인덕터에 3 A의 정상 전류가 흐른다. t = 0에 스위치가 R을 통한 루프를 닫고 전원이 제거되어, 인덕터 전류는 R을 통해 감쇠한다. t = 5 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
R2 양단의 스위치가 오랫동안 열려 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 닫혀 R2을(를) 단락한다. t = 10 ms에서의 인덕터 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 5 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
9.교류 임피던스와 페이저보통
C = 0.47 µF인 직렬 RLC 회로가 1000 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 인덕턴스 L을(를) 구하시오.
f0 = 1000 HzC = 0.47 µF
L = mH
10.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 2 Ω, L = 5 mH, C = 0.1 µF이다. 공진에서의 선택도 Q을(를) 구하시오.
R = 2 ΩL = 5 mHC = 0.1 µF
Q =
11.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.6로 20 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 20 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
12.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 240 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 4 kW를 소비한다. 22 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 4 kWpf1 = 0.8V = 240 Vf = 50 HzC = 22 µF
I = A
13.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 400 V의 전원에서 선전류 25 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.85(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VIL = 25 Acos φ = 0.85
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 690 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 250 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 = 250 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 1차 권선에 600 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 10 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 10 Ω
I1 = A
16.변압기어려움
단상 75 kVA 변압기의 철손은 225 W이다. 정격 부하, 역률 0.9(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: IR1 = 0.4149 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 2·11/(2+11) = 1.692 Ω
Req = R1 + 1.692 = 20 + 1.692 = 21.69 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 9/21.69 = 0.4149 A
답
IR1 = 0.4149 A
2.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.8125 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 = 30 + 5 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 14.58 Ω
R3 + 14.58 = 44.58 Ω
R2 ∥ 44.58 = 9.455 Ω
Req = R1 + 9.455 = 8 + 9.455 = 17.46 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 18/17.46 = 1.031 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1.031·8 = 9.75 V
IR2 = VA/R2 = 9.75/12 = 0.8125 A
답
IR2 = 0.8125 A
3.마디 해석
답: VA = 4.315 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 = 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/2 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0.75·VA − 0.1667·VB = 2
마디 B에서 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/6 = 2
−0.1667·VA + 0.3667·VB = 2
풀기
Δ = (0.75)(0.3667) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.2472
VA = Δ1/Δ = 1.067/0.2472 = 4.315 V
VB = Δ2/Δ = 1.833/0.2472 = 7.416 V
답
VA = 4.315 V
4.마디 해석
답: Is = 6.8 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)/4 + 9.5/2 = (VB − 9.5)/5
4.625 = (VB − 9.5)/5 → VB = 32.63 V
마디 B에서의 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (32.63 − 9.5)/5 + 32.63/15 = 6.8 A
답
Is = 6.8 A
5.테브난·노턴
답: IN = 0.3704 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 5 = 9 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) = 10·6/(12+6) = 3.333 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = 3.333/9 = 0.3704 A
6.테브난·노턴
답: PL = 48.77 W
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 = 25·25/(25+25) = 12.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12.5 + 4 = 16.5 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) = 7.5 + 3·12.5 = 45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 45 + 3·4 = 57 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) = 57/(16.5 + 20) = 1.562 A
PL = IL²·RL = 1.562²·20 = 48.77 W
7.RC·RL 과도 현상
답: i = 0.6083 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.
시정수
τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3.133 ms
전류의 감쇠
i(t) = 3·e−5/3.133 = 0.6083 A
답
i = 0.6083 A
8.RC·RL 과도 현상
답: i = 0.1765 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.
초기값, 최종값, 시정수
t = 0 전에는 두 저항이 모두 루프에 있고, 그 후에는 닫힌 스위치가 R₂를 우회합니다.
i(0) = 6/(33 + 5) = 0.1579 A
i(∞) = 6/33 = 0.1818 A
τ = L/R = 220/33 = 6.667 ms
i(t) = 0.1818 + (0.1579 − 0.1818)·e−t/τ
주어진 시각의 전류
i(10) = 0.1818 + (−0.02392)·e−10/6.667 = 0.1765 A
답
i = 0.1765 A
9.교류 임피던스와 페이저
답: L = 53.89 mH
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 조건
공진에서는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·1000 = 6283 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·0.47·10⁻⁶) = 53.89 mH
답
L = 53.89 mH
10.교류 임피던스와 페이저
답: Q = 111.8
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.
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(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333
무효 전력
Q = P·tan φ = 20·1.333 = 26.67 kvar
답
Q = 26.67 kvar
12.교류 전력과 역률
답: I = 19.88 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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = 4·tan(arccos 0.8) = 3 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·22·10⁻⁶ = 398.1 var = 0.3981 kvar
Q2 = 3 − 0.3981 = 2.602 kvar
새 피상 전력
S2 = √(4² + 2.602²) = 4.772 kVA
새 선전류
I = S2/V = 4772/240 = 19.88 A
답
I = 19.88 A
13.3상 전력
답: P = 14.72 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 = √3·400·25 = 17.32 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 17.32·0.85 = 14.72 kW
답
P = 14.72 kW
14.3상 전력
답: Cph = 899 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 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/10 = 12 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 2.4 A
답
I1 = 2.4 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 250 Ω이고, 600/250도 같은 전류를 줍니다.
16.변압기
답: Pcu,fl = 1506 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.