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 24 + j7 Ω인 평형 Y 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 = 24 + j7 Ω 상당

P = kW

2.3상 전력어려움

평형 3상 부하가 400 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 250 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 C_ph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 250 kWpf₁ = 0.7pf₂ = 0.9V_L = 400 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.변압기보통

단상 75 kVA, 4800/240 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 I_LV을(를) 구하시오.

S = 75 kVAV₁ = 4800 VV₂ = 240 V

I_LV = A

4.변압기어려움

단상 200 kVA 변압기의 철손은 1200 W이고 정격 부하에서의 동손은 4800 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 S_η,max은(는) 몇 kVA인가?

S = 200 kVAP_core = 1200 WP_cu,fl = 4800 W

S_η,max = kVA

5.교류 전력과 역률보통

임피던스 Z = 5 + j12 Ω인 부하가 120 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 피상 전력 S을(를) 구하시오.

V = 120 VZ = 5 + j12 Ω

S = VA

6.교류 전력과 역률어려움

단상 부하가 400 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 20 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.98(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 Q_C을(를) 구하시오.

P = 20 kWpf₁ = 0.8pf₂ = 0.98V = 400 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

7.교류 임피던스와 페이저보통

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF

I = A

8.교류 임피던스와 페이저어려움

직렬 RLC 회로의 R = 10 Ω, L = 10 mH, C = 0.047 µF이다. 공진에서의 선택도 Q을(를) 구하시오.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 0.047 µF

Q =

9.직류 전동기보통

k = 0.6 V·s/rad인 직류 전동기가 220 V에서 동작합니다. 무부하에서 모든 손실을 무시할 때 무부하 속도 n₀을(를) rpm 단위로 구하시오.

V = 220 Vk = 0.6 V·s/rad

n₀ = rpm

10.직류 전동기어려움

직류 전동기(k = 0.8 V·s/rad, R_a = 2 Ω)가 고정된 220 V 전원에서 4 N·m의 부하를 구동합니다. 속도를 600 rpm으로 낮추는 직렬 저항 R_s을(를) 구하시오.

V = 220 Vk = 0.8 V·s/radR_a = 2 ΩT = 4 N·mn = 600 rpm

R_s = Ω

3용액

1.3상 전력

답: P = 8.847 kW

상전압

V_ph = 480/√3 = 277.1 V

상전류

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω

I_ph = 277.1/25 = 11.09 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·I_ph²·R = 3·11.09²·24 = 8.847 kW

답

P = 8.847 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.96이고, √3·V_L·I_L·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

2.3상 전력

답: C_ph = 2665 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 = 250·tan(acos 0.7) = 250·1.02 = 255.1 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

Q_C = Q₁ − Q₂ = 134 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 44657/(314.2·230.9²) = 2665 µF

답

C_ph = 2665 µF

3.변압기

답: I_LV = 312.5 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 = 75000/240 = 312.5 A

답

I_LV = 312.5 A

4.변압기

답: S_η,max = 100 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

x²·4800 = 1200 → x = √(1200/4800) = 0.5

최대 효율에서의 부하

S_η,max = x·S = 0.5·200 = 100 kVA

답

S_η,max = 100 kVA

5.교류 전력과 역률

답: S = 1108 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω

I = V/|Z| = 120/13 = 9.231 A

피상 전력

S = V·I = 120·9.231 = 1108 VA

답

S = 1108 VA

6.교류 전력과 역률

답: Q_C = 10.94 kvar

보상 전후의 무효 전력

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 20·tan(36.87°) = 15 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 20·tan(11.48°) = 4.061 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 10.94 kvar

답

Q_C = 10.94 kvar

7.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.6082 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

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0.2 = 75.4 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56.44 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(80² + (18.96)²) = 82.22 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/82.22 = 0.6082 A

답

I = 0.6082 A

8.교류 임피던스와 페이저

답: Q = 46.13

공진 주파수

f₀ = 1/(2π·√(0.01·0.047·10⁻⁶)) = 7341 Hz

선택도

Q는 공진에서의 리액턴스를 저항과 비교합니다: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0.01/(0.047·10⁻⁶)) = 46.13

답

Q = 46.13

9.직류 전동기

답: n₀ = 3501 rpm

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.

무부하 속도

ω₀ = V/k = 220/0.6 = 366.7 rad/s

n₀ = 60·366.7/(2π) = 3501 rpm

답

n₀ = 3501 rpm

10.직류 전동기

답: R_s = 31.95 Ω

전류와 역기전력

I_a = 4/0.8 = 5 A

E = 0.8·62.83 = 50.27 V

직렬 저항

R_a + R_s = (220 − 50.27)/5 = 33.95 Ω

R_s = 31.95 Ω

답

R_s = 31.95 Ω

저항기는 798.7 W를 낭비합니다. 초퍼는 훨씬 적은 손실로 속도를 제어합니다.

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