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

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 37 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 93%, 역률은 0.85(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 I_L을(를) 구하시오.

P_out = 37 kWη = 93%cos φ = 0.85V_L = 690 V

I_L = A

2.3상 전력어려움

평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.65(지상)로 150 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 C_ph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 150 kWpf₁ = 0.65pf₂ = 0.9V_L = 415 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.변압기보통

권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 1차 권선에 600 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 40 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I₁을(를) 구하시오.

N₁:N₂ = 5:1V₁ = 600 VR_L = 40 Ω

I₁ = A

4.변압기어려움

단상 200 kVA 변압기의 철손은 600 W이고 정격 부하에서의 동손은 1200 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 25%를 역률 0.85(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 P_loss을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 200 kVAP_core = 600 WP_cu,fl = 1200 Wx = 0.25pf = 0.85

P_loss = W

5.교류 전력과 역률보통

두 부하가 400 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.85의 8 kW 부하와 2 kW 히터(역률 1). 전원에서 흐르는 전체 전류 I을(를) 구하시오.

V = 400 VP₁ = 8 kW, pf₁ = 0.85 지상P₂ = 2 kW, pf₂ = 1

I = A

6.교류 전력과 역률어려움

단상 부하가 400 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.6로 30 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.98(으)로 높인다. 새 선전류 I_new을(를) 구하시오.

P = 30 kWpf₁ = 0.6pf₂ = 0.98V = 400 Vf = 60 Hz

I_new = A

7.교류 임피던스와 페이저보통

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF

φ = °

8.교류 임피던스와 페이저어려움

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 공진 주파수 f₀을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2.2 µF

f₀ = Hz

9.직류 전동기보통

직류 전동기가 1800 rpm에서 4 kW의 기계적 출력을 냅니다. 축 토크 T을(를) 구하시오.

P = 4 kWn = 1800 rpm

T = N·m

10.직류 전동기어려움

120 V에 연결된 타여자 직류 전동기(R_a = 1.2 Ω)가 전기자 전류 10 A에서 1500 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 2.5 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n₂을(를) 구하시오.

V = 120 VR_a = 1.2 Ωn₁ = 1500 rpmI_a1 = 10 AI_a2 = 2.5 A

n₂ = rpm

3용액

1.3상 전력

답: I_L = 39.16 A

전기 입력 전력

P_in = P_out/η = 37/0.93 = 39.78 kW

선전류

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 39785/(√3·690·0.85) = 39.16 A

답

I_L = 39.16 A

2.3상 전력

답: C_ph = 527.4 µF

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 = 150·tan(acos 0.65) = 150·1.169 = 175.4 kvar

Q₂ = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

Q_C = Q₁ − Q₂ = 102.7 kvar

상당 정전 용량

Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 34240/(377·415²) = 527.4 µF

답

C_ph = 527.4 µF

3.변압기

답: I₁ = 0.6 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 = 600/5 = 120 V

I₂ = 120/40 = 3 A

1차 전류

이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/5 = 0.6 A

답

I₁ = 0.6 A

확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·R_L = 1000 Ω이고, 600/1000도 같은 전류를 줍니다.

4.변압기

답: P_loss = 675 W

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.

이 부하에서의 동손

P_cu = x²·P_cu,fl = 0.0625·1200 = 75 W

전체 손실

철손은 어떤 부하에서도 같습니다.

P_loss = 600 + 75 = 675 W

답

P_loss = 675 W

이 부하에서의 효율은 η = 98.44%입니다.

5.교류 전력과 역률

답: I = 27.9 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.

각 부하의 무효 전력

지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).

Q₁ = 8·tan(arccos 0.85) = 4.958 kvar

Q₂ = 0 = 0 kvar

합계

P = 8 + 2 = 10 kW

Q = 4.958 + 0 = 4.958 kvar

S = √(10² + 4.958²) = 11.16 kVA

전체 전류

I = S/V = 11162/400 = 27.9 A

답

I = 27.9 A

6.교류 전력과 역률

답: I_new = 76.53 A

보상 전후의 무효 전력

유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.

Q₁ = P·tan φ₁ = 30·tan(53.13°) = 40 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 30·tan(11.48°) = 6.092 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 33.91 kvar

새 선전류

I_new = P/(V·cos φ₂) = 30000/(400·0.98) = 76.53 A

답

I_new = 76.53 A

7.교류 임피던스와 페이저

답: φ = 82.52 °

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

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.15 = 471.2 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(60² + (456.8)²) = 460.7 Ω

위상각

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(456.8/60) = 82.52°

답

φ = 82.52°

8.교류 임피던스와 페이저

답: f₀ = 277.1 Hz

공진

공진 시 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC). 전원 주파수와는 관계없습니다.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.15·2.2·10⁻⁶)) = 277.1 Hz

답

f₀ = 277.1 Hz

9.직류 전동기

답: T = 21.22 N·m

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.

rad/s 단위의 속도

ω = 2π·1800/60 = 188.5 rad/s

토크

T = P/ω = 4000/188.5 = 21.22 N·m

답

T = 21.22 N·m

10.직류 전동기

답: n₂ = 1625 rpm

변화 전후의 역기전력

E₁ = 120 − 10·1.2 = 108 V

E₂ = 120 − 2.5·1.2 = 117 V

새 속도

n₂ = 1500·117/108 = 1625 rpm

답

n₂ = 1625 rpm

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