[9급 국가직 전기기기] 23년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

균압선이 필요한 것은 직권발전기와 복권발전기이다. 두 기기 모두 부하전류가 흐르는 직권 계자 권선을 가지고 있기 때문이다.
직권 계자가 있으면 한 발전기의 전류가 조금 늘 때 그 기기의 자속과 전압이 더 올라가 부하를 더 떠맡는 불안정이 생기므로, 직권 계자 끝을 균압선으로 연결해 두 기기의 직권 계자 전류를 고르게 나눈다.
분권발전기는 직권 계자가 없고 부하가 늘면 전압이 떨어지는 안정한 특성이라 균압선이 필요 없다.
타여자발전기는 계자전류가 별도 전원에서 공급되어 부하전류와 무관하므로 균압선이 필요 없다.

매극 매상당 슬롯수는 4이다.
그림의 회전자에는 돌극이 6개 있으므로 극수는 $P=6$이다.
$q=\dfrac{S}{P\times m}=\dfrac{72}{6\times 3}=4$

△－Y 결선은 승압용으로 주로 쓰이므로 이 설명이 옳다. 2차가 Y라 중성점을 접지할 수 있고, 선간전압이 상전압의 $\sqrt{3}$배로 높아져 발전소 송전단 승압에 유리하다.
Y－△·△－Y 결선은 1차와 2차 선간전압 사이에 30°의 위상차가 생긴다.
Y－△ 결선의 위상차가 60°라는 설명은 틀리다. 위상차는 30°이다.
△－△ 결선은 중성점이 없으므로 중성점 접지가 불가능하다.
Y－Y 결선은 제3고조파 문제로 단독으로는 잘 쓰이지 않으며, 가장 많이 쓰인다는 설명은 틀리다.

3상 유도전동기는 회전자에 브러시와 정류자가 없는 기기이므로, 브러시와 정류자를 이용한다는 설명이 해당하지 않는다.
정류자·브러시는 직류기의 특징이며, 유도전동기는 회전자계가 회전자에 전류를 유도해 토크를 내는 전자유도 방식이다.
구조가 단순하고 유지보수가 쉽다는 것은 유도전동기의 특징이다.
부하가 변해도 슬립 변화가 작아 속도 변화가 작다는 것은 특징이다.
동기속도에서는 슬립이 0이라 2차 유도기전력이 없어 토크가 발생하지 않는다는 것도 특징이다.

발생 토크는 25.5 N·m이다.
직류기 토크 $T=\dfrac{PZ\phi I_a}{2\pi a}$, 중권이므로 병렬회로수 $a=P=4$이다.
$T=\dfrac{4\times 160\times 0.01\times 100}{2\times 3.14\times 4}=\dfrac{640}{25.12}\approx 25.48$
소수 둘째 자리에서 반올림하면 $25.5\,\mathrm{N\cdot m}$이다.

분권발전기는 전압 변동이 타여자발전기보다 크다는 설명이 옳다. 부하가 늘어 단자전압이 떨어지면 계자전류도 함께 줄어 자속이 감소하므로 전압이 더 떨어진다.
타여자발전기는 계자전류가 단자전압과 무관하므로 이런 누적 강하가 없다.
단자전압이 낮아지면 계자전류는 증가하는 것이 아니라 감소한다.
계자 저항이 클수록 계자전류가 줄어 무부하 전압은 낮아진다.
보상 권선은 전기자 반작용을 상쇄하도록 전기자 권선과 직렬로 결선한다.

전기자 반작용이 커지면 극당 자속은 감소하므로, 자속이 증가한다는 설명이 옳지 않다. 한쪽 극단의 자속 증가분이 자기포화로 제한되어 전체적으로 감자 작용이 나타난다.
전기자 반작용은 전기자 전류가 만든 자속이 주자속을 왜곡·감소시키는 현상이다.
전기자 전류에 의해 공극 자속이 왜곡되는 현상이라는 정의는 옳다.
발전기에서 자기적 중성축이 회전 방향으로 이동한다는 것은 옳다.
자속 감소로 전동기는 토크가, 발전기는 유기기전력이 저하된다는 것은 옳다.

동기임피던스는 5 Ω이다.
단락비는 단위법 동기임피던스의 역수이므로 $Z_s[\mathrm{pu}]=\dfrac{1}{K_s}=\dfrac{1}{0.5}=2$이다.
기준 임피던스 $Z_{base}=\dfrac{V^2}{S}=\dfrac{(5\times 10^3)^2}{10\times 10^6}=2.5\,\mathrm{\Omega}$
$Z_s=2\times 2.5=5\,\mathrm{\Omega}$

동기조상기가 공급해야 하는 무효전력은 900 kVAR이다.
그림에서 상전압 최댓값 $3000\sqrt{2}\,\mathrm{V}$, 상전류 최댓값 $200\sqrt{2}\,\mathrm{A}$이고, 전류가 전압보다 30° 늦게 영점을 지나므로 30° 뒤진 지상 부하이다.
실횻값 $V=3000\,\mathrm{V},\ I=200\,\mathrm{A}$
$Q=3VI\sin\theta=3\times 3000\times 200\times\sin 30^\circ=900\,\mathrm{kVAR}$
부하의 지상 무효전력 900 kVAR를 동기조상기(과여자)가 공급하면 역률이 1이 된다.

