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: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ 결선: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
전체 유효 전력: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
피상 전력과 무효 전력: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압: Δ: V_L Y: V_L/√3
전동기 입력: P_in = P_out/η

변압기

권수비: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
전류비: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
정격 전류: I = S/V
환산 임피던스: Z₁′ = a²·Z_L
부분 부하에서의 동손: P_cu = x²·P_cu,fl
효율: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
최대 효율: x = √(P_core/P_cu,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: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

교류 임피던스와 페이저

임피던스: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 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: X_L = ωL, X_C = 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 + I_aR_a
역기전력과 토크: E = k·ω, T = k·I_a
속력: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
무부하 속도와 정지 토크: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
전력: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
기동: I_start = V/(R_a + R_st)
속도 변동률: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
최대 발생 전력: P_max = V²/(4R_a)
초퍼 구동: V_a = D·V_dc

방법

전기자 회로를 그리세요. 전원 V, 저항 R_a, 역기전력 E가 직렬입니다.
전압, 전류, 역기전력을 V = E + I_a·R_a로 연결하세요.
속도에는 E = k·ω를, 토크에는 T = k·I_a를 쓰세요. ω = 2π·n/60입니다.
전력과 효율은 V·I_a에서 출발해 동손 I_a²·R_a를 빼고, 그다음 회전 손실을 빼세요.

2연습 문제

1.3상 전력보통

상당 임피던스가 9 + j12 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 480 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

V_L = 480 VZ = 9 + j12 Ω 상당

P = kW

2.3상 전력어려움

평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 50 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 Q_C을(를) kvar 단위로 구하시오.

P = 50 kWpf₁ = 0.7pf₂ = 0.92V_L = 415 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3.변압기보통

단상 75 kVA, 10000/400 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 I_LV을(를) 구하시오.

S = 75 kVAV₁ = 10000 VV₂ = 400 V

I_LV = A

4.변압기어려움

단상 100 kVA 변압기의 철손은 300 W이고 정격 부하에서의 동손은 450 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 S_η,max은(는) 몇 kVA인가?

S = 100 kVAP_core = 300 WP_cu,fl = 450 W

S_η,max = kVA

5.교류 전력과 역률보통

유도성 부하가 240 V(실효값) 단상 전원에서 11 A와 2376 W를 소비한다. 이 부하를 저항 R과 리액턴스 X의 직렬로 모델링한다. X을(를) 구하시오.

V = 240 VI = 11 AP = 2376 W

X = Ω

6.교류 전력과 역률어려움

12 V(실효값), 1000 Hz 전원의 내부 임피던스는 Z_s = 8 + j6 Ω이다. 부하 임피던스 Z_L은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 P_max을(를) 구하시오.

V_s = 12 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 8 + j6 Ω

P_max = W

7.교류 임피던스와 페이저보통

저항과 인덕터가 120 V(실효값), 100 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 20 mH

I = A

8.교류 임피던스와 페이저어려움

저항 R₁이(가) R₂와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 120 V(실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 크기 |Z|을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR₁ = 50 ΩR₂ = 60 ΩC = 100 µF

|Z| = Ω

9.직류 전동기보통

직류 전동기가 110 V 전원에서 6 A를 끌어 씁니다. 전기자 저항은 1.2 Ω이고 회전 손실(마찰, 풍손, 철손)은 49 W입니다. 효율 η을(를) 구하시오.

V = 110 VI_a = 6 AR_a = 1.2 ΩP_rot = 49 W

η = %

10.직류 전동기어려움

소형 직류 전동기의 전기자 저항이 1.5 Ω이고 24 V에서 동작합니다. 회전 손실을 무시하고, 어떤 속도에서든 낼 수 있는 최대 기계적 출력 P_max을(를) 구하시오.

