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 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​4 Ω

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 15 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBIs​1.5 A

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

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​?

마디 A의 전압이 VA = 7.5 V가 될 때까지 전류원을 조정한다. 마디 해석법을 이용해 전원 전류 Is(방향은 그림과 같음)을(를) 구하시오.

V1 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩVA = 7.5 V
Is = A
5.테브난·노턴보통
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​1.5 ABRL​4 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 4 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 9 VIs = 1.5 AR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩRL = 4 Ω
IL = A
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​10 Vt = 0R = 22 ΩL150 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 10 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 10 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​10 Vt = 0R = 1 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 18 V이다. vC이(가) 13.2 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

Vs = 10 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 18 V
t = ms
9.교류 임피던스와 페이저보통
50 V1000 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 1 µFI

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 1000 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 1 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
50 V500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF+−VC​

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 VC을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF
VC = V
11.교류 전력과 역률보통
P = 30 kWQ = ?Sφ

단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.9로 30 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.

P = 30 kWpf = 0.9V = 400 V
Q = kvar
12.교류 전력과 역률어려움
240 V60 Hz부하26 kW, 0.8C330 µFI

단상 부하가 240 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 26 kW를 소비한다. 330 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 전원에서 본 새 역률 cos φ을(를) 구하시오.

P = 26 kWpf1 = 0.8V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 91%cos φ = 0.85

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 7.5 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 91%, 역률은 0.85(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 7.5 kWη = 91%cos φ = 0.85VL = 415 V
IL = A
14.3상 전력어려움
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 300 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 = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
8 ΩN1​N2​32 Ω

출력 저항이 32 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 8 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 32 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.

Rs = 32 ΩRL = 8 Ω
a =
16.변압기어려움
pf 0.85150 kVA, η = 96%

단상 150 kVA 변압기의 철손은 600 W이다. 정격 부하, 역률 0.85(지상)에서 효율은 96%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 150 kVAPcore = 600 Wpf = 0.85η = 96%
Pcu,fl = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 0.5333 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​10 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 = 12 + 10 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 10·22/(10+22) = 6.875 Ω
Req = R1 + 6.875 = 10 + 6.875 = 16.88 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 9/16.88 = 0.5333 A

답

IR1 = 0.5333 A
2.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.2058 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​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAR4​15 ΩBR6​4 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 8.382 Ω
R3 + 8.382 = 18.38 Ω
R2 ∥ 18.38 = 10.59 Ω
Req = R1 + 10.59 = 10 + 10.59 = 20.59 Ω

전원 전류

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

IR1 = V1/Req = 10/20.59 = 0.4856 A

R₂에 흐르는 전류

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0.4856·10 = 5.144 V
IR2 = VA/R2 = 5.144/25 = 0.2058 A

답

IR2 = 0.2058 A
3.마디 해석

답: VB = −4.571 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​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBIs​1.5 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 15 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 − 15)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0.4333·VA − 0.1·VB = 2.5

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/10 = (−1.5)
−0.1·VA + 0.225·VB = −1.5

풀기

Δ = (0.4333)(0.225) − (−0.1)(−0.1) = 0.0875
VA = Δ1/Δ = 0.4125/0.0875 = 4.714 V
VB = Δ2/Δ = −0.4/0.0875 = −4.571 V

답

VB = −4.571 V
4.마디 해석

답: Is = 5.13 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
(7.5 − 5)/3 + 7.5/12 = (VB − 7.5)/15
1.458 = (VB − 7.5)/15 → VB = 29.38 V

마디 B에서의 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (29.38 − 7.5)/15 + 29.38/8 = 5.13 A

답

Is = 5.13 A
5.테브난·노턴

답: Rth = 14.5 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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω단락R2​5 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 5·5/(5+5) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 12 = 14.5 Ω
6.테브난·노턴

답: IL = 1.05 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​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω단락R2​2 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 25·2/(25+2) = 1.852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.852 + 6 = 7.852 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​1.5 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) = 0.6667 + 1.5·1.852 = 3.444 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3.444 + 1.5·6 = 12.44 V
Rth​ = 7.852 Ω+−Vth​12.44 VRL​4 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 12.44/(7.852 + 4) = 1.05 A
7.RC·RL 과도 현상

답: i = 0.3497 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.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 150 mH / 22 Ω = 6.818 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0.4545 A

주어진 시각의 전류

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.4545·(1 − e−10/6.818) = 0.3497 A

답

i = 0.3497 A
8.RC·RL 과도 현상

답: t = 9.163 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 10 + (18 − 10)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

13.2 = 10 + (8)·e−t/τ → e−t/τ = (13.2 − 10)/(18 − 10) = 0.4
t = τ·ln((18 − 10)/(13.2 − 10)) = 10·ln(2.5) = 9.163 ms

답

t = 9.163 ms
9.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.3199 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.05 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (155)²) = 156.3 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/156.3 = 0.3199 A

답

I = 0.3199 A
10.교류 임피던스와 페이저

답: VC = 0.2018 V

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 = 3142·0.25 = 785.4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3.183 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (782.2)²) = 788.6 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/788.6 = 0.06341 A

커패시터 전압

VC = I·XC = 0.06341·3.183 = 0.2018 V

답

VC = 0.2018 V
11.교류 전력과 역률

답: Q = 14.53 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.

위상각

φ = arccos(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

무효 전력

Q = P·tan φ = 30·0.4843 = 14.53 kvar

답

Q = 14.53 kvar
12.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.9035

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 = 26·tan(arccos 0.8) = 19.5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7.166 kvar
Q2 = 19.5 − 7.166 = 12.33 kvar

새 피상 전력

S2 = √(26² + 12.33²) = 28.78 kVA

새 역률

cos φ = P/S2 = 26/28.78 = 0.9035

답

cos φ = 0.9035
13.3상 전력

답: IL = 13.49 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 = 7.5/0.91 = 8.242 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8242/(√3·415·0.85) = 13.49 A

답

IL = 13.49 A
14.3상 전력

답: Cph = 2268 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 = 300·tan(acos 0.75) = 300·0.8819 = 264.6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 136.8 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45592/(377·230.9²) = 2268 µF

답

Cph = 2268 µF
15.변압기

답: a = 2

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

a²·8 = 32
a = √(32/8) = √4 = 2

답

a = 2
16.변압기

답: Pcu,fl = 4713 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.

출력 전력과 입력 전력

Pout = 150·0.85 = 127.5 kW
Pin = 127500/0.96 = 132813 W

전체 손실과 동손

Ploss = 132813 − 127500 = 5313 W
Pcu,fl = 5313 − 600 = 4713 W

답

Pcu,fl = 4713 W

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