1차측 전류는 $12\angle -10^\circ\,\mathrm{mA}$이다.
권수비 $a=\dfrac{200}{20}=10$이므로 2차 부하를 1차로 환산하면 $a^2$배가 된다.
$Z_1^\prime=10^2\times 100\angle 10^\circ=10\angle 10^\circ\,\mathrm{k\Omega}$
$I_1=\dfrac{120\angle 0^\circ}{10000\angle 10^\circ}=0.012\angle -10^\circ\,\mathrm{A}=12\angle -10^\circ\,\mathrm{mA}$
유도성 부하이므로 전류는 전압보다 10° 뒤진다.

회전자 동손은 1.96 kW이다.
2차 입력(공극 전력)은 1차 입력에서 고정자 동손을 뺀 값이고, 회전자 동손은 $P_{c2}=sP_2$이다.
$P_2=50-1=49\,\mathrm{kW}$
$P_{c2}=0.04\times 49=1.96\,\mathrm{kW}$

변압기를 사용하는 것은 Flyback 컨버터이다. 결합 인덕터(변압기)에 에너지를 저장했다가 2차로 넘기는 절연형 벅-부스트 계열 컨버터이다.
나머지는 인덕터·스위치·다이오드만 쓰는 비절연형 컨버터이다.
Buck 컨버터는 변압기 없이 강압하는 비절연형이다.
Boost 컨버터는 변압기 없이 승압하는 비절연형이다.
Buck－Boost 컨버터는 변압기 없이 승강압하는 비절연형이다.

평균 전압은 $\dfrac{3}{2\sqrt{2}\pi}V_0$이다.
SCR 하나로 저항부하를 제어하면 반파 위상제어이므로 $\alpha$부터 $\pi$까지만 전압이 걸린다.
$V_{avg}=\dfrac{1}{2\pi}\int_{\alpha}^{\pi}\sqrt{2}V_0\sin\theta\,d\theta=\dfrac{\sqrt{2}V_0}{2\pi}(1+\cos\alpha)$
$V_{avg}=\dfrac{\sqrt{2}V_0}{2\pi}(1+\cos 60^\circ)=\dfrac{3\sqrt{2}V_0}{4\pi}=\dfrac{3}{2\sqrt{2}\pi}V_0$

60 Hz 운전 시 누설 리액턴스가 커지므로 전압변동률은 감소하지 않는다. 따라서 전압변동률이 감소한다는 것이 발생하는 현상이 아니다.
1차 전압이 일정하면 $V\approx 4.44fN\phi_m$에서 주파수가 높아질수록 자속이 감소한다.
권수비는 그대로이므로 무부하 2차측 전압은 동일하다.
자속이 줄어 자화전류가 감소한다.
히스테리시스손이 $V^2/f$에 비례해 줄고 와류손은 거의 일정하므로 철손이 감소한다.

3상 합성자계의 크기는 한 상 자계 최대치의 1.5배이다.
공간적으로 120°씩 떨어진 세 권선에 시간적으로 120°씩 위상이 다른 전류를 흘리면, 합성자계는 크기가 일정한 회전자계가 된다.
$H=\dfrac{3}{2}H_m=1.5H_m$

자화리액턴스는 11 kΩ이다.
무부하 전류를 철손 전류와 자화 전류로 나누면 $I_m=\sqrt{I_0^2-I_i^2}$이다.
$I_i=\dfrac{1320}{3300}=0.4\,\mathrm{A}$
$I_m=\sqrt{0.5^2-0.4^2}=0.3\,\mathrm{A}$
$X_m=\dfrac{3300}{0.3}=11000\,\mathrm{\Omega}=11\,\mathrm{k\Omega}$

기계적 출력은 3/2배가 된다.
기계적 출력은 2차 동손의 $\dfrac{1-s}{s}$배이므로 $P_o\propto I_2^2\dfrac{1-s}{s}$이다.
$\dfrac{P_o^\prime}{P_o}=3^2\times\dfrac{(1-0.4)/0.4}{(1-0.1)/0.1}=9\times\dfrac{1.5}{9}=1.5$

(가)는 속도의 제곱에 비례, (나)는 인버터이다.
펌프·팬·블로워는 유체 저항에 의한 부하라 토크가 속도의 제곱에, 동력은 속도의 세제곱에 비례하므로, 인버터(VVVF)로 교류 전동기 속도를 낮추면 소비 동력이 크게 줄어든다.
토크가 속도에 비례하는 것은 이런 유체 부하의 특성이 아니다.
초퍼회로는 직류를 직류로 바꾸는 장치이므로 교류 전동기의 가변속 운전에 쓰는 장치가 아니다.

유니버설 전동기는 역률을 높이려고 계자 권선의 권수를 줄인다. 따라서 권수를 증가시킨다는 설명이 옳지 않다.
계자 권수를 늘리면 계자 리액턴스가 커져 역률이 나빠지므로, 약계자·강전기자형으로 설계한다.
교류 자속에 의한 와전류를 줄이려고 고정자 철심을 적층하는 것은 옳다.
교류 운전 시 토크가 전원 주파수의 2배로 맥동하는 것은 피할 수 없다는 것은 옳다.
정류 불량을 억제하려고 저항이 큰 브러시를 쓰는 것은 옳다.

TRIAC은 게이트로 턴온만 제어할 수 있고 턴오프는 전류가 영점을 지날 때 일어나므로, 턴온과 턴오프를 모두 제어할 수 있다는 설명이 옳지 않다.
게이트로 턴오프까지 가능한 것은 GTO·IGBT·MOSFET 같은 자기소호형 소자이다.
SCR이 대전류·고전압을 견뎌 정격용량이 큰 전력변환기에 적합하다는 것은 옳다.
MOSFET이 스위칭 