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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.