9급 지방직 고졸경채 전기기기 기출문제 전 회차를 한 권으로 — PDF 전자책(문제집·정답해설집)

20년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 지방직 고졸경채 전기기기 기출문제모두CBT · moducbt.com

20년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

직류 발전기의 회전수를 4배 증가시킬 때 유도 기전력을 이전과 같은 값으로 유지하려고 한다. 이때 필요한 계자 자속은 이전 자속의 몇 배인가?

\frac{1}{2}

배

22배

\frac{1}{4}

배

44배

정답 및 해설

회전수를 4배로 하면 계자 자속은 1/4배로 줄여야 유도 기전력이 유지된다.

직류 발전기의 유기기전력은 $E=\dfrac{PZ\phi N}{60a}=k\phi N$ 이므로 자속과 회전수의 곱에 비례한다.

$\phi'\times4N=\phi N$
$\phi'=\dfrac{1}{4}\phi$

자속을 1/2배로 하면 기전력은 이전의 2배가 된다.
자속을 2배로 하면 기전력은 이전의 8배가 된다.
자속을 4배로 하면 기전력은 이전의 16배가 된다.

문제 2

전동기의 토크(T)가 전기자 전류(

I_a

)의 제곱에 비례(

T\propto I_a^2

)하는 토크 특성을 갖는 직류 전동기는?

1복권 전동기

2분권 전동기

3직권 전동기

4타여자 전동기

정답 및 해설

토크가 전기자 전류의 제곱에 비례하는 것은 직권 전동기이다.

직권은 계자 권선이 전기자와 직렬이라 자기 포화 전에는 자속이 전기자 전류에 비례( $\phi\propto I_a$ )하고, $T=k\phi I_a\propto I_a^2$ 가 된다.

분권 전동기: 계자가 전원에 병렬이라 자속이 거의 일정해 $T\propto I_a$ 이다.
타여자 전동기: 별도 전원으로 여자해 자속이 일정하므로 $T\propto I_a$ 이다.
복권 전동기: 분권·직권 계자를 함께 가져 토크 특성이 두 전동기의 중간이다.

문제 3

변압기의 1차측 전압과 주파수가 일정한 상태에서 1차측 코일의 권수를 1.5배 증가시키면 코일을 쇄교하는 자속은 이전 자속의 몇 배가 되는가?

\frac{3}{2}

배

\frac{2}{3}

배

\frac{3}{4}

배

\frac{4}{3}

배

정답 및 해설

1차 권수를 1.5배로 늘리면 자속은 2/3배가 된다.

1차 유도기전력 $E_1=4.44fN_1\Phi_m$ 은 인가 전압과 같으므로, 전압·주파수가 일정하면 자속은 권수에 반비례한다.

$\Phi'=\dfrac{\Phi}{1.5}=\dfrac{2}{3}\Phi$

3/2배: 자속이 권수에 비례한다고 잘못 본 값이다.
3/4배: 권수와 곱해 1이 되지 않아 전압이 일정하다는 조건에 맞지 않는다.
4/3배: 자속이 늘어나는 값으로 반비례 관계에 어긋난다.

문제 4

유도 전동기의 슬립에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 동기 속도는

N_s

이고, 회전자 속도는

N

이다)

N=0

으로 정지 상태일 때의 슬립은

-1

이다.

N=\frac{1}{2}N_s

로 정회전할 때의 슬립은 0.5이다.

N=N_s

로 정회전할 때의 슬립은 0이다.

N=-N_s

로 역회전할 때의 슬립은 2이다.

정답 및 해설

정지 상태( $N=0$ )의 슬립은 1이므로 슬립을 $-1$ 로 본 설명이 옳지 않다.

슬립 $s=\dfrac{N_s-N}{N_s}$ 에 $N=0$ 을 대입하면 $s=1$ 이다. 슬립이 음수가 되는 것은 동기 속도보다 빠르게 도는 발전기 영역이다.

$N=\dfrac{1}{2}N_s$ 일 때 $s=\dfrac{N_s-0.5N_s}{N_s}=0.5$ 로 옳다.
$N=N_s$ 일 때 $s=0$ 으로 옳다.
$N=-N_s$ 일 때 $s=\dfrac{N_s+N_s}{N_s}=2$ 로 제동 영역이며 옳다.

문제 5

60 Hz, 6극 3상 권선형 유도 전동기가 960 rpm으로 회전하고 있다. 이때 전동기의 토크를 일정하게 유지하면서 전동기의 2차 회로 저항을 가감하여 전동기 회전수를 600 rpm으로 하려면 2차 회로 저항은 이전 저항의 몇 배가 되는가?

10.5배

21.5배

32배

42.5배

정답 및 해설

2차 회로 저항은 이전의 2.5배로 해야 한다.

