전력전자와 구동: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

DC-DC 컨버터

강압(벅)
Vo = D·Vin
승압(부스트)
Vo = Vin/(1 − D)
반전 벅-부스트
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
이상적인 전력 평형
VinIin = VoIo
인덕터 리플
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
평균 인덕터 전류
강압 Io; 승압과 벅-부스트 Io/(1 − D)
출력 리플
강압 ΔIL/(8fC); 승압과 벅-부스트 Io·D/(fC)
CCM 경계
강압 (1 − D)R/(2f); 승압 D(1 − D)²R/(2f); 벅-부스트 (1 − D)²R/(2f)

방법

  1. 컨버터(강압, 승압, 벅-부스트)를 식별하고 전압비로부터 듀티비 D를 구하세요.
  2. 인덕터의 볼트-초 평형을 쓰세요. 한 주기 동안 인덕터 평균 전압은 0입니다.
  3. 스위치가 켜져 있는 동안의 인덕터 전압을 구한 뒤 ΔIL = VL·D/(L·f)를 쓰세요.
  4. 출력 리플은 커패시터로 들어가고 나오는 전하를 구하고, CCM 경계는 평균 인덕터 전류를 ΔIL/2와 같게 놓으세요.

직류 전동기

전기자 회로
V = E + IaRa
역기전력과 토크
E = k·ω, T = k·Ia
속력
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
무부하 속도와 정지 토크
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
전력
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
기동
Istart = V/(Ra + Rst)
속도 변동률
SR = (n0 − nFL)/nFL
최대 발생 전력
Pmax = V²/(4Ra)
초퍼 구동
Va = D·Vdc

방법

  1. 전기자 회로를 그리세요. 전원 V, 저항 Ra, 역기전력 E가 직렬입니다.
  2. 전압, 전류, 역기전력을 V = E + Ia·Ra로 연결하세요.
  3. 속도에는 E = k·ω를, 토크에는 T = k·Ia를 쓰세요. ω = 2π·n/60입니다.
  4. 전력과 효율은 V·Ia에서 출발해 동손 Ia²·Ra를 빼고, 그다음 회전 손실을 빼세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

2연습 문제

1.DC-DC 컨버터보통
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

이상적인 강압(벅) 컨버터가 50 kHz, L = 33 µH에서 24 V를 14.4 V로 바꿉니다. 인덕터 리플 전류의 피크 투 피크 값 ΔIL을(를) 구하시오.

Vin​ = 24 VVo​ = 14.4 Vf = 50 kHzL = 33 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 컨버터어려움
+−12 VLSC = 10 µFR = 2 Ω+−40 V

이상적인 승압(부스트) 컨버터가 20 kHz에서 2 Ω 부하에 대해 12 V를 40 V로 바꿉니다. 출력 커패시터는 10 µF입니다. 출력 전압 리플의 피크 투 피크 값 ΔVo을(를) mV 단위로 구하시오.

Vin​ = 12 VVo​ = 40 Vf = 20 kHzC = 10 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
3.직류 전동기보통
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

k = 0.75 N·m/A, Ra = 0.5 Ω인 직류 전동기를 220 V에 연결했습니다. 속도가 0일 때의 토크인 정지 토크 Tstall을(를) 구하시오.

V = 220 Vk = 0.75 N·m/ARa = 0.5 Ω
Tstall = N·m
4.직류 전동기어려움
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 1.2 ΩM+−En = 800 rpmT = 0.2 N·m

직류 전동기(k = 0.1 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω)가 고정된 24 V 전원에서 0.2 N·m의 부하를 구동합니다. 속도를 800 rpm으로 낮추는 직렬 저항 Rs을(를) 구하시오.

V = 24 Vk = 0.1 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 0.2 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω
5.교류 전력과 역률보통
400 V120 kW, 0.6222 kW, 0.9I

두 부하가 400 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.6의 20 kW 부하와 지상 역률 0.9의 22 kW 부하. 전원에서 본 전체 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 400 VP1 = 20 kW, pf1 = 0.6 지상P2 = 22 kW, pf2 = 0.9 지상
cos φ =
6.교류 전력과 역률어려움
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 400 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.65로 30 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.98(으)로 높인다. 새 선전류 Inew을(를) 구하시오.

P = 30 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.3상 전력보통
ABCVL​ = 480 VNZ = 24 + j7 Ω상당

상당 임피던스가 24 + j7 Ω인 평형 Y 결선 부하가 선간 전압 480 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 480 VZ = 24 + j7 Ω 상당
P = kW
8.3상 전력어려움
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 250 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 250 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3용액

1.DC-DC 컨버터

답: ΔIL = 3.491 A

DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.

듀티비

D = 14.4/24 = 0.6

켜짐 시간 동안의 인덕터 전압

S가 켜져 있는 동안 인덕터는 Vin과 Vo 사이에 있습니다.

VL = 24 − 14.4 = 9.6 V

리플 전류

ΔIL = VL·D/(L·f) = 9.6·0.6/(33·10⁻⁶·50·10³) = 3.491 A

답

ΔIL = 3.491 A
2.DC-DC 컨버터

답: ΔVo = 70000 mV

DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.

듀티비

D = 1 − 12/40 = 0.7

부하 전류

Io = 40/2 = 20 A

출력 리플

ΔVo = 20·0.7/(20·10³·10·10⁻⁶) = 70000 mV

답

ΔVo = 70000 mV
3.직류 전동기

답: Tstall = 330 N·m

직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.

정지 전류

Ia = V/Ra = 220/0.5 = 440 A

정지 토크

Tstall = 0.75·440 = 330 N·m

답

Tstall = 330 N·m
4.직류 전동기

답: Rs = 6.611 Ω

직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.

전류와 역기전력

Ia = 0.2/0.1 = 2 A
E = 0.1·83.78 = 8.378 V

직렬 저항

Ra + Rs = (24 − 8.378)/2 = 7.811 Ω
Rs = 6.611 Ω

답

Rs = 6.611 Ω

저항기는 26.44 W를 낭비합니다. 초퍼는 훨씬 적은 손실로 속도를 제어합니다.

5.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.7475

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 = 20·tan(arccos 0.6) = 26.67 kvar
Q2 = 22·tan(arccos 0.9) = 10.66 kvar

합계

P = 20 + 22 = 42 kW
Q = 26.67 + 10.66 = 37.32 kvar
S = √(42² + 37.32²) = 56.19 kVA

전체 역률

cos φ = P/S = 42/56.19 = 0.7475 지상

답

cos φ = 0.7475
6.교류 전력과 역률

답: Inew = 76.53 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 = 30·tan(49.46°) = 35.07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11.48°) = 6.092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28.98 kvar

새 선전류

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(400·0.98) = 76.53 A

답

Inew = 76.53 A
7.3상 전력

답: P = 8.847 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.

상전압

Vph = 480/√3 = 277.1 V

상전류

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 277.1/25 = 11.09 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·11.09²·24 = 8.847 kW

답

P = 8.847 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.96이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

8.3상 전력

답: Cph = 1046 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.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 250·tan(acos 0.75) = 250·0.8819 = 220.5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.98) = 250·0.2031 = 50.76 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 169.7 kvar

상당 정전 용량

Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 56572/(314.2·415²) = 1046 µF

답

Cph = 1046 µF

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