.3833·VB = 1

풀기

Δ = (0.4)(0.3833) − (−0.05)(−0.05) = 0.1508
VA = Δ1/Δ = 2.35/0.1508 = 15.58 V
VB = Δ2/Δ = 0.7/0.1508 = 4.641 V

답

VB = 4.641 V
4.마디 해석

답: IR2 = 0.757 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.

R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A+−V2​15 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 36 V, V2 = 15 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 − 36)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0.725·VA − 0.1·VB = 18

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/8 + (VB − VA)/10 + (VB − 15)/4 = 3
−0.1·VA + 0.475·VB = 6.75

풀기

Δ = (0.725)(0.475) − (−0.1)(−0.1) = 0.3344
VA = Δ1/Δ = 9.225/0.3344 = 27.59 V
VB = Δ2/Δ = 6.694/0.3344 = 20.02 V

답

IR2 = (VA − VB)/R2 = (27.59 − 20.02)/10 = 0.757 A
5.테브난·노턴

답: Rth = 9.714 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω단락R2​3 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 4·3/(4+3) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 8 = 9.714 Ω
6.테브난·노턴

답: IN = −0.2353 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​ = 12 Ω단락R2​10 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​0.5 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) = 4.5 + (−0.5)·5 = 2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2 + (−0.5)·12 = −4 V
IN​0.2353 ARth​17 Ωab

노턴 등가 회로

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

IN = Vth/Rth = −4/17 = −0.2353 A
7.RC·RL 과도 현상

답: W = 13.46 mJ

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 / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0.6 A

주어진 시각의 전류

i(t) = 0.6·(1 − e−10/5) = 0.5188 A

저장된 에너지

W = ½·L·i² = ½·100·0.5188² = 13.46 mJ

답

W = 13.46 mJ
8.RC·RL 과도 현상

답: t = 51.08 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 12 + (10 − 12)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

10.8 = 12 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (10.8 − 12)/(10 − 12) = 0.6
t = τ·ln((10 − 12)/(10.8 − 12)) = 100·ln(1.667) = 51.08 ms

답

t = 51.08 ms
9.교류 임피던스와 페이저

답: φ = 81.6 °

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 = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (67.72)²) = 68.46 Ω

위상각

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(67.72/10) = 81.6°

답

φ = 81.6°
10.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.399 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.1 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (299.7)²) = 300.7 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 120/300.7 = 0.399 A

답

I = 0.399 A
11.교류 전력과 역률

답: I = 157.4 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) = 34000/(240·0.9) = 157.4 A

답

I = 157.4 A
12.교류 전력과 역률

답: C = 739.2 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(49.46°) = 58.46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23.07°) = 21.3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 37.16 kvar

정전 용량

전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.

C = QC/(2πf·V²) = 37157/(2π·50·400²) = 739.2 µF

답

C = 739.2 µF
13.3상 전력

답: IL = 81.93 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 = 55/0.95 = 57.89 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·480·0.85) = 81.93 A

답

IL = 81.93 A
14.3상 전력

답: Cph = 667.7 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 = 200·tan(acos 0.78) = 200·0.8023 = 160.5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 119.8 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39948/(377·398.4²) = 667.7 µF

답

Cph = 667.7 µF
15.변압기

답: IHV = 9.091 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.

정격 전류

두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.

IHV = S/V = 100000/11000 = 9.091 A

답

IHV = 9.091 A
16.변압기

답: Sη,max = 81.65 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

x²·450 = 300 → x = √(300/450) = 0.8165

최대 효율에서의 부하

Sη,max = x·S = 0.8165·100 = 81.65 kVA

답

Sη,max = 81.65 kVA

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