동기 속도 $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$
$s_1=\dfrac{1200-960}{1200}=0.2$
$s_2=\dfrac{1200-600}{1200}=0.5$

비례추이에 따라 같은 토크에서는 $\dfrac{r_2}{s}$ 가 일정하므로
$\dfrac{R'}{R}=\dfrac{s_2}{s_1}=\dfrac{0.5}{0.2}=2.5$

문제 6

1차 전압 22,000 V, 2차 전압 220 V인 단상 변압기 2차측에 순수한 저항 부하를 연결했을 때 부하에 30 A의 전류가 흐른다면 변압기의 입력 전력[kW]은? (단, 변압기의 손실은 무시한다)

13.3

26.6

366

4666

정답 및 해설

손실을 무시하므로 입력 전력은 출력과 같은 6.6 kW이다.

순수 저항 부하라 역률이 1이므로
$P=V_2I_2=220\times30=6600\,\mathrm{W}=6.6\,\mathrm{kW}$

이상 변압기는 입력과 출력이 같으므로 1차측으로 계산해도 $I_1=\dfrac{6600}{22000}=0.3\,\mathrm{A}$ , $P=22000\times0.3=6.6\,\mathrm{kW}$ 로 같다.

문제 7

유도 전동기의 부하가 증가할 때 발생하는 현상으로 옳은 것은?

1슬립이 감소한다.

2회전자 전류(2차 전류)가 감소한다.

3회전자 전압(2차 전압)이 감소한다.

4회전자의 회전 속도가 감소한다.

정답 및 해설

부하가 증가하면 회전자의 회전 속도가 감소한다.

부하 토크가 커지면 회전자가 느려져 슬립이 커지고, 슬립에 비례해 2차 기전력·전류가 늘어 더 큰 토크를 낸다.

슬립 감소: 속도가 떨어지므로 슬립은 증가한다.
회전자 전류 감소: 슬립이 커져 2차 전류는 증가한다.
회전자 전압 감소: 2차 유도 전압 $sE_2$ 는 슬립에 비례해 증가한다.

문제 8

60 Hz, 4극, 4.7 kW 3상 유도 전동기를 전부하로 운전할 때 슬립이 6 %라면 이 전동기의 2차 입력 전력[W]은? (단, 기계손은 무시한다)

14,952

24,982

35,000

45,018

정답 및 해설

전동기의 2차 입력 전력은 5,000 W이다.

기계손을 무시하면 정격 출력이 기계적 출력이고, 전력 분배 관계 $P_2:P_o=1:(1-s)$ 를 쓴다.

$P_2=\dfrac{P_o}{1-s}=\dfrac{4700}{1-0.06}=\dfrac{4700}{0.94}=5000\,\mathrm{W}$
이때 2차 동손은 $sP_2=0.06\times5000=300\,\mathrm{W}$ 이다.

문제 9

타여자 직류 전동기의 인가 전압이 50 V이고 역기전력이 30 V, 회전 속도가 300 rpm, 전기자 권선 저항이 2 Ω일 때 타여자 직류 전동기의 토크[N·m]는? (단, 브러시 전압 강하는 무시한다)

\frac{30}{\pi}

\frac{60}{\pi}

정답 및 해설

전동기의 토크는 $\dfrac{30}{\pi}\,\mathrm{N\cdot m}$ 이다.

전기자 전류 $I_a=\dfrac{V-E}{R_a}=\dfrac{50-30}{2}=10\,\mathrm{A}$
기계적 출력은 역기전력과 전기자 전류의 곱이다: $P=EI_a=30\times10=300\,\mathrm{W}$

$\omega=\dfrac{2\pi N}{60}=\dfrac{2\pi\times300}{60}=10\pi\,\mathrm{rad/s}$
$T=\dfrac{P}{\omega}=\dfrac{300}{10\pi}=\dfrac{30}{\pi}\,\mathrm{N\cdot m}$

문제 10

3상 동기 발전기에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 회전자 형식을 회전 계자형으로 하면 회전 전기자형보다 전기자 권선 절연이 용이하다.
ㄴ. 50 Hz, 16극 발전기의 경우 동기 속도는 450 rpm이 된다.
ㄷ. 전기자 결선을 Y결선 방식으로 하면 Δ결선 방식보다 절연이 용이하다.
ㄹ. 수력, 화력, 원자력 등의 발전소에서 교류 전력을 발생하기 위해 사용된다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄴ, ㄷ

3ㄱ, ㄷ, ㄹ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄱ, ㄷ, ㄹ이다.

ㄴ은 동기 속도 $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times50}{16}=375\,\mathrm{rpm}$ 이므로 450 rpm이 아니어서 틀리다.

ㄱ: 회전 계자형은 고전압 전기자를 고정자에 두어 절연이 쉽고, 슬립링에는 저압 계자 전류만 흐른다.
ㄷ: Y결선은 상전압이 선간전압의 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$ 이라 절연이 쉽고 중성점 접지가 가능하다.
ㄹ: 수력·화력·원자력 발전소의 교류 발전기는 동기 발전기이다.

