t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 10 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
8.RC·RL 과도 현상어려움
타이머가 t = 0에 5 V 전원에서 저항을 통해 충전되지 않은 커패시터를 충전하기 시작한다. 타이머는 시작 후 정확히 100 ms에 커패시터 전압이 4.5 V에 도달할 때 작동해야 한다. R = 22 kΩ일 때 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.
Vs = 5 VVth = 4.5 VT = 100 msR = 22 kΩ
C = µF
9.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 1000 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로를 5 V(실효값) 전원으로 구동하며, 전원 주파수는 회로의 공진 주파수로 맞추어져 있다. 인덕터 양단의 실효 전압 VL을(를) 구하시오.
V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
11.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.9로 25 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 25 kWpf = 0.9V = 230 V
Q = kvar
12.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 28 kW를 소비한다. 220 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 28 kWpf1 = 0.7V = 400 Vf = 50 HzC = 220 µF
I = A
13.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 90 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.88(지상)이다. 전원의 선간 전압은 480 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 90 kWη = 88%cos φ = 0.88VL = 480 V
IL = A
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 690 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 75 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 75 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 12:1인 이상 변압기의 2차 권선 양단에 2 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 권선 쪽에서 들여다본 저항 R1′을(를) 구하시오.
N1:N2 = 12:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
16.변압기어려움
단상 150 kVA 변압기의 철손은 600 W이고 정격 부하에서의 동손은 900 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
3용액
1.저항의 직렬·병렬
답: Req = 7.727 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 = 10 + 20 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 3·30/(3+30) = 2.727 Ω
Req = R1 + 2.727 = 5 + 2.727 = 7.727 Ω
답
Req = 7.727 Ω
2.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.7459 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 7.969 Ω
R3 + 7.969 = 17.97 Ω
R2 ∥ 17.97 = 2.571 Ω
Req = R1 + 2.571 = 25 + 2.571 = 27.57 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 24/27.57 = 0.8705 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 0.8705·25 = 2.238 V
IR2 = VA/R2 = 2.238/3 = 0.7459 A
답
IR2 = 0.7459 A
3.마디 해석
답: VB = 27.84 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.
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 − 10)/10 + (VA − VB)/20 = 0
0.4833·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/15 + (VB − VA)/20 = 3
−0.05·VA + 0.1167·VB = 3
풀기
Δ = (0.4833)(0.1167) − (−0.05)(−0.05) = 0.05389
VA = Δ1/Δ = 0.2667/0.05389 = 4.948 V
VB = Δ2/Δ = 1.5/0.05389 = 27.84 V
답
VB = 27.84 V
4.마디 해석
답: Is = 2.835 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
(13.5 − 12)/4 + 13.5/30 = (VB − 13.5)/8
0.825 = (VB − 13.5)/8 → VB = 20.1 V
마디 B에서의 KCL
저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (20.1 − 13.5)/8 + 20.1/10 = 2.835 A
답
Is = 2.835 A
5.테브난·노턴
답: IN = 0.3333 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 = 4·10/(4+10) = 2.857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.857 + 10 = 12.86 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) = 6·10/(4+10) = 4.286 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = 4.286/12.86 = 0.3333 A
6.테브난·노턴
답: IN = −3.462 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 = 3·30/(3+30) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 15 = 17.73 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) = 27.27 + (−5)·2.727 = 13.64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13.64 + (−5)·15 = −61.36 V
노턴 등가 회로
노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.
IN = Vth/Rth = −61.36/17.73 = −3.462 A
7.RC·RL 과도 현상
답: i = 0.07256 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.
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/√(0.005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0.3333 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 14142·0.005 = 70.71 Ω
VL = I·XL = 0.3333·70.71 = 23.57 V
답
VL = 23.57 V
이는 전원 전압의 Q = 4.714배입니다.
11.교류 전력과 역률
답: Q = 12.11 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 = 25·0.4843 = 12.11 kvar
답
Q = 12.11 kvar
12.교류 전력과 역률
답: I = 82.56 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 = 28·tan(arccos 0.7) = 28.57 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·220·10⁻⁶ = 11058 var = 11.06 kvar
Q2 = 28.57 − 11.06 = 17.51 kvar
새 피상 전력
S2 = √(28² + 17.51²) = 33.02 kVA
새 선전류
I = S2/V = 33023/400 = 82.56 A
답
I = 82.56 A
13.3상 전력
답: IL = 139.8 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 = 90/0.88 = 102.3 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 102273/(√3·480·0.88) = 139.8 A
답
IL = 139.8 A
14.3상 전력
답: Cph = 340.4 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 저항
전압은 a배 커지고 전류는 a배 작아지므로 V/I의 비는 a²배 커집니다.
R1′ = a²·RL = 12²·2 = 288 Ω
답
R1′ = 288 Ω
16.변압기
답: Sη,max = 122.5 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.