3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 45 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.9(지상)이다. 전원의 선간 전압은 400 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 45 kWη = 88%cos φ = 0.9VL = 400 V
IL = A
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 250 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 = 250 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 20:1인 이상 변압기의 1차 권선에 4600 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 24 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 24 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 75 kVA 변압기의 철손은 375 W이고 정격 부하에서의 동손은 1500 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 50%를 역률 0.85(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.
β = 100인 NPN 트랜지스터가 VCC = 9 V와 컬렉터 사이에 연결된 150 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 3.3 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 트랜지스터를 겨우 포화시킬 수 있는 가장 큰 베이스 저항 RB을(를) kΩ 단위로 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.
유효 전력에서 구한 저항
R = P/I² = 2898/14² = 14.79 Ω
답
R = 14.79 Ω
16.교류 전력과 역률
답: Inew = 23.15 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 = P·tan φ1 = 5·tan(49.46°) = 5.846 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25.84°) = 2.422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3.424 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(240·0.9) = 23.15 A
답
Inew = 23.15 A
17.3상 전력
답: IL = 82.01 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 = 45/0.88 = 51.14 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 51136/(√3·400·0.9) = 82.01 A
답
IL = 82.01 A
18.3상 전력
답: Cph = 3337 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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/24 = 9.583 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 0.4792 A
답
I1 = 0.4792 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 9600 Ω이고, 4600/9600도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Ploss = 750 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.
이 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·1500 = 375 W
전체 손실
철손은 어떤 부하에서도 같습니다.
Ploss = 375 + 375 = 750 W
답
Ploss = 750 W
이 부하에서의 효율은 η = 97.7%입니다.
21.연산 증폭기 회로
답: Rf = 32.9 kΩ
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.
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.
분압기의 테브난 등가
VTH = 18·22/(47 + 22) = 5.739 V
RTH = 47·22/(47 + 22) = 14.99 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (5.739 − 0.7)/(14.99 + 121·1.5) = 25.65 µA
컬렉터 전류
IC = 120·25.65 µA = 3.078 mA
IE = 121·25.65 µA = 3.103 mA
답
IC = 3.078 mA
24.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 4.432 kΩ
스위치로서의 BJT: 부하를 완전히 켜려면 트랜지스터를 포화 영역으로 구동합니다. 이때 VCE = VCE(sat)이고 컬렉터 전류는 부하가 정합니다: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. 포화에는 최소 IB = IC(sat)/β가 필요합니다. 베이스 전류가 이보다 작으면 트랜지스터는 활성 영역에 머물고 IC = β·IB입니다.
포화 시 컬렉터 전류
IC(sat) = (9 − 0.2)/150 = 58.67 mA
최소 베이스 전류
IB(min) = IC(sat)/β = 58.67/100 = 586.7 µA
베이스 저항
RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.5867 mA = 4.432 kΩ
답
RB = 4.432 kΩ
이보다 작은 베이스 저항도 모두 트랜지스터를 포화시킵니다. 실제로는 몇 배 작은 값을 고릅니다.
25.진법
답: U = 191
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
반전하고 1 더하기
65 = 0100 0001
반전 후: 1011 1110
+1 → 1011 1111
부호 없는 수로 읽기
1011 1111₂ = 256 − 65 = 191
답
U = 191
26.진법
답: b = 11 bit
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.
2의 거듭제곱
210 = 1024 < 1429
211 = 2048 ≥ 1429
답
b = 11
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: AB = 11, CD = 00
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.
각 1의 이웃
이웃한 1이 있는 1은 두 칸 이상의 그룹에 들어갈 수 있습니다.
m12: m13, m14, m8, m4 → 0
고립된 1
m12 = ABC′D′ → AB = 11, CD = 00
답
AB = 11, CD = 00
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 2
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.
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.
특성방정식
s³ + 3s² + 2s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 2
s²: 3, K
s¹: (3·2 − K)/3
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
3·2 − K > 0 → K < 6
답
Kmax = 6
K = 6에서 폐루프는 ω = √2 = 1.414 rad/s로 진동합니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: si = −7.236
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.
실수축을 따른 이득
K(s) = −(s² + 4s)/(s + 5)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 4)(s + 5) − (s² + 4s) = s² + 10s + 20 = 0
s = −5 ± √5 = −2.764, −7.236
합류점
si = −7.236
답
si = −7.236
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √5 = 2.236입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 192
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) = 0.04 → Kp = 24
이득
K/8 = 24 → K = 192
답
K = 192
폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: Kd = 3.025 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 + 1) + 1(5 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 5
고유 진동수
ωₙ = √5 = 2.236 rad/s
미분 이득
1 + 1Kd = 2·0.9·2.236 = 4.025
Kd = 3.025 s
답
Kd = 3.025 s
미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.
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