V = 24 VR_a = 1.5 Ω

P_max = W

3용액

1.3상 전력

답: P = 27.65 kW

상전압

V_ph = V_L = 480 V

상전류

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω

I_ph = 480/15 = 32 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·I_ph²·R = 3·32²·9 = 27.65 kW

답

P = 27.65 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·V_L·I_L·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

2.3상 전력

답: Q_C = 29.71 kvar

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, V_L = √3·V_ph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, I_L = √3·I_ph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). 세 커패시터는 각각 Q_C/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 V_L, Y 뱅크에서는 V_L/√3입니다.

보상 전후의 무효 전력

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

Q₁ = 50·tan(acos 0.7) = 50·1.02 = 51.01 kvar

Q₂ = 50·tan(acos 0.92) = 50·0.426 = 21.3 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

Q_C = Q₁ − Q₂ = 29.71 kvar

답

Q_C = 29.71 kvar

3.변압기

답: I_LV = 187.5 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.

정격 전류

두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.

I_LV = S/V = 75000/400 = 187.5 A

답

I_LV = 187.5 A

4.변압기

답: S_η,max = 81.65 kVA

변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·P_cu,fl입니다. 효율 η = P_out/(P_out + P_core + P_cu)이고, P_out = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.

동손 = 철손

x²·450 = 300 → x = √(300/450) = 0.8165

최대 효율에서의 부하

S_η,max = x·S = 0.8165·100 = 81.65 kVA

답

S_η,max = 81.65 kVA

5.교류 전력과 역률

답: X = 9.51 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 = 2376/11² = 19.64 Ω

임피던스에서 구한 리액턴스

|Z| = V/I = 240/11 = 21.82 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(21.82² − 19.64²) = 9.51 Ω

답

X = 9.51 Ω

6.교류 전력과 역률

답: P_max = 4.5 W

켤레 정합

부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.

Z_L = Z_s* = 8 − j6 Ω

최대 전력

I = V_s/(2R_s) = 12/16 = 0.75 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 12²/(4·8) = 4.5 W

답

P_max = 4.5 W

7.교류 임피던스와 페이저

답: I = 10.35 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

X_L = ωL = 2π·100·0.02 = 12.57 Ω

가지 전류

두 가지 모두 전원에 바로 연결되어 있으므로 각각 전체 전압 V를 받습니다.

I_R = V/R = 120/30 = 4 A

I_X = V/X_L = 120/12.57 = 9.549 A

전체 전류

저항 전류는 V와 동상이고 리액턴스 전류는 90° 위상차가 있으므로 직각삼각형의 변처럼 더해집니다.

I = √(I_R² + I_X²) = √(4² + 9.549²) = 10.35 A

답

I = 10.35 A

8.교류 임피던스와 페이저

답: |Z| = 67.89 Ω

리액턴스

X_C = 1/(2π·50·100·10⁻⁶) = 31.83 Ω

병렬 조합

분자와 분모에 켤레 복소수를 곱해 Z_p를 실수부와 허수부로 나누세요.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 13.18 − j24.84 Ω

전체 임피던스

Z = 50 + 13.18 − j24.84 = 63.18 − j24.84 Ω

|Z| = √(63.18² + 24.84²) = 67.89 Ω

답

|Z| = 67.89 Ω

9.직류 전동기

답: η = 86.03 %

직류 전동기: 전기자는 저항 R_a와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + I_a·R_a입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·I_a입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·I_a = T·ω이고, 입력 전력은 V·I_a이며, 그 차이는 동손 I_a²R_a와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − R_a·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/R_a일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/R_a가 큽니다.

전력

P_in = 110·6 = 660 W

P_dev = 102.8·6 = 616.8 W

P_out = 616.8 − 49 = 567.8 W

효율

η = 567.8/660·100 = 86.03 %

답

η = 86.03 %

10.직류 전동기

답: P_max = 96 W

역기전력의 함수로 나타낸 전력

P(E) = E·(V − E)/R_a

dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

최대 전력

P_max = (V/2)²/R_a = V²/(4R_a) = 24²/(4·1.5) = 96 W

답

P_max = 96 W

이 지점에서 효율은 50 %에 불과하므로 실제 전동기는 절반 속도보다 훨씬 높은 속도에서 운전합니다.

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