문제 11

동기 발전기의 병렬 운전 조건에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유도 기전력의 위상이 동일해야 한다.

2유도 기전력의 주파수가 동일해야 한다.

3유도 기전력의 파형이 동일해야 한다.

4유도 기전력의 크기가 다르면 동기화 전류가 흐른다.

정답 및 해설

기전력의 크기가 다를 때 흐르는 것은 동기화 전류가 아니라 무효 순환전류이므로 이 설명이 옳지 않다.

동기화 전류(유효 횡류)는 기전력의 위상이 다를 때 흘러 위상을 맞추는 방향으로 작용한다.

위상 동일: 병렬 운전에 필요한 조건이다.
주파수 동일: 다르면 위상차가 주기적으로 변해 순환전류가 교대로 흐르고 난조의 원인이 되므로 필요한 조건이다.
파형 동일: 다르면 고조파 순환전류가 흐르므로 필요한 조건이다.

문제 12

변압기가 1차측에서 2차측으로 전력을 전달할 때 변압기 내부에 발생하는 손실에 대한 설명으로 옳은 것은?

1맴돌이 전류손을 줄이기 위하여 얇은 강판을 적층하여 사용한다.

2동손은 철심에 생기는 손실로 주로 히스테리시스손이다.

3부하손은 2차측에 부하가 있을 때 발생하는 손실로 주로 철손이다.

4무부하손은 변압기가 무부하 상태에 있을 때 발생하는 손실로 주로 동손이다.

정답 및 해설

얇은 강판을 적층하는 것은 맴돌이 전류손을 줄이기 위해서이므로 옳은 설명이다.

철심을 절연된 얇은 규소 강판으로 쌓으면 와전류 경로가 끊겨 와류손이 크게 줄어든다.

동손은 권선 저항에 의한 $I^2R$ 손실이며, 히스테리시스손은 철손에 속한다.
부하손은 부하 전류에 따라 변하는 손실로 주로 동손이다.
무부하손은 무부하에서도 생기는 손실로 주로 철손이다.

문제 13

동기 발전기에서 동기 속도(

N_s

)와 극수(p)와의 관계를 나타낸 그래프는? (단, 주파수는 일정하다)

1[그림]

2[그림]

3[그림]

4[그림]

정답 및 해설

주파수가 일정하면 동기 속도는 극수에 반비례하므로, 극수가 늘수록 감소하며 축에 점점 가까워지는 쌍곡선 그래프가 옳다.

동기 속도 공식은 $N_s=\dfrac{120f}{p}\ \mathrm{[rpm]}$ 이다.
f가 일정하면 $N_s\times p=120f$ 가 상수이므로 두 값의 곱이 일정한 반비례 관계가 된다.

극수가 늘수록 점점 가파르게 증가하는 곡선 — 증가 관계라 반비례와 반대이다.
원점을 지나는 직선 — 정비례 관계를 나타내므로 틀리다.
위로 볼록한 포물선 — 중간에서 최대가 되는 관계는 공식에서 나오지 않는다.

문제 14

철심 단면적이 0.1 m², 최대 자속 밀도가 2.0 Wb/m², 1차 권수가 10회, 2차 권수가 100회인 단상 변압기의 2차측 교류 전압이 8,880 V가 되기 위한 인가 전압의 주파수[Hz]는? (단, 철심 내에서 자속 밀도는 균일하고,

\frac{2\pi}{\sqrt{2}}=4.44

이다)

1600

2100

360

410

정답 및 해설

인가 전압의 주파수는 100 Hz이다.

2차 유도기전력 $E_2=4.44fN_2\Phi_m$ 이고, 최대 자속은 $\Phi_m=B_mA=2.0\times0.1=0.2\,\mathrm{Wb}$ 이다.

$8880=4.44\times f\times100\times0.2=88.8f$
$f=\dfrac{8880}{88.8}=100\,\mathrm{Hz}$

문제 15

유도 전동기의 속도 제어 방법 중 인버터를 사용한 PWM 제어에 대한 설명으로 옳은 것은?

1주파수만 제어할 수 있고, 전압은 제어할 수 없다.

2전압만 제어할 수 있고, 주파수는 제어할 수 없다.

3전압과 주파수를 함께 제어할 수 있다.

4전동기 극수를 직접 변화시켜 속도를 제어한다.

정답 및 해설

인버터 PWM 제어는 전압과 주파수를 함께 제어할 수 있다.

스위칭 펄스 폭으로 출력 전압을, 스위칭 주기로 출력 주파수를 바꿔 $V/f$ 를 일정하게 유지하며 속도를 제어한다(VVVF 제어).

