직류 전동기가 24 V 전원에서 8 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 0.25 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 11 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.
V = 24 VIa = 8 ARa = 0.25 ΩProt = 11 W
η = %
4.직류 전동기어려움
소형 직류 전동기의 전기자 저항이 1.5 Ω이고 120 V에서 동작합니다. 회전 손실을 무시하고, 어떤 속도에서든 낼 수 있는 최대 기계적 출력 Pmax을(를) 구하시오.
V = 120 VRa = 1.5 Ω
Pmax = W
5.교류 전력과 역률보통
유도성 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에서 20 A와 1680 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. R을(를) 구하시오.
V = 120 VI = 20 AP = 1680 W
R = Ω
6.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 15 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.95(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 15 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 690 V의 전원에서 선전류 10 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.95(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 690 VIL = 10 Acos φ = 0.95
P = kW
8.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 100 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 = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3용액
1.DC-DC 컨버터
답: Imax = 1.594 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 = 7.5/15 = 0.5
평균 전류와 리플 전류
Io = 7.5/5 = 1.5 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.5·0.5/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0.1875 A
최대 전류
Imax = 1.5 + 0.1875/2 = 1.594 A
답
Imax = 1.594 A
2.DC-DC 컨버터
답: C = 15 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 = 7.5/15 = 0.5
인덕터 리플 전류
ΔIL = (15 − 7.5)·0.5/(100·10⁻⁶·250·10³) = 0.15 A
정전 용량
C = 0.15/(8·250·10³·5·10⁻³) = 15 µF
답
C = 15 µF
3.직류 전동기
답: η = 85.94 %
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 = 24·8 = 192 W
Pdev = 22·8 = 176 W
Pout = 176 − 11 = 165 W
효율
η = 165/192·100 = 85.94 %
답
η = 85.94 %
4.직류 전동기
답: Pmax = 2400 W
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.
역기전력의 함수로 나타낸 전력
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V
최대 전력
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1.5) = 2400 W
답
Pmax = 2400 W
이 지점에서 효율은 50 %에 불과하므로 실제 전동기는 절반 속도보다 훨씬 높은 속도에서 운전합니다.
5.교류 전력과 역률
답: R = 4.2 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 = 1680/20² = 4.2 Ω
답
R = 4.2 Ω
6.교류 전력과 역률
답: QC = 6.32 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 = 15·tan(36.87°) = 11.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18.19°) = 4.93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6.32 kvar
답
QC = 6.32 kvar
7.3상 전력
답: P = 11.35 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 = √3·690·10 = 11.95 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 11.95·0.95 = 11.35 kW
답
P = 11.35 kW
8.3상 전력
답: Cph = 369.2 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.