전력공학 및 전기기기: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

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

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

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 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

  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.

2연습 문제

1.3상 전력보통
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18.5 kW, η = 88%cos φ = 0.85

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 18.5 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.85(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 18.5 kWη = 88%cos φ = 0.85VL = 415 V
IL = A
2.3상 전력어려움
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 60 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.변압기보통
RL​ = 8 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

권수비 N₁:N₂ = 4:1인 이상 변압기의 1차 권선에 480 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 8 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.

N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 8 Ω
I1 = A
4.변압기어려움
pf 0.95250 kVA, η = 98.2%

단상 250 kVA 변압기의 철손은 750 W이다. 정격 부하, 역률 0.95(지상)에서 효율은 98.2%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 250 kVAPcore = 750 Wpf = 0.95η = 98.2%
Pcu,fl = W
5.교류 전력과 역률보통
120 VZ24 + j7 ΩI

임피던스 Z = 24 + j7 Ω인 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 피상 전력 S을(를) 구하시오.

V = 120 VZ = 24 + j7 Ω
S = VA
6.교류 전력과 역률어려움
P1​ = 27 kWQ1​S1​φ

100 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.8의 27 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?

Smax = 100 kVAP1 = 27 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
7.교류 임피던스와 페이저보통
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 47 µF

C = 47 µF인 직렬 RLC 회로가 50 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 인덕턴스 L을(를) 구하시오.

f0 = 50 HzC = 47 µF
L = mH
8.교류 임피던스와 페이저어려움
2 Vf0​R = 5 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF

직렬 RLC 회로를 2 V(실효값) 전원으로 구동하며, 전원 주파수는 회로의 공진 주파수로 맞추어져 있다. 인덕터 양단의 실효 전압 VL을(를) 구하시오.

V = 2 V (rms)R = 5 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
VL = V
9.직류 전동기보통
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

k = 0.5 N·m/A, Ra = 0.8 Ω인 직류 전동기를 120 V에 연결했습니다. 속도가 0일 때의 토크인 정지 토크 Tstall을(를) 구하시오.

V = 120 Vk = 0.5 N·m/ARa = 0.8 Ω
Tstall = N·m
10.직류 전동기어려움
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1.2 Ω40 AM+−E = 0n = 0T

240 V 직류 전동기의 전기자 저항이 1.2 Ω입니다. 기동 전류를 40 A로 제한하는 직렬 기동 저항 Rst을(를) 구하시오.

V = 240 VRa = 1.2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω

3용액

1.3상 전력

답: IL = 34.41 A

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.

전기 입력 전력

Pin = Pout/η = 18.5/0.88 = 21.02 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·415·0.85) = 34.41 A

답

IL = 34.41 A
2.3상 전력

답: Cph = 438.8 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.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 60·tan(acos 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.95) = 60·0.3287 = 19.72 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 38.11 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12703/(377·277.1²) = 438.8 µF

답

Cph = 438.8 µF
3.변압기

답: I1 = 3.75 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 = 120/8 = 15 A

1차 전류

이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 3.75 A

답

I1 = 3.75 A

확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 128 Ω이고, 480/128도 같은 전류를 줍니다.

4.변압기

답: Pcu,fl = 3603 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 = 250·0.95 = 237.5 kW
Pin = 237500/0.982 = 241853 W

전체 손실과 동손

Ploss = 241853 − 237500 = 4353 W
Pcu,fl = 4353 − 750 = 3603 W

답

Pcu,fl = 3603 W
5.교류 전력과 역률

답: S = 576 VA

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.

전류

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4.8 A

피상 전력

S = V·I = 120·4.8 = 576 VA

답

S = 576 VA
6.교류 전력과 역률

답: ΔP = 70.93 kW

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.

기존 부하의 무효 전력

Q1 = 27·tan(arccos 0.8) = 20.25 kvar

최대 전체 유효 전력

정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 20.25²) = 97.93 kW

추가 유효 전력

ΔP = 97.93 − 27 = 70.93 kW

답

ΔP = 70.93 kW
7.교류 임피던스와 페이저

답: L = 215.6 mH

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 조건

공진에서는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314.2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314.2²·47·10⁻⁶) = 215.6 mH

답

L = 215.6 mH
8.교류 임피던스와 페이저

답: VL = 58.35 V

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

공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7·10⁻⁶) = 1459 rad/s
I = V/R = 2/5 = 0.4 A

인덕터 양단의 전압

XL = ω₀L = 1459·0.1 = 145.9 Ω
VL = I·XL = 0.4·145.9 = 58.35 V

답

VL = 58.35 V

이는 전원 전압의 Q = 29.17배입니다.

9.직류 전동기

답: Tstall = 75 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 = 120/0.8 = 150 A

정지 토크

Tstall = 0.5·150 = 75 N·m

답

Tstall = 75 N·m
10.직류 전동기

답: Rst = 4.8 Ω

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.

전체 저항

Ra + Rst = 240/40 = 6 Ω

기동 저항기

Rst = 6 − 1.2 = 4.8 Ω

답

Rst = 4.8 Ω

전동기 속도가 올라가 역기전력이 커짐에 따라 저항기는 단계적으로 제거됩니다.

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