주파수만 제어: PWM은 펄스 폭으로 출력 전압도 조절한다.
전압만 제어: 인버터는 출력 주파수를 바꿀 수 있다.
극수 직접 변경: 극수 변환법에 해당하며 인버터 제어와는 다른 방식이다.

문제 16

그림과 같이 3상 전파 정류회로에서 3상 전원이

v_{an}=V_m\sin\omega t

[V],

v_{bn}=V_m\sin(\omega t-\frac{2\pi}{3})

[V],

v_{cn}=V_m\sin(\omega t-\frac{4\pi}{3})

[V]일 때, 출력 전압

v_{out}

의 평균값[V]은? (단,

V_m

은 상전압 최댓값이다)

\frac{3\sqrt{2}\,V_m}{\pi}

\frac{3\,V_m}{\pi}

\frac{3\sqrt{6}\,V_m}{\pi}

\frac{3\sqrt{3}\,V_m}{\pi}

정답 및 해설

3상 전파(브리지) 정류회로의 출력 평균 전압은 $\dfrac{3\sqrt{3}\,V_m}{\pi}$ 이다.

출력 전압은 매 순간 가장 큰 선간전압을 따라가며, 선간전압의 최댓값은 $\sqrt{3}V_m$ 이다.
한 주기에 6개의 맥동이 생기므로 평균값은 $V_{avg}=\dfrac{3}{\pi}\times\sqrt{3}V_m=\dfrac{3\sqrt{3}\,V_m}{\pi}\approx1.65V_m$ 이다.

$\dfrac{3\sqrt{2}\,V_m}{\pi}\approx1.35V_m$ — 선간전압 실횻값 기준 공식의 꼴로, 상전압 최댓값을 넣으면 맞지 않는다.
$\dfrac{3\,V_m}{\pi}\approx0.95V_m$ — 선간전압 최댓값 대신 상전압 최댓값을 그대로 쓴 값이다.
$\dfrac{3\sqrt{6}\,V_m}{\pi}\approx2.34V_m$ — 상전압 실횻값 기준 공식의 꼴로, 최댓값에 적용하면 과대해진다.

문제 17

다음 중 제어 신호를 인가하여 도통(turn on) 상태로 점호(또는 트리거)한 후, 제어 신호를 제거해도 도통 상태를 계속 유지할 수 있는 래치형 반도체 소자만을 모두 고르면?

ㄱ. IGBT
ㄴ. 트라이액(TRIAC)
ㄷ. 사이리스터(thyristor)
ㄹ. MOSFET

1ㄱ

2ㄱ, ㄴ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

래치형 소자는 트라이액과 사이리스터이다.

두 소자는 게이트 신호로 점호하면 전류가 유지전류 이상인 동안 신호를 없애도 도통이 유지되며, 끄려면 전류를 줄이거나 역전압을 걸어야 한다.

IGBT: 게이트 전압이 있는 동안만 도통하는 자기 소호형 소자다.
MOSFET: 게이트 전압을 제거하면 바로 꺼지는 전압 구동형 소자다.

문제 18

동기 전동기의 특징에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유도 전동기에 비해 구조가 단순하고 보수가 쉬우며 가격이 저렴하다.

2회전자의 자극이 회전 자계에 이끌려 회전 자계와 일정한 각도를 유지하면서 동기 속도로 회전한다.

3회전자는 영구자석이나 전자석으로 구성할 수 있다.

4기동토크는 0이다.

정답 및 해설

동기 전동기는 유도 전동기보다 구조가 복잡하고 가격이 높으므로 이 설명이 옳지 않다.

계자용 직류 여자 장치(또는 영구자석)와 별도의 기동 장치가 필요해 보수가 어렵고 비싸다.

회전자 자극은 회전 자계에 이끌려 일정한 부하각을 유지하며 동기 속도로 회전한다.
회전자는 영구자석이나 직류 여자 전자석으로 구성할 수 있다.
정지 상태에서는 평균 토크가 0이라 자기 기동이 안 되므로 기동 권선 등을 쓴다.

문제 19

직류 스테핑 전동기(DC stepping motor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1펄스 한 개당 회전 각도가 2°인 스테핑 전동기에 주파수 60 Hz의 입력 펄스를 인가하면 회전 속도는 20 rpm이 된다.

2브러시 등의 접촉 부분이 없어 수명이 길다.

3기동, 정지, 정역회전이 용이하며, 공작기계 및 로봇 등의 정밀 제어용으로 사용이 가능하다.

4회전각 및 속도를 제어하기 위한 검출기가 필요하다.

정답 및 해설

스테핑 전동기는 입력 펄스 수로 회전각이 정해져 검출기 없이 개루프 제어가 가능하므로 이 설명이 옳지 않다.

회전 속도는 펄스 주파수와 스텝각의 곱으로 정해진다.

