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
+−48 VSL = ?CR+−28.8 V

이상적인 강압 컨버터가 스위칭 주파수 50 kHz에서 48 V를 28.8 V로 바꿉니다. 인덕터 리플 전류의 피크 투 피크 값을 0.2 A로 유지하는 인덕턴스 L을(를) 구하시오.

Vin​ = 48 VVo​ = 28.8 Vf = 50 kHzΔIL = 0.2 A
L = µH
2.DC-DC 컨버터어려움
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

강압 컨버터가 50 kHz에서 10 Ω 부하에 대해 15 V를 4.5 V로 바꾸며, L = 330 µH, C = 470 µF입니다. 출력 전압 리플의 피크 투 피크 값 ΔVo을(를) mV 단위로 구하시오.

Vin​ = 15 VVo​ = 4.5 Vf = 50 kHzL = 330 µHC = 470 µF
ΔVo = mV
3.직류 전동기보통
+−240 VRa​ = 0.8 ΩIa​ = 25 AM+−EωT

직류 전동기가 240 V 전원에서 25 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 0.8 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 440 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.

V = 240 VIa = 25 ARa = 0.8 ΩProt = 440 W
η = %
4.직류 전동기어려움
+−110 VRa​ = 0.8 ΩIa​: 12 → 6 AM+−En = ?T

110 V에 연결된 타여자 직류 전동기(Ra = 0.8 Ω)가 전기자 전류 12 A에서 1800 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 6 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n2을(를) 구하시오.

V = 110 VRa = 0.8 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 12 AIa2 = 6 A
n2 = rpm
5.교류 전력과 역률보통
240 V117 kW, 0.823 kW, 0.8I = ?

두 부하가 240 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.8의 17 kW 부하와 진상 역률 0.8의 3 kW 부하. 전원에서 흐르는 전체 전류 I을(를) 구하시오.

V = 240 VP1 = 17 kW, pf1 = 0.8 지상P2 = 3 kW, pf2 = 0.8 진상
I = A
6.교류 전력과 역률어려움
230 V50 Hz부하3 kW, 0.7C33 µFI

단상 부하가 230 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 3 kW를 소비한다. 33 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 전원에서 본 새 역률 cos φ을(를) 구하시오.

P = 3 kWpf1 = 0.7V = 230 Vf = 50 HzC = 33 µF
cos φ =
7.3상 전력보통
ABCVL​ = 208 VNZ = 9 + j12 Ω상당

상당 임피던스가 9 + j12 Ω인 평형 Y 결선 부하가 선간 전압 208 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω 상당
P = kW
8.3상 전력어려움
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 100 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 100 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3용액

1.DC-DC 컨버터

답: L = 1152 µH

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 = 28.8/48 = 0.6

인덕턴스

L = 19.2·0.6/(0.2·50·10³) = 1152 µH

답

L = 1152 µH
2.DC-DC 컨버터

답: ΔVo = 1.015 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 = 4.5/15 = 0.3

인덕터 리플 전류

ΔIL = (15 − 4.5)·0.3/(330·10⁻⁶·50·10³) = 0.1909 A

출력 리플

ΔVo = 0.1909/(8·50·10³·470·10⁻⁶) = 1.015 mV

답

ΔVo = 1.015 mV
3.직류 전동기

답: η = 84.33 %

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.

전력

Pin = 240·25 = 6000 W
Pdev = 220·25 = 5500 W
Pout = 5500 − 440 = 5060 W

효율

η = 5060/6000·100 = 84.33 %

답

η = 84.33 %
4.직류 전동기

답: n2 = 1886 rpm

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.

변화 전후의 역기전력

E1 = 110 − 12·0.8 = 100.4 V
E2 = 110 − 6·0.8 = 105.2 V

새 속도

n2 = 1800·105.2/100.4 = 1886 rpm

답

n2 = 1886 rpm
5.교류 전력과 역률

답: I = 94.12 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.

각 부하의 무효 전력

지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).

Q1 = 17·tan(arccos 0.8) = 12.75 kvar
Q2 = −3·tan(arccos 0.8) = −2.25 kvar

합계

P = 17 + 3 = 20 kW
Q = 12.75 + (−2.25) = 10.5 kvar
S = √(20² + 10.5²) = 22.59 kVA

전체 전류

I = S/V = 22589/240 = 94.12 A

답

I = 94.12 A
6.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.7667

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 0.7) = 3.061 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·33·10⁻⁶ = 548.4 var = 0.5484 kvar
Q2 = 3.061 − 0.5484 = 2.512 kvar

새 피상 전력

S2 = √(3² + 2.512²) = 3.913 kVA

새 역률

cos φ = P/S2 = 3/3.913 = 0.7667

답

cos φ = 0.7667
7.3상 전력

답: P = 1.731 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 = 208/√3 = 120.1 V

상전류

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 120.1/15 = 8.006 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·8.006²·9 = 1.731 kW

답

P = 1.731 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

8.3상 전력

답: Cph = 457.8 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.

보상 전후의 무효 전력

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

Q1 = 100·tan(acos 0.65) = 100·1.169 = 116.9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.92) = 100·0.426 = 42.6 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 74.31 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) = 24771/(314.2·415²) = 457.8 µF

답

Cph = 457.8 µF

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