3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 18.5 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 90%, 역률은 0.8(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.
Pout = 18.5 kWη = 90%cos φ = 0.8VL = 415 V
IL = A
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 690 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 150 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 = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 2:1인 이상 변압기의 1차 권선에 240 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 40 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 250 kVA 변압기의 철손은 2000 W이고 정격 부하에서의 동손은 5000 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 5000 W
Sη,max = kVA
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = −0.6 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
가산 증폭기는 ±15 V 전원의 이상 연산 증폭기를 사용한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
β = 75인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 12 V에서 베이스 저항 RB = 270 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 1 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오.
VCC = 12 VRB = 270 kΩRC = 1 kΩβ = 75VBE = 0.7 V
IC = mA
24.다이오드와 트랜지스터어려움
β = 50인 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. 확실한 스위칭을 위해 베이스 전류를 포화에 필요한 최솟값의 3배로 설계한다. 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.
위상각
φ = arccos(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75
무효 전력
Q = P·tan φ = 37·0.75 = 27.75 kvar
답
Q = 27.75 kvar
16.교류 전력과 역률
답: C = 226.7 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(36.87°) = 18.75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(11.48°) = 5.076 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13.67 kvar
정전 용량
전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.
C = QC/(2πf·V²) = 13674/(2π·60·400²) = 226.7 µF
답
C = 226.7 µF
17.3상 전력
답: IL = 35.75 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 = 18.5/0.9 = 20.56 kW
선전류
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20556/(√3·415·0.8) = 35.75 A
답
IL = 35.75 A
18.3상 전력
답: Cph = 270.8 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 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/40 = 3 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 1.5 A
답
I1 = 1.5 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 160 Ω이고, 240/160도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Sη,max = 158.1 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.
동손 = 철손
x²·5000 = 2000 → x = √(2000/5000) = 0.6325
최대 효율에서의 부하
Sη,max = x·S = 0.6325·250 = 158.1 kVA
답
Sη,max = 158.1 kVA
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = −3.42 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₊ = −0.6 V
I = V₋/R1 = −0.6/10 = −0.06 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = −0.6 + (−0.06)·47 = −3.42 V
답
Vout = −3.42 V
22.연산 증폭기 회로
답: Vout = −0.3362 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.
입력 전류
V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1/R1 = 1.4/4.7 = 0.2979 mA
I2 = V2/R2 = 1.8/47 = 0.0383 mA
If = I1 + I2 = 0.3362 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −1·0.3362 = −0.3362 V
답
Vout = −0.3362 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 3.139 mA
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.
확인: VCE = 8.861 V로 0.2 V보다 충분히 크므로 트랜지스터는 실제로 활성 영역에 있습니다.
24.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 0.7386 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 = 58.67/50 = 1173 µA
설계 베이스 전류
IB = 3·1173 µA = 3520 µA
베이스 저항
RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/3.52 mA = 0.7386 kΩ
답
RB = 0.7386 kΩ
25.진법
답: U = 165
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
91 = 0101 1011
반전 후: 1010 0100
+1 → 1010 0101
부호 없는 수로 읽기
1010 0101₂ = 256 − 91 = 165
답
U = 165
26.진법
답: R = 194
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.
비트별로
AND는 두 비트가 모두 1인 곳에서만 1입니다.
1101 1110
AND 1110 0011
= 1100 0010
결과의 값
1100 0010₂ = 194
답
R = 194
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: AB = 10, 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.
m8: m9, m10, m12, m0 → 0
고립된 1
m8 = AB′C′D′ → AB = 10, CD = 00
답
AB = 10, CD = 00
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 16
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.
s² + c₁s + c₀에서 모든 근이 좌반평면에 있을 필요충분조건은 c₁ > 0이고 c₀ > 0입니다.
-1 + K > 0 → K > 1
1K − 6 > 0 → K > 6
Kmin = 6
답
Kmin = 6
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: si = −27.31
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 + 8s)/(s + 16)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 8)(s + 16) − (s² + 8s) = s² + 32s + 128 = 0
s = −16 ± √128 = −4.686, −27.31
합류점
si = −27.31
답
si = −27.31
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √128 = 11.31입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.1
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.
가속도 상수
Ka = 10·5/5 = 10
포물선 오차
ess = 1/10 = 0.1
답
ess = 0.1
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 2 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 + 4) + 40·2 = s² + 4s + 80
ωₙ과 ζ
ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 4/(2·8.944) = 0.2236
정착 시간
ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s
답
ts = 2 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.
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