회전 속도: $2^\circ\times60\,\mathrm{s^{-1}}=120^\circ/\mathrm{s}=\dfrac{1}{3}\,\mathrm{rps}=20\,\mathrm{rpm}$ 으로 옳다.
브러시가 없어 접촉부 마모가 없고 수명이 길다.
펄스 순서·주파수로 기동·정지·정역회전이 쉬워 정밀 위치 제어에 쓰인다.

문제 20

다음 중 회전자의 기계적 회전을 이용하여 별도의 전원 없이 발전기로 사용할 수 있는 전동기만을 모두 고르면?

ㄱ. 영구 자석형 동기 전동기
ㄴ. 권선형 유도 전동기
ㄷ. 타여자식 직류 전동기
ㄹ. 농형 유도 전동기

1ㄱ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ, ㄹ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

별도 전원 없이 발전기로 쓸 수 있는 것은 영구 자석형 동기 전동기뿐이다.

영구자석이 회전자 자속을 스스로 만들므로 회전시키기만 하면 고정자 권선에 기전력이 유도된다.

권선형 유도 전동기: 자화에 필요한 여자 전류를 외부 전원에서 받아야 발전한다.
타여자식 직류 전동기: 계자 권선을 별도 전원으로 여자해야 기전력이 생긴다.
농형 유도 전동기: 회전자에 자속원이 없어 외부 여자 없이는 발전하지 못한다.

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20년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

직류 발전기의 회전수를 4배 증가시킬 때 유도 기전력을 이전과 같은 값으로 유지하려고 한다. 이때 필요한 계자 자속은 이전 자속의 몇 배인가?

\frac{1}{2}

배

22배

\frac{1}{4}

배

44배

정답 및 해설

회전수를 4배로 하면 계자 자속은 1/4배로 줄여야 유도 기전력이 유지된다.

직류 발전기의 유기기전력은 $E=\dfrac{PZ\phi N}{60a}=k\phi N$ 이므로 자속과 회전수의 곱에 비례한다.

$\phi'\times4N=\phi N$
$\phi'=\dfrac{1}{4}\phi$

자속을 1/2배로 하면 기전력은 이전의 2배가 된다.
자속을 2배로 하면 기전력은 이전의 8배가 된다.
자속을 4배로 하면 기전력은 이전의 16배가 된다.

문제 2

전동기의 토크(T)가 전기자 전류(

I_a

)의 제곱에 비례(

T\propto I_a^2

)하는 토크 특성을 갖는 직류 전동기는?

1복권 전동기

2분권 전동기

3직권 전동기

4타여자 전동기

정답 및 해설

토크가 전기자 전류의 제곱에 비례하는 것은 직권 전동기이다.

직권은 계자 권선이 전기자와 직렬이라 자기 포화 전에는 자속이 전기자 전류에 비례( $\phi\propto I_a$ )하고, $T=k\phi I_a\propto I_a^2$ 가 된다.

분권 전동기: 계자가 전원에 병렬이라 자속이 거의 일정해 $T\propto I_a$ 이다.
타여자 전동기: 별도 전원으로 여자해 자속이 일정하므로 $T\propto I_a$ 이다.
복권 전동기: 분권·직권 계자를 함께 가져 토크 특성이 두 전동기의 중간이다.

문제 3

변압기의 1차측 전압과 주파수가 일정한 상태에서 1차측 코일의 권수를 1.5배 증가시키면 코일을 쇄교하는 자속은 이전 자속의 몇 배가 되는가?

\frac{3}{2}

배

\frac{2}{3}

배

\frac{3}{4}

배

\frac{4}{3}

배

정답 및 해설

1차 권수를 1.5배로 늘리면 자속은 2/3배가 된다.

1차 유도기전력 $E_1=4.44fN_1\Phi_m$ 은 인가 전압과 같으므로, 전압·주파수가 일정하면 자속은 권수에 반비례한다.

$\Phi'=\dfrac{\Phi}{1.5}=\dfrac{2}{3}\Phi$

3/2배: 자속이 권수에 비례한다고 잘못 본 값이다.
3/4배: 권수와 곱해 1이 되지 않아 전압이 일정하다는 조건에 맞지 않는다.
4/3배: 자속이 늘어나는 값으로 반비례 관계에 어긋난다.

문제 4

유도 전동기의 슬립에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 동기 속도는

N_s

이고, 회전자 속도는

N

이다)

N=0

으로 정지 상태일 때의 슬립은

-1

이다.

N=\frac{1}{2}N_s

로 정회전할 때의 슬립은 0.5이다.

N=N_s

로 정회전할 때의 슬립은 0이다.

N=-N_s

로 역회전할 때의 슬립은 2이다.

정답 및 해설

정지 상태( $N=0$ )의 슬립은 1이므로 슬립을 $-1$ 로 본 설명이 옳지 않다.

슬립 $s=\dfrac{N_s-N}{N_s}$ 에 $N=0$ 을 대입하면 $s=1$ 이다. 슬립이 음수가 되는 것은 동기 속도보다 빠르게 도는 발전기 영역이다.

