전력공학 및 전기기기: 벼락치기 팩

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

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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​ = 400 VIL​ = ?M22 kW, η = 93%cos φ = 0.8

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 22 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 93%, 역률은 0.8(지상)이다. 전원의 선간 전압은 400 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 22 kWη = 93%cos φ = 0.8VL = 400 V
IL = A
2.3상 전력어려움
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 80 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.

P = 80 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.변압기보통
4 ΩN1​N2​100 Ω

출력 저항이 100 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 4 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 100 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.

Rs = 100 ΩRL = 4 Ω
a =
4.변압기어려움
pf 0.950 kVA, 50% 부하

단상 50 kVA 변압기의 철손은 250 W이고 정격 부하에서의 동손은 1000 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 50%를 역률 0.9(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 1000 Wx = 0.5pf = 0.9
Ploss = W
5.교류 전력과 역률보통
P = 28 kWQ = ?Sφ

단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.65로 28 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.

P = 28 kWpf = 0.65V = 400 V
Q = kvar
6.교류 전력과 역률어려움
230 V60 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

230 V(실효값), 60 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 8 + j6 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.

Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j6 Ω
Pmax = W
7.교류 임피던스와 페이저보통
Vf0​ = 2000 HzRL = 2 mHC = ?

L = 2 mH인 직렬 RLC 회로가 2000 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

f0 = 2000 HzL = 2 mH
C = µF
8.교류 임피던스와 페이저어려움
100 V50 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µFI

저항 R1이(가) R2와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 100 V(실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR1 = 20 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
I = A
9.직류 전동기보통
+−120 VRa​ = 0.4 ΩIa​ = 30 AM+−EωT

직류 전동기가 120 V 전원에서 30 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 0.4 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 97 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.

V = 120 VIa = 30 ARa = 0.4 ΩProt = 97 W
η = %
10.직류 전동기어려움
+−48 VRa​ = 0.5 ΩIa​: 6 → 2.4 AM+−En = ?T

48 V에 연결된 타여자 직류 전동기(Ra = 0.5 Ω)가 전기자 전류 6 A에서 1800 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 2.4 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n2을(를) 구하시오.

V = 48 VRa = 0.5 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 6 AIa2 = 2.4 A
n2 = rpm

3용액

1.3상 전력

답: IL = 42.68 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 = 22/0.93 = 23.66 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23656/(√3·400·0.8) = 42.68 A

답

IL = 42.68 A
2.3상 전력

답: QC = 33.71 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 = 80·tan(acos 0.8) = 80·0.75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.95) = 80·0.3287 = 26.29 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 33.71 kvar

답

QC = 33.71 kvar
3.변압기

답: a = 5

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.

환산 부하 정합

a²·4 = 100
a = √(100/4) = √25 = 5

답

a = 5
4.변압기

답: Ploss = 500 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.

이 부하에서의 동손

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·1000 = 250 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

Ploss = 250 + 250 = 500 W

답

Ploss = 500 W

이 부하에서의 효율은 η = 97.83%입니다.

5.교류 전력과 역률

답: Q = 32.74 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(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169

무효 전력

Q = P·tan φ = 28·1.169 = 32.74 kvar

답

Q = 32.74 kvar
6.교류 전력과 역률

답: Pmax = 1653 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* = 8 − j6 Ω

최대 전력

I = Vs/(2Rs) = 230/16 = 14.38 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·8) = 1653 W

답

Pmax = 1653 W
7.교류 임피던스와 페이저

답: C = 3.166 µF

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·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0.002) = 3.166 µF

답

C = 3.166 µF
8.교류 임피던스와 페이저

답: I = 1.63 A

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

XC = 1/(2π·50·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

병렬 조합

분자와 분모에 켤레 복소수를 곱해 Zp를 실수부와 허수부로 나누세요.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 33.62 − j29.78 Ω

전체 임피던스

Z = 20 + 33.62 − j29.78 = 53.62 − j29.78 Ω
|Z| = √(53.62² + 29.78²) = 61.33 Ω

전류

I = V/|Z| = 100/61.33 = 1.63 A

답

I = 1.63 A
9.직류 전동기

답: η = 87.31 %

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 = 120·30 = 3600 W
Pdev = 108·30 = 3240 W
Pout = 3240 − 97 = 3143 W

효율

η = 3143/3600·100 = 87.31 %

답

η = 87.31 %
10.직류 전동기

답: n2 = 1872 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 = 48 − 6·0.5 = 45 V
E2 = 48 − 2.4·0.5 = 46.8 V

새 속도

n2 = 1800·46.8/45 = 1872 rpm

답

n2 = 1872 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems