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 100 kHz, L = 220 µH에서 24 V를 12 V로 바꿉니다. 인덕터 리플 전류의 피크 투 피크 값 ΔIL을(를) 구하시오.

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 100 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 컨버터어려움
+−12 VSL = 68 µHC = ?R+−3.6 V

강압 컨버터가 250 kHz, L = 68 µH에서 12 V를 3.6 V로 바꿉니다. 출력 리플의 피크 투 피크 값을 25 mV로 제한하는 출력 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

Vin​ = 12 VVo​ = 3.6 Vf = 250 kHzL = 68 µHΔVo = 25 mV
C = µF
3.직류 전동기보통
+−110 VRa​ = 0.4 ΩIa​ = 25 AM+−EωT

직류 전동기가 110 V 전원에서 25 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 0.4 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 125 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.

V = 110 VIa = 25 ARa = 0.4 ΩProt = 125 W
η = %
4.직류 전동기어려움
T (N·m)n (rpm)0.4 N·m900 rpm

k = 0.08 V·s/rad, Ra = 0.2 Ω인 직류 전동기가 900 rpm에서 0.4 N·m의 부하를 구동해야 합니다. 필요한 전기자 전압 V을(를) 구하시오.

k = 0.08 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 0.4 N·mn = 900 rpm
V = V
5.교류 전력과 역률보통
240 V118 kW, 0.8522 kW, 0.7I = ?

두 부하가 240 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.85의 18 kW 부하와 진상 역률 0.7의 2 kW 부하. 전원에서 흐르는 전체 전류 I을(를) 구하시오.

V = 240 VP1 = 18 kW, pf1 = 0.85 지상P2 = 2 kW, pf2 = 0.7 진상
I = A
6.교류 전력과 역률어려움
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

단상 부하가 400 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 45 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.95(으)로 높인다. 필요한 정전 용량 C을(를) 구하시오.

P = 45 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.3상 전력보통
ABCVL​ = 208 VIL​ = 20 Acos φ = 0.92지상

평형 3상 부하가 선간 전압 208 V의 전원에서 선전류 20 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.92(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 208 VIL = 20 Acos φ = 0.92
P = kW
8.3상 전력어려움
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 300 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.

P = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3용액

1.DC-DC 컨버터

답: ΔIL = 0.2727 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 = 12/24 = 0.5

켜짐 시간 동안의 인덕터 전압

S가 켜져 있는 동안 인덕터는 Vin과 Vo 사이에 있습니다.

VL = 24 − 12 = 12 V

리플 전류

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.5/(220·10⁻⁶·100·10³) = 0.2727 A

답

ΔIL = 0.2727 A
2.DC-DC 컨버터

답: C = 2.965 µF

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 = 3.6/12 = 0.3

인덕터 리플 전류

ΔIL = (12 − 3.6)·0.3/(68·10⁻⁶·250·10³) = 0.1482 A

정전 용량

C = 0.1482/(8·250·10³·25·10⁻³) = 2.965 µF

답

C = 2.965 µF
3.직류 전동기

답: η = 86.36 %

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 = 110·25 = 2750 W
Pdev = 100·25 = 2500 W
Pout = 2500 − 125 = 2375 W

효율

η = 2375/2750·100 = 86.36 %

답

η = 86.36 %
4.직류 전동기

답: V = 8.54 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 = 0.08·94.25 = 7.54 V

전기자 전류

Ia = 0.4/0.08 = 5 A

전기자 전압

V = 7.54 + 5·0.2 = 8.54 V

답

V = 8.54 V
5.교류 전력과 역률

답: I = 91.58 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 = 18·tan(arccos 0.85) = 11.16 kvar
Q2 = −2·tan(arccos 0.7) = −2.04 kvar

합계

P = 18 + 2 = 20 kW
Q = 11.16 + (−2.04) = 9.115 kvar
S = √(20² + 9.115²) = 21.98 kVA

전체 전류

I = S/V = 21979/240 = 91.58 A

답

I = 91.58 A
6.교류 전력과 역률

답: C = 314.3 µF

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 = 45·tan(36.87°) = 33.75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(18.19°) = 14.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18.96 kvar

정전 용량

전원에 병렬로 연결한 커패시터는 Q = V²·ωC를 공급합니다.

C = QC/(2πf·V²) = 18959/(2π·60·400²) = 314.3 µF

답

C = 314.3 µF
7.3상 전력

답: P = 6.629 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 = √3·208·20 = 7.205 kVA

유효 전력

P = S·cos φ = 7.205·0.92 = 6.629 kW

답

P = 6.629 kW
8.3상 전력

답: QC = 203.7 kvar

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 = 300·tan(acos 0.75) = 300·0.8819 = 264.6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.98) = 300·0.2031 = 60.92 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 203.7 kvar

답

QC = 203.7 kvar

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