$N=\dfrac{1}{2}N_s$ 일 때 $s=\dfrac{N_s-0.5N_s}{N_s}=0.5$ 로 옳다.
$N=N_s$ 일 때 $s=0$ 으로 옳다.
$N=-N_s$ 일 때 $s=\dfrac{N_s+N_s}{N_s}=2$ 로 제동 영역이며 옳다.

문제 5

10.5배

21.5배

32배

42.5배

정답 및 해설

2차 회로 저항은 이전의 2.5배로 해야 한다.

동기 속도 $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$
$s_1=\dfrac{1200-960}{1200}=0.2$
$s_2=\dfrac{1200-600}{1200}=0.5$

비례추이에 따라 같은 토크에서는 $\dfrac{r_2}{s}$ 가 일정하므로
$\dfrac{R'}{R}=\dfrac{s_2}{s_1}=\dfrac{0.5}{0.2}=2.5$

문제 6

13.3

26.6

366

4666

정답 및 해설

손실을 무시하므로 입력 전력은 출력과 같은 6.6 kW이다.

순수 저항 부하라 역률이 1이므로
$P=V_2I_2=220\times30=6600\,\mathrm{W}=6.6\,\mathrm{kW}$

이상 변압기는 입력과 출력이 같으므로 1차측으로 계산해도 $I_1=\dfrac{6600}{22000}=0.3\,\mathrm{A}$ , $P=22000\times0.3=6.6\,\mathrm{kW}$ 로 같다.

문제 7

유도 전동기의 부하가 증가할 때 발생하는 현상으로 옳은 것은?

1슬립이 감소한다.

2회전자 전류(2차 전류)가 감소한다.

3회전자 전압(2차 전압)이 감소한다.

4회전자의 회전 속도가 감소한다.

정답 및 해설

부하가 증가하면 회전자의 회전 속도가 감소한다.

부하 토크가 커지면 회전자가 느려져 슬립이 커지고, 슬립에 비례해 2차 기전력·전류가 늘어 더 큰 토크를 낸다.

슬립 감소: 속도가 떨어지므로 슬립은 증가한다.
회전자 전류 감소: 슬립이 커져 2차 전류는 증가한다.
회전자 전압 감소: 2차 유도 전압 $sE_2$ 는 슬립에 비례해 증가한다.

문제 8

60 Hz, 4극, 4.7 kW 3상 유도 전동기를 전부하로 운전할 때 슬립이 6 %라면 이 전동기의 2차 입력 전력[W]은? (단, 기계손은 무시한다)

14,952

24,982

35,000

45,018

정답 및 해설

전동기의 2차 입력 전력은 5,000 W이다.

기계손을 무시하면 정격 출력이 기계적 출력이고, 전력 분배 관계 $P_2:P_o=1:(1-s)$ 를 쓴다.

$P_2=\dfrac{P_o}{1-s}=\dfrac{4700}{1-0.06}=\dfrac{4700}{0.94}=5000\,\mathrm{W}$
이때 2차 동손은 $sP_2=0.06\times5000=300\,\mathrm{W}$ 이다.

문제 9

\frac{30}{\pi}

\frac{60}{\pi}

정답 및 해설

전동기의 토크는 $\dfrac{30}{\pi}\,\mathrm{N\cdot m}$ 이다.

전기자 전류 $I_a=\dfrac{V-E}{R_a}=\dfrac{50-30}{2}=10\,\mathrm{A}$
기계적 출력은 역기전력과 전기자 전류의 곱이다: $P=EI_a=30\times10=300\,\mathrm{W}$

$\omega=\dfrac{2\pi N}{60}=\dfrac{2\pi\times300}{60}=10\pi\,\mathrm{rad/s}$
$T=\dfrac{P}{\omega}=\dfrac{300}{10\pi}=\dfrac{30}{\pi}\,\mathrm{N\cdot m}$

문제 10

3상 동기 발전기에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

1ㄱ, ㄴ

2ㄴ, ㄷ

3ㄱ, ㄷ, ㄹ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄱ, ㄷ, ㄹ이다.

ㄴ은 동기 속도 $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times50}{16}=375\,\mathrm{rpm}$ 이므로 450 rpm이 아니어서 틀리다.

ㄱ: 회전 계자형은 고전압 전기자를 고정자에 두어 절연이 쉽고, 슬립링에는 저압 계자 전류만 흐른다.
ㄷ: Y결선은 상전압이 선간전압의 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$ 이라 절연이 쉽고 중성점 접지가 가능하다.
ㄹ: 수력·화력·원자력 발전소의 교류 발전기는 동기 발전기이다.

문제 11

동기 발전기의 병렬 운전 조건에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유도 기전력의 위상이 동일해야 한다.

2유도 기전력의 주파수가 동일해야 한다.

