스위치가 켜져 있는 동안의 인덕터 전압을 구한 뒤 ΔIL = VL·D/(L·f)를 쓰세요.
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
전기자 회로를 그리세요. 전원 V, 저항 Ra, 역기전력 E가 직렬입니다.
전압, 전류, 역기전력을 V = E + Ia·Ra로 연결하세요.
속도에는 E = k·ω를, 토크에는 T = k·Ia를 쓰세요. ω = 2π·n/60입니다.
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
이상적인 승압 컨버터가 12 Ω 부하에 대해 36 V를 48 V로 바꿉니다. 평균 인덕터 전류 IL을(를) 구하시오.
Vin = 36 VVo = 48 VR = 12 Ω
IL = A
2.DC-DC 컨버터어려움
이상적인 승압(부스트) 컨버터가 50 kHz에서 12 Ω 부하에 대해 9 V를 12 V로 바꿉니다. 출력 커패시터는 100 µF입니다. 출력 전압 리플의 피크 투 피크 값 ΔVo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vin = 9 VVo = 12 Vf = 50 kHzC = 100 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
3.직류 전동기보통
직류 전동기가 110 V 전원에서 12 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 1.2 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 69 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.
V = 110 VIa = 12 ARa = 1.2 ΩProt = 69 W
η = %
4.직류 전동기어려움
120 V에 연결된 타여자 직류 전동기(Ra = 0.2 Ω)가 전기자 전류 50 A에서 1440 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 30 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n2을(를) 구하시오.
V = 120 VRa = 0.2 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 50 AIa2 = 30 A
n2 = rpm
5.교류 전력과 역률보통
유도성 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에서 14.5 A와 1044 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. X을(를) 구하시오.
V = 120 VI = 14.5 AP = 1044 W
X = Ω
6.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 230 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.7로 50 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.98(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 50 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.3상 전력보통
상당 임피던스가 3 + j4 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VZ = 3 + j4 Ω 상당
P = kW
8.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 60 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3용액
1.DC-DC 컨버터
답: IL = 5.333 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 = 1 − 36/48 = 0.25
부하 전류
Io = 48/12 = 4 A
인덕터 전류
IL = Io/(1 − D) = 4/0.75 = 5.333 A
답
IL = 5.333 A
2.DC-DC 컨버터
답: ΔVo = 50 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 − 9/12 = 0.25
부하 전류
Io = 12/12 = 1 A
출력 리플
ΔVo = 1·0.25/(50·10³·100·10⁻⁶) = 50 mV
답
ΔVo = 50 mV
3.직류 전동기
답: η = 81.68 %
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 = 110·12 = 1320 W
Pdev = 95.6·12 = 1147 W
Pout = 1147 − 69 = 1078 W
효율
η = 1078/1320·100 = 81.68 %
답
η = 81.68 %
4.직류 전동기
답: n2 = 1492 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 = 120 − 50·0.2 = 110 V
E2 = 120 − 30·0.2 = 114 V
새 속도
n2 = 1440·114/110 = 1492 rpm
답
n2 = 1492 rpm
5.교류 전력과 역률
답: X = 6.621 Ω
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.
유효 전력에서 구한 저항
R = P/I² = 1044/14.5² = 4.966 Ω
임피던스에서 구한 리액턴스
|Z| = V/I = 120/14.5 = 8.276 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(8.276² − 4.966²) = 6.621 Ω
답
X = 6.621 Ω
6.교류 전력과 역률
답: QC = 40.86 kvar
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 = 50·tan(45.57°) = 51.01 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(11.48°) = 10.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 40.86 kvar
답
QC = 40.86 kvar
7.3상 전력
답: P = 57.6 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 = VL = 400 V
상전류
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 400/5 = 80 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·80²·3 = 57.6 kW
답
P = 57.6 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
8.3상 전력
답: Cph = 245.5 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.