평형 3상 부하가 선간 전압 480 V의 전원에서 선전류 60 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.9(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 480 VIL = 60 Acos φ = 0.9
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 100 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.변압기보통
출력 저항이 1000 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 10 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 1000 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.
Rs = 1000 ΩRL = 10 Ω
a =
16.변압기어려움
단상 500 kVA 변압기의 철손은 1500 W이고 정격 부하에서의 동손은 3000 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 13.19 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 = 4 + 3 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 20·7/(20+7) = 5.185 Ω
Req = R1 + 5.185 = 8 + 5.185 = 13.19 Ω
답
Req = 13.19 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.5965 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.
R5 + R6 = 25 + 25 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 9.677 Ω
R3 + 9.677 = 14.68 Ω
R2 ∥ 14.68 = 6.602 Ω
Req = R1 + 6.602 = 10 + 6.602 = 16.6 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 18/16.6 = 1.084 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1.084·10 = 7.158 V
IR2 = VA/R2 = 7.158/12 = 0.5965 A
답
IR2 = 0.5965 A
3.마디 해석
답: VA = 4.688 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 = 10 V). 미지수: VA, VB.
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
공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7·10⁻⁶) = 1459 rad/s
I = V/R = 5/50 = 0.1 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 1459·0.1 = 145.9 Ω
VL = I·XL = 0.1·145.9 = 14.59 V
답
VL = 14.59 V
이는 전원 전압의 Q = 2.917배입니다.
11.교류 전력과 역률
답: I = 93.66 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.
각 부하의 무효 전력
지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).
Q1 = 6·tan(arccos 0.8) = 4.5 kvar
Q2 = −15·tan(arccos 0.85) = −9.296 kvar
합계
P = 6 + 15 = 21 kW
Q = 4.5 + (−9.296) = −4.796 kvar
S = √(21² + (−4.796)²) = 21.54 kVA
전체 전류
I = S/V = 21541/230 = 93.66 A
답
I = 93.66 A
12.교류 전력과 역률
답: C = 970.1 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(36.87°) = 37.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18.19°) = 16.43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 21.07 kvar
정전 용량
전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.
C = QC/(2πf·V²) = 21066/(2π·60·240²) = 970.1 µF
답
C = 970.1 µF
13.3상 전력
답: P = 44.89 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 = √3·480·60 = 49.88 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 49.88·0.9 = 44.89 kW
답
P = 44.89 kW
14.3상 전력
답: QC = 37.63 kvar
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 = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.92) = 100·0.426 = 42.6 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 37.63 kvar
답
QC = 37.63 kvar
15.변압기
답: a = 10
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 부하 정합
a²·10 = 1000
a = √(1000/10) = √100 = 10
답
a = 10
16.변압기
답: Sη,max = 353.6 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.