3유도 기전력의 파형이 동일해야 한다.

4유도 기전력의 크기가 다르면 동기화 전류가 흐른다.

정답 및 해설

기전력의 크기가 다를 때 흐르는 것은 동기화 전류가 아니라 무효 순환전류이므로 이 설명이 옳지 않다.

동기화 전류(유효 횡류)는 기전력의 위상이 다를 때 흘러 위상을 맞추는 방향으로 작용한다.

위상 동일: 병렬 운전에 필요한 조건이다.
주파수 동일: 다르면 위상차가 주기적으로 변해 순환전류가 교대로 흐르고 난조의 원인이 되므로 필요한 조건이다.
파형 동일: 다르면 고조파 순환전류가 흐르므로 필요한 조건이다.

문제 12

변압기가 1차측에서 2차측으로 전력을 전달할 때 변압기 내부에 발생하는 손실에 대한 설명으로 옳은 것은?

1맴돌이 전류손을 줄이기 위하여 얇은 강판을 적층하여 사용한다.

2동손은 철심에 생기는 손실로 주로 히스테리시스손이다.

3부하손은 2차측에 부하가 있을 때 발생하는 손실로 주로 철손이다.

4무부하손은 변압기가 무부하 상태에 있을 때 발생하는 손실로 주로 동손이다.

정답 및 해설

얇은 강판을 적층하는 것은 맴돌이 전류손을 줄이기 위해서이므로 옳은 설명이다.

철심을 절연된 얇은 규소 강판으로 쌓으면 와전류 경로가 끊겨 와류손이 크게 줄어든다.

동손은 권선 저항에 의한 $I^2R$ 손실이며, 히스테리시스손은 철손에 속한다.
부하손은 부하 전류에 따라 변하는 손실로 주로 동손이다.
무부하손은 무부하에서도 생기는 손실로 주로 철손이다.

문제 13

동기 발전기에서 동기 속도(

N_s

)와 극수(p)와의 관계를 나타낸 그래프는? (단, 주파수는 일정하다)

1[그림]

2[그림]

3[그림]

4[그림]

정답 및 해설

주파수가 일정하면 동기 속도는 극수에 반비례하므로, 극수가 늘수록 감소하며 축에 점점 가까워지는 쌍곡선 그래프가 옳다.

동기 속도 공식은 $N_s=\dfrac{120f}{p}\ \mathrm{[rpm]}$ 이다.
f가 일정하면 $N_s\times p=120f$ 가 상수이므로 두 값의 곱이 일정한 반비례 관계가 된다.

극수가 늘수록 점점 가파르게 증가하는 곡선 — 증가 관계라 반비례와 반대이다.
원점을 지나는 직선 — 정비례 관계를 나타내므로 틀리다.
위로 볼록한 포물선 — 중간에서 최대가 되는 관계는 공식에서 나오지 않는다.

문제 14

\frac{2\pi}{\sqrt{2}}=4.44

이다)

1600

2100

360

410

정답 및 해설

인가 전압의 주파수는 100 Hz이다.

2차 유도기전력 $E_2=4.44fN_2\Phi_m$ 이고, 최대 자속은 $\Phi_m=B_mA=2.0\times0.1=0.2\,\mathrm{Wb}$ 이다.

$8880=4.44\times f\times100\times0.2=88.8f$
$f=\dfrac{8880}{88.8}=100\,\mathrm{Hz}$

문제 15

유도 전동기의 속도 제어 방법 중 인버터를 사용한 PWM 제어에 대한 설명으로 옳은 것은?

1주파수만 제어할 수 있고, 전압은 제어할 수 없다.

2전압만 제어할 수 있고, 주파수는 제어할 수 없다.

3전압과 주파수를 함께 제어할 수 있다.

4전동기 극수를 직접 변화시켜 속도를 제어한다.

정답 및 해설

인버터 PWM 제어는 전압과 주파수를 함께 제어할 수 있다.

스위칭 펄스 폭으로 출력 전압을, 스위칭 주기로 출력 주파수를 바꿔 $V/f$ 를 일정하게 유지하며 속도를 제어한다(VVVF 제어).

주파수만 제어: PWM은 펄스 폭으로 출력 전압도 조절한다.
전압만 제어: 인버터는 출력 주파수를 바꿀 수 있다.
극수 직접 변경: 극수 변환법에 해당하며 인버터 제어와는 다른 방식이다.

문제 16

그림과 같이 3상 전파 정류회로에서 3상 전원이

v_{an}=V_m\sin\omega t

[V],

v_{bn}=V_m\sin(\omega t-\frac{2\pi}{3})

[V],

v_{cn}=V_m\sin(\omega t-\frac{4\pi}{3})

[V]일 때, 출력 전압

v_{out}

의 평균값[V]은? (단,

V_m

은 상전압 최댓값이다)

\frac{3\sqrt{2}\,V_m}{\pi}

\frac{3\,V_m}{\pi}

\frac{3\sqrt{6}\,V_m}{\pi}

\frac{3\sqrt{3}\,V_m}{\pi}

정답 및 해설

3상 전파(브리지) 정류회로의 출력 평균 전압은 $\dfrac{3\sqrt{3}\,V_m}{\pi}$ 이다.

