단상 부하가 240 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 3 kW를 소비한다. 68 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 3 kWpf1 = 0.8V = 240 Vf = 50 HzC = 68 µF
I = A
17.3상 전력보통
3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 22 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.88(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 22 kWη = 88%cos φ = 0.88VL = 690 V
IL = A
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 150 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 = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 1차 권선에 1200 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 60 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 500 kVA 변압기의 철손은 2000 W이다. 정격 부하, 역률 0.9(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 500 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = 1.1 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
이상적인 연산 증폭기 두 단이 종속 연결되어 있다: 반전 증폭기(R1, Rf1) 다음에 비반전 증폭기(접지 쪽 R2, 귀환에 Rf2)가 있다. 둘 다 ±15 V 전원으로 동작한다. 입력은 Vin = 0.75 V이다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
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.
각 부하의 무효 전력
지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).
Q1 = 5·tan(arccos 0.6) = 6.667 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
합계
P = 5 + 26 = 31 kW
Q = 6.667 + 0 = 6.667 kvar
S = √(31² + 6.667²) = 31.71 kVA
전체 전류
I = S/V = 31709/230 = 137.9 A
답
I = 137.9 A
16.교류 전력과 역률
답: I = 13.2 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 = 3·tan(arccos 0.8) = 2.25 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1230 var = 1.23 kvar
Q2 = 2.25 − 1.23 = 1.02 kvar
새 피상 전력
S2 = √(3² + 1.02²) = 3.168 kVA
새 선전류
I = S2/V = 3168/240 = 13.2 A
답
I = 13.2 A
17.3상 전력
답: IL = 23.77 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 = 22/0.88 = 25 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 25000/(√3·690·0.88) = 23.77 A
답
IL = 23.77 A
18.3상 전력
답: Cph = 1360 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 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 0.8 A
답
I1 = 0.8 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 1500 Ω이고, 1200/1500도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Pcu,fl = 9538 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 = 500·0.9 = 450 kW
Pin = 450000/0.975 = 461538 W
전체 손실과 동손
Ploss = 461538 − 450000 = 11538 W
Pcu,fl = 11538 − 2000 = 9538 W
답
Pcu,fl = 9538 W
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = 2.2 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
반전 입력이 입력을 따라감
V₋ = V₊ = 1.1 V
I = V₋/R1 = 1.1/10 = 0.11 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = 1.1 + 0.11·10 = 2.2 V
답
Vout = 2.2 V
22.연산 증폭기 회로
답: Vout = −8.601 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
각 단의 이득
A1 = −Rf1/R1 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/47 = 1.043
단별 계산
V1 = −11·0.75 = −8.25 V
Vout = 1.043·(−8.25) = −8.601 V
답
Vout = −8.601 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 7.242 V
BJT 동작점: 활성 영역에서 VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB입니다. 베이스 루프에 KVL을 적용해 IB를 구하고, 이어서 IC를, 그다음 컬렉터–이미터 루프에서 VCE를 구하세요. 베이스의 분압기는 테브난 등가 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂로 대체하며, 이미터 저항은 베이스 루프에서 (β + 1)배 크게 나타납니다.
베이스 전류
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/680 kΩ = 12.21 µA
컬렉터 전류
IC = β·IB = 120·12.21 µA = 1.465 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 9 − 1.465 mA·1.2 kΩ = 7.242 V
답
VCE = 7.242 V
24.다이오드와 트랜지스터
답: Rmax = 431.3 Ω
제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.
최악의 경우의 전류
IR = 30 + 2 = 32 mA
최대 저항
Rmax = 13.8/0.032 = 431.3 Ω
답
Rmax = 431.3 Ω
25.진법
답: U = 166
위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.
반전하고 1 더하기
90 = 0101 1010
반전 후: 1010 0101
+1 → 1010 0110
부호 없는 수로 읽기
1010 0110₂ = 256 − 90 = 166
답
U = 166
26.진법
답: N = −32768
위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.
가장 음수인 값
−215 = −32768
답
N = −32768
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: L = 9
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.
