이상적인 승압(부스트) 컨버터가 100 kHz에서 8 Ω 부하에 대해 9 V를 30 V로 바꿉니다. 출력 커패시터는 47 µF입니다. 출력 전압 리플의 피크 투 피크 값 ΔVo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vin = 9 VVo = 30 Vf = 100 kHzC = 47 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
3.직류 전동기보통
직류 전동기(k = 0.6 V·s/rad, Ra = 0.4 Ω)가 110 V에서 동작합니다. 전부하에서 20 A를 끌어 씁니다. 무부하 전류를 무시하고 속도 변동률 SR = (n₀ − nFL)/nFL을(를) 퍼센트로 구하시오.
V = 110 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.4 ΩIFL = 20 A
SR = %
4.직류 전동기어려움
k = 0.75 V·s/rad, Ra = 0.5 Ω인 직류 전동기가 400 rpm에서 15 N·m의 부하를 구동해야 합니다. 필요한 전기자 전압 V을(를) 구하시오.
k = 0.75 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 15 N·mn = 400 rpm
V = V
5.교류 전력과 역률보통
임피던스 Z = 3 + j4 Ω인 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 피상 전력 S을(를) 구하시오.
V = 120 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
6.교류 전력과 역률어려움
200 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.65의 60 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?
Smax = 200 kVAP1 = 60 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 208 V의 전원에서 선전류 40 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.9(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 208 VIL = 40 Acos φ = 0.9
P = kW
8.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 200 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 = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3용액
1.DC-DC 컨버터
답: Imax = 3.108 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 = 16.8/24 = 0.7
평균 전류와 리플 전류
Io = 16.8/8 = 2.1 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.2·0.7/(10·10⁻⁶·250·10³) = 2.016 A
최대 전류
Imax = 2.1 + 2.016/2 = 3.108 A
답
Imax = 3.108 A
2.DC-DC 컨버터
답: ΔVo = 558.5 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 − 9/30 = 0.7
부하 전류
Io = 30/8 = 3.75 A
출력 리플
ΔVo = 3.75·0.7/(100·10³·47·10⁻⁶) = 558.5 mV
답
ΔVo = 558.5 mV
3.직류 전동기
답: SR = 7.843 %
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.
무부하 속도와 전부하 속도
n₀ = 60·110/(2π·0.6) = 1751 rpm
nFL = 60·(110 − 20·0.4)/(2π·0.6) = 1623 rpm
속도 변동률
SR = (1751 − 1623)/1623·100 = 7.843 %
답
SR = 7.843 %
4.직류 전동기
답: V = 41.42 V
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.
역기전력
E = 0.75·41.89 = 31.42 V
전기자 전류
Ia = 15/0.75 = 20 A
전기자 전압
V = 31.42 + 20·0.5 = 41.42 V
답
V = 41.42 V
5.교류 전력과 역률
답: S = 2880 VA
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.
전류
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 120/5 = 24 A
피상 전력
S = V·I = 120·24 = 2880 VA
답
S = 2880 VA
6.교류 전력과 역률
답: ΔP = 127.3 kW
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.
기존 부하의 무효 전력
Q1 = 60·tan(arccos 0.65) = 70.15 kvar
최대 전체 유효 전력
정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 70.15²) = 187.3 kW
추가 유효 전력
ΔP = 187.3 − 60 = 127.3 kW
답
ΔP = 127.3 kW
7.3상 전력
답: P = 12.97 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.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·208·40 = 14.41 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 14.41·0.9 = 12.97 kW
답
P = 12.97 kW
8.3상 전력
답: Cph = 2176 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.