$\dfrac{3\sqrt{2}\,V_m}{\pi}\approx1.35V_m$ — 선간전압 실횻값 기준 공식의 꼴로, 상전압 최댓값을 넣으면 맞지 않는다.
$\dfrac{3\,V_m}{\pi}\approx0.95V_m$ — 선간전압 최댓값 대신 상전압 최댓값을 그대로 쓴 값이다.
$\dfrac{3\sqrt{6}\,V_m}{\pi}\approx2.34V_m$ — 상전압 실횻값 기준 공식의 꼴로, 최댓값에 적용하면 과대해진다.

문제 17

ㄱ. IGBT
ㄴ. 트라이액(TRIAC)
ㄷ. 사이리스터(thyristor)
ㄹ. MOSFET

1ㄱ

2ㄱ, ㄴ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

래치형 소자는 트라이액과 사이리스터이다.

두 소자는 게이트 신호로 점호하면 전류가 유지전류 이상인 동안 신호를 없애도 도통이 유지되며, 끄려면 전류를 줄이거나 역전압을 걸어야 한다.

IGBT: 게이트 전압이 있는 동안만 도통하는 자기 소호형 소자다.
MOSFET: 게이트 전압을 제거하면 바로 꺼지는 전압 구동형 소자다.

문제 18

동기 전동기의 특징에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유도 전동기에 비해 구조가 단순하고 보수가 쉬우며 가격이 저렴하다.

2회전자의 자극이 회전 자계에 이끌려 회전 자계와 일정한 각도를 유지하면서 동기 속도로 회전한다.

3회전자는 영구자석이나 전자석으로 구성할 수 있다.

4기동토크는 0이다.

정답 및 해설

동기 전동기는 유도 전동기보다 구조가 복잡하고 가격이 높으므로 이 설명이 옳지 않다.

계자용 직류 여자 장치(또는 영구자석)와 별도의 기동 장치가 필요해 보수가 어렵고 비싸다.

회전자 자극은 회전 자계에 이끌려 일정한 부하각을 유지하며 동기 속도로 회전한다.
회전자는 영구자석이나 직류 여자 전자석으로 구성할 수 있다.
정지 상태에서는 평균 토크가 0이라 자기 기동이 안 되므로 기동 권선 등을 쓴다.

문제 19

직류 스테핑 전동기(DC stepping motor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1펄스 한 개당 회전 각도가 2°인 스테핑 전동기에 주파수 60 Hz의 입력 펄스를 인가하면 회전 속도는 20 rpm이 된다.

2브러시 등의 접촉 부분이 없어 수명이 길다.

3기동, 정지, 정역회전이 용이하며, 공작기계 및 로봇 등의 정밀 제어용으로 사용이 가능하다.

4회전각 및 속도를 제어하기 위한 검출기가 필요하다.

정답 및 해설

스테핑 전동기는 입력 펄스 수로 회전각이 정해져 검출기 없이 개루프 제어가 가능하므로 이 설명이 옳지 않다.

회전 속도는 펄스 주파수와 스텝각의 곱으로 정해진다.

회전 속도: $2^\circ\times60\,\mathrm{s^{-1}}=120^\circ/\mathrm{s}=\dfrac{1}{3}\,\mathrm{rps}=20\,\mathrm{rpm}$ 으로 옳다.
브러시가 없어 접촉부 마모가 없고 수명이 길다.
펄스 순서·주파수로 기동·정지·정역회전이 쉬워 정밀 위치 제어에 쓰인다.

문제 20

다음 중 회전자의 기계적 회전을 이용하여 별도의 전원 없이 발전기로 사용할 수 있는 전동기만을 모두 고르면?

ㄱ. 영구 자석형 동기 전동기
ㄴ. 권선형 유도 전동기
ㄷ. 타여자식 직류 전동기
ㄹ. 농형 유도 전동기

1ㄱ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ, ㄹ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

별도 전원 없이 발전기로 쓸 수 있는 것은 영구 자석형 동기 전동기뿐이다.

영구자석이 회전자 자속을 스스로 만들므로 회전시키기만 하면 고정자 권선에 기전력이 유도된다.

권선형 유도 전동기: 자화에 필요한 여자 전류를 외부 전원에서 받아야 발전한다.
타여자식 직류 전동기: 계자 권선을 별도 전원으로 여자해야 기전력이 생긴다.
농형 유도 전동기: 회전자에 자속원이 없어 외부 여자 없이는 발전하지 못한다.