1 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
A′BD
AB′D
ABC′
최소 SOP 형태
F = A′BD + AB′D + ABC′
L = 9
답
L = 9
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: Q = 5
플립플롭과 카운터: 플립플롭은 클록의 활성 에지에서만 바뀝니다. D는 입력을 복사합니다(Q⁺ = D). T는 T = 1이면 토글합니다. JK는 00이면 유지, 01이면 리셋, 10이면 셋, 11이면 토글합니다. n비트 이진 카운터는 상태가 2ⁿ개이고 2ⁿ을 법으로 세며, mod-N 카운터는 0, 1, …, N − 1을 거쳐 다시 0으로 돌아가고 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n개의 플립플롭이 필요합니다. 리플 카운터는 단마다 주파수가 절반이 되므로 mod-N 카운터의 마지막 출력은 fclk/N으로 동작합니다. 플립플롭 n개의 존슨 카운터는 상태가 2n개, 링 카운터는 n개입니다.
완전한 주기
펄스 6개마다 카운터는 같은 상태로 돌아옵니다.
21 = 3·6 + 3
남은 펄스 뒤의 값
Q = (2 + 3) mod 6 = 5
Q = 101₂
답
Q = 5
29.라플라스 변환
답: f(0.25) = 0.7852
라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
라우스–후르비츠 판별법: 선형 시스템은 특성다항식의 모든 근이 s평면의 좌반평면에 있을 때 안정합니다. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 적습니다. 새 행의 각 항은 바로 위 두 행에서 구합니다. 3차식 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀에서 s¹ 항은 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂입니다. 첫 번째 열의 부호 변화 횟수는 우반평면에 있는 근의 개수와 같습니다. 계수에 이득 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되어야 합니다. s¹ 항을 0으로 만드는 이득이 안정 한계이고, 이때 s² 행으로 지속 진동의 주파수를 구합니다.
라우스 배열
s³ + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K
임계 이득
K = 6·8 = 48
보조방정식
임계 이득에서는 s¹ 행이 0이 되고, s² 행이 허수축 위의 극점을 알려 줍니다.
6s² + 48 = 0 → s = ±j√8
ω = 2.828 rad/s
답
ω = 2.828 rad/s
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: K = 36
근궤적: 이득 K를 0에서 ∞까지 변화시키면 폐루프 극점, 즉 1 + K·G(s) = 0의 근은 개루프 극점에서 개루프 영점 또는 무한대로 이동합니다. 실수축 위의 점은 그 오른쪽에 있는 실수 극점과 영점의 개수가 홀수일 때 근궤적에 속합니다. 무한대로 가는 n − m개의 가지는 점근선을 따르며, 그 각도는 (2q + 1)·180°/(n − m)이고 중심점 σₐ = (Σ 극점 − Σ 영점)/(n − m)에서 출발합니다. 가지는 dK/ds = 0인 곳에서 실수축을 떠나거나 만납니다. 각도 조건 ∠G(s) = 180°가 궤적의 모양을 정하고, 크기 조건 K = 1/|G(s)|가 궤적 위 임의의 점에서의 이득을 줍니다.
표준형과 비교하기
s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 6 → ωₙ = 6 rad/s
이득
K = ωₙ² = 6² = 36
답
K = 36
폐루프 극점은 ζ 직선이 s = −3의 수직 가지와 만나는 곳에 있습니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 380
정상상태 오차: 개루프 전달함수 G(s)인 단위 피드백 루프에서 오차는 E(s) = R(s)/(1 + G(s))이고, 최종값 정리에 의해 ess = lims→0 s·E(s)입니다. 시스템 형은 G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수입니다. 오차 상수는 Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s)이며 모두 s → 0에서의 극한입니다. 크기 A의 계단 입력은 ess = A/(1 + Kp), 램프 입력 A·t는 A/Kv, 포물선 입력 A·t²/2은 A/Ka를 줍니다. 0형 루프는 계단 입력을 유한한 오차로 추종하고, 1형 루프는 계단 입력을 정확히 추종하며 램프 입력은 유한한 오차로 추종합니다.
필요한 오차 상수
1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19
이득
K/20 = 19 → K = 380
답
K = 380
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 0.8 s
P, PI, PID 제어: 제어기 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s는 오차에 작용합니다. 비례 이득은 루프를 빠르게 하고 0형 플랜트의 오차를 줄이지만 완전히 없애지는 못합니다. 적분 항은 s = 0에 극점을 추가합니다. 시스템 형이 하나 올라가고 계단 입력을 오차 없이 추종합니다. 미분 항은 감쇠를 더합니다. 이득을 정하려면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζωns + ωn²과 비교하세요. 그러면 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd이며 ωd = ωn√(1 − ζ²), ts ≈ 4/(ζωn)입니다.
특성다항식
s(s + 10) + 50·1 = s² + 10s + 50
ωₙ과 ζ
ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 10/(2·7.071) = 0.7071
정착 시간
ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0.8 s
답
ts = 0.8 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.