평형 3상 부하가 선간 전압 415 V의 전원에서 선전류 40 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.85(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 415 VIL = 40 Acos φ = 0.85
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 690 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 150 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
출력 저항이 800 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 8 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 800 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.
Rs = 800 ΩRL = 8 Ω
a =
16.변압기어려움
단상 25 kVA 변압기의 철손은 75 W이다. 정격 부하, 역률 0.95(지상)에서 효율은 97%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 25 kVAPcore = 75 Wpf = 0.95η = 97%
Pcu,fl = W
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.2632 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 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 6·15/(6+15) = 4.286 Ω
Req = R1 + 4.286 = 12 + 4.286 = 16.29 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 6/16.29 = 0.3684 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0.3684·12 = 1.579 V
IR2 = VA/R2 = 1.579/6 = 0.2632 A
답
IR2 = 0.2632 A
2.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 1.541 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 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 4.359 Ω
R3 + 4.359 = 29.36 Ω
R2 ∥ 29.36 = 11.9 Ω
Req = R1 + 11.9 = 2 + 11.9 = 13.9 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 36/13.9 = 2.591 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 2.591·2 = 30.82 V
IR2 = VA/R2 = 30.82/20 = 1.541 A
답
IR2 = 1.541 A
3.마디 해석
답: IR1 = 0.4222 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 설정
접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 6 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/3 + (VA − 6)/6 + (VA − VB)/20 = 0
0.55·VA − 0.05·VB = 1
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)/20 = 3
−0.05·VA + 0.175·VB = 3
풀기
Δ = (0.55)(0.175) − (−0.05)(−0.05) = 0.09375
VA = Δ1/Δ = 0.325/0.09375 = 3.467 V
VB = Δ2/Δ = 1.7/0.09375 = 18.13 V
답
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3.467)/6 = 0.4222 A
4.마디 해석
답: VB = −20.65 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 = 30 V, V2 = −30 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/10 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/10 = 0
0.5333·VA − 0.1·VB = 10
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/10 + (VB − VA)/10 + (VB − (−30))/3 = (−2.5)
−0.1·VA + 0.5333·VB = −12.5
풀기
Δ = (0.5333)(0.5333) − (−0.1)(−0.1) = 0.2744
VA = Δ1/Δ = 4.083/0.2744 = 14.88 V
VB = Δ2/Δ = −5.667/0.2744 = −20.65 V
답
VB = −20.65 V
5.테브난·노턴
답: IL = 0.06122 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 = 20·2/(20+2) = 1.818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.818 + 4 = 5.818 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) = 12·2/(20+2) = 1.091 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) = 1.091/(5.818 + 12) = 0.06122 A
6.테브난·노턴
답: Vth = 143.7 V
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 = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 25 = 26.33 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) = 12 + 5·1.333 = 18.67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18.67 + 5·25 = 143.7 V
7.RC·RL 과도 현상
답: vC = 4.53 V
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.
커패시터에서 본 테브난 등가 회로
Rth를 구하려면 전원을 단락하고, 최종 전압을 구하려면 커패시터를 개방하세요.
Rth = R1 ∥ R2 = 4.7·3.3/(4.7 + 3.3) = 1.939 kΩ
vC(∞) = 15·3.3/(4.7 + 3.3) = 6.188 V
시정수
τ = Rth·C = 1.939·47 = 91.12 ms
충전 곡선
vC(t) = 6.188·(1 − e−120/91.12) = 4.53 V
답
vC = 4.53 V
8.RC·RL 과도 현상
답: t = 221.5 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.
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.
유효 전력에서 구한 저항
R = P/I² = 1710/19² = 4.737 Ω
임피던스에서 구한 리액턴스
|Z| = V/I = 120/19 = 6.316 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(6.316² − 4.737²) = 4.178 Ω
답
X = 4.178 Ω
12.교류 전력과 역률
답: C = 684.1 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 = 25·tan(45.57°) = 25.51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23.07°) = 10.65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14.86 kvar
정전 용량
전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.
C = QC/(2πf·V²) = 14855/(2π·60·240²) = 684.1 µF
답
C = 684.1 µF
13.3상 전력
답: P = 24.44 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 = √3·415·40 = 28.75 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 28.75·0.85 = 24.44 kW
답
P = 24.44 kW
14.3상 전력
답: Cph = 266.4 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 = 800
a = √(800/8) = √100 = 10
답
a = 10
16.변압기
답: Pcu,fl = 659.5 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.