120 V에 연결된 타여자 직류 전동기(Ra = 0.8 Ω)가 전기자 전류 5 A에서 1500 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 2.5 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n2을(를) 구하시오.
V = 120 VRa = 0.8 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 5 AIa2 = 2.5 A
n2 = rpm
5.교류 전력과 역률보통
두 부하가 240 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.75의 16 kW 부하와 지상 역률 0.95의 6 kW 부하. 전원에서 본 전체 역률 cos φ을(를) 구하시오.
V = 240 VP1 = 16 kW, pf1 = 0.75 지상P2 = 6 kW, pf2 = 0.95 지상
cos φ =
6.교류 전력과 역률어려움
10 V(실효값), 50 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 25 + j6 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.
Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j6 Ω
Pmax = W
7.3상 전력보통
상당 임피던스가 15 + j20 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 = 15 + j20 Ω 상당
P = kW
8.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 120 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 = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3용액
1.DC-DC 컨버터
답: L = 144 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 = 4.8/12 = 0.4
인덕턴스
L = 7.2·0.4/(0.4·50·10³) = 144 µH
답
L = 144 µH
2.DC-DC 컨버터
답: ΔVo = 9.626 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 = 19.2/48 = 0.4
인덕터 리플 전류
ΔIL = (48 − 19.2)·0.4/(68·10⁻⁶·100·10³) = 1.694 A
출력 리플
ΔVo = 1.694/(8·100·10³·220·10⁻⁶) = 9.626 mV
답
ΔVo = 9.626 mV
3.직류 전동기
답: T = 7.162 N·m
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.
rad/s 단위의 속도
ω = 2π·2000/60 = 209.4 rad/s
토크
T = P/ω = 1500/209.4 = 7.162 N·m
답
T = 7.162 N·m
4.직류 전동기
답: n2 = 1526 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 − 5·0.8 = 116 V
E2 = 120 − 2.5·0.8 = 118 V
새 속도
n2 = 1500·118/116 = 1526 rpm
답
n2 = 1526 rpm
5.교류 전력과 역률
답: cos φ = 0.8073
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 = 16·tan(arccos 0.75) = 14.11 kvar
Q2 = 6·tan(arccos 0.95) = 1.972 kvar
합계
P = 16 + 6 = 22 kW
Q = 14.11 + 1.972 = 16.08 kvar
S = √(22² + 16.08²) = 27.25 kVA
전체 역률
cos φ = P/S = 22/27.25 = 0.8073 지상
답
cos φ = 0.8073
6.교류 전력과 역률
답: Pmax = 1 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 − j6 Ω
최대 전력
I = Vs/(2Rs) = 10/50 = 0.2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·25) = 1 W
답
Pmax = 1 W
7.3상 전력
답: P = 11.52 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| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·16²·15 = 11.52 kW
답
P = 11.52 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
8.3상 전력
답: Cph = 946.1 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.