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
전력공학 및 전기기기: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
변압기
- 권수비
- a = N1/N2 = V1/V2
- 전류비
- I1/I2 = N2/N1 = 1/a
- 정격 전류
- I = S/V
- 환산 임피던스
- Z1′ = a²·ZL
- 부분 부하에서의 동손
- Pcu = x²·Pcu,fl
- 효율
- η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
- 최대 효율
- x = √(Pcore/Pcu,fl)
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)
교류 임피던스와 페이저
- 임피던스
- ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
- 각주파수
- ω = 2πf
- 크기와 위상각
- |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
- 페이저 옴의 법칙
- V = I·Z
방법
- 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
- 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
- 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
- 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.
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.
2연습 문제
1.3상 전력보통
상당 임피던스가 15 + j20 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 415 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 415 VZ = 15 + j20 Ω 상당
P = kW
2.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 120 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 120 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 4:1인 이상 변압기의 1차 권선에 480 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 24 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.변압기어려움
단상 50 kVA 변압기의 철손은 250 W이다. 정격 부하, 역률 0.8(지상)에서 효율은 98%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0.8η = 98%
Pcu,fl = W
5.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.6로 29 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 29 kWpf = 0.6V = 230 V
Q = kvar
6.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 230 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.65로 7 kW를 소비한다. 220 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 7 kWpf1 = 0.65V = 230 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
7.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 역률 cos φ을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 10 µF
cos φ =
8.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 50 Ω, L = 20 mH, C = 0.01 µF이다. 대역폭 B(반전력 주파수 사이 대역의 폭)을(를) Hz로 구하시오.
R = 50 ΩL = 20 mHC = 0.01 µF
B = Hz
9.직류 전동기보통
k = 0.6 N·m/A, Ra = 0.4 Ω인 직류 전동기를 48 V에 연결했습니다. 속도가 0일 때의 토크인 정지 토크 Tstall을(를) 구하시오.
V = 48 Vk = 0.6 N·m/ARa = 0.4 Ω
Tstall = N·m
10.직류 전동기어려움
타여자 직류 전동기(전 계자에서 k = 0.6 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω, V = 48 V)가 일정한 부하 토크 1.2 N·m를 구동합니다. 계자 자속을 전체 값의 85 %로 줄입니다. 새 속도 n을(를) 구하시오.
V = 48 Vk = 0.6 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 1.2 N·mΦ = 85 %
n = rpm
3용액
1.3상 전력
답: P = 12.4 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 = 415 V
상전류
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16.6 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·16.6²·15 = 12.4 kW
답
P = 12.4 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
2.3상 전력
답: QC = 64.54 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 = 120·tan(acos 0.72) = 120·0.9639 = 115.7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 64.54 kvar
답
QC = 64.54 kvar
3.변압기
답: I1 = 1.25 A
이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.
2차 전압과 전류
V2 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/24 = 5 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 1.25 A
답
I1 = 1.25 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 384 Ω이고, 480/384도 같은 전류를 줍니다.
4.변압기
답: Pcu,fl = 566.3 W
변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.
출력 전력과 입력 전력
Pout = 50·0.8 = 40 kW
Pin = 40000/0.98 = 40816 W
전체 손실과 동손
Ploss = 40816 − 40000 = 816.3 W
Pcu,fl = 816.3 − 250 = 566.3 W
답
Pcu,fl = 566.3 W
5.교류 전력과 역률
답: Q = 38.67 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.
위상각
φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333
무효 전력
Q = P·tan φ = 29·1.333 = 38.67 kvar
답
Q = 38.67 kvar
6.교류 전력과 역률
답: I = 34.62 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.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = 7·tan(arccos 0.65) = 8.184 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4387 var = 4.387 kvar
Q2 = 8.184 − 4.387 = 3.796 kvar
새 피상 전력
S2 = √(7² + 3.796²) = 7.963 kVA
새 선전류
I = S2/V = 7963/230 = 34.62 A
답
I = 34.62 A
7.교류 임피던스와 페이저
답: cos φ = 0.1157
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
리액턴스
XL = 251.3 Ω, XC = 79.58 Ω
임피던스
|Z| = √(20² + (171.7)²) = 172.9 Ω
역률
cos φ = R/|Z| = 20/172.9 = 0.1157
회로가 유도성이므로 역률은 지상입니다.
답
cos φ = 0.1157
8.교류 임피던스와 페이저
답: B = 397.9 Hz
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
공진 주파수
f0 = 1/(2π·√(0.02·0.01·10⁻⁶)) = 11254 Hz
선택도
Q는 공진에서의 리액턴스를 저항과 비교합니다: Q = ω₀L/R.
Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0.02/(0.01·10⁻⁶)) = 28.28
대역폭
B = f0/Q = 11254/28.28 = 397.9 Hz
답
B = 397.9 Hz
9.직류 전동기
답: Tstall = 72 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.
정지 전류
Ia = V/Ra = 48/0.4 = 120 A
정지 토크
Tstall = 0.6·120 = 72 N·m
답
Tstall = 72 N·m
10.직류 전동기
답: n = 845.9 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 = 0.85·0.6 = 0.51 V·s/rad
새 전기자 전류
Ia = 1.2/0.51 = 2.353 A
새 속도
ω = (48 − 2.353·1.2)/0.51 = 88.58 rad/s → n = 845.9 rpm
답
n = 845.9 rpm
계자 약화는 직류 구동 장치가 기저 속도 이상으로 운전하는 방법입니다.
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