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​Io​DTT2T

강압 컨버터가 4 Ω 부하에 대해 24 V를 16.8 V로 바꿉니다. 스위칭 주파수는 40 kHz이고 L = 100 µH입니다. 인덕터 전류의 최댓값 Imax을(를) 구하시오.

Vin​ = 24 VVo​ = 16.8 Vf = 40 kHzL = 100 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.DC-DC 컨버터어려움
tiL​Imax​Io​DTT2T

강압 컨버터가 100 kHz, L = 33 µH에서 9 V를 6.3 V로 바꿉니다. 연속 전도 모드를 유지하는 최소 부하 전류 Io,min을(를) 구하시오.

Vin​ = 9 VVo​ = 6.3 Vf = 100 kHzL = 33 µH
Io,min = A
3.직류 전동기보통
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​nFL​

직류 전동기(k = 0.3 V·s/rad, Ra = 0.8 Ω)가 120 V에서 동작합니다. 전부하에서 20 A를 끌어 씁니다. 무부하 전류를 무시하고 속도 변동률 SR = (n₀ − nFL)/nFL을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 120 Vk = 0.3 V·s/radRa = 0.8 ΩIFL = 20 A
SR = %
4.직류 전동기어려움
+−48 VRa​ = 0.5 ΩM+−En = ?T = 4.8 N·m

타여자 직류 전동기(전 계자에서 k = 0.6 V·s/rad, Ra = 0.5 Ω, V = 48 V)가 일정한 부하 토크 4.8 N·m를 구동합니다. 계자 자속을 전체 값의 90 %로 줄입니다. 새 속도 n을(를) 구하시오.

V = 48 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 4.8 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.교류 전력과 역률보통
P = 15 kWQSφ

단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.75로 15 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.

P = 15 kWpf = 0.75V = 230 V
I = A
6.교류 전력과 역률어려움
120 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

120 V(실효값), 60 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 25 + j40 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.

Vs = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j40 Ω
Pmax = W
7.3상 전력보통
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 90%cos φ = 0.88

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 7.5 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 90%, 역률은 0.88(지상)이다. 전원의 선간 전압은 480 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 7.5 kWη = 90%cos φ = 0.88VL = 480 V
IL = A
8.3상 전력어려움
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 690 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 75 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 = 75 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3용액

1.DC-DC 컨버터

답: Imax = 4.83 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 = 16.8/4 = 4.2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.2·0.7/(100·10⁻⁶·40·10³) = 1.26 A

최대 전류

Imax = 4.2 + 1.26/2 = 4.83 A

답

Imax = 4.83 A
2.DC-DC 컨버터

답: Io,min = 0.2864 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 = 6.3/9 = 0.7

리플 전류

ΔIL = 6.3·0.3/(33·10⁻⁶·100·10³) = 0.5727 A

경계 부하 전류

Io,min = ΔIL/2 = 0.2864 A

답

Io,min = 0.2864 A

이 전류보다 낮아지면 컨버터는 불연속 전도 모드로 들어가며 Vo가 D·Vin보다 높아집니다.

3.직류 전동기

답: SR = 15.38 %

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 = 60·120/(2π·0.3) = 3820 rpm
nFL = 60·(120 − 20·0.8)/(2π·0.3) = 3310 rpm

속도 변동률

SR = (3820 − 3310)/3310·100 = 15.38 %

답

SR = 15.38 %
4.직류 전동기

답: n = 770.2 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.

약해진 전동기 상수

k₂ = 0.9·0.6 = 0.54 V·s/rad

새 전기자 전류

Ia = 4.8/0.54 = 8.889 A

새 속도

ω = (48 − 8.889·0.5)/0.54 = 80.66 rad/s → n = 770.2 rpm

답

n = 770.2 rpm

계자 약화는 직류 구동 장치가 기저 속도 이상으로 운전하는 방법입니다.

5.교류 전력과 역률

답: I = 86.96 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.

선전류

일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.

I = P/(V·cos φ) = 15000/(230·0.75) = 86.96 A

답

I = 86.96 A
6.교류 전력과 역률

답: Pmax = 144 W

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.

켤레 정합

부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.

ZL = Zs* = 25 − j40 Ω

최대 전력

I = Vs/(2Rs) = 120/50 = 2.4 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·25) = 144 W

답

Pmax = 144 W
7.3상 전력

답: IL = 11.39 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 = 7.5/0.9 = 8.333 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8333/(√3·480·0.88) = 11.39 A

답

IL = 11.39 A
8.3상 전력

답: Cph = 113.5 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 = 75·tan(acos 0.75) = 75·0.8819 = 66.14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 50.91 kvar

상당 정전 용량

Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16971/(314.2·690²) = 113.5 µF

답

Cph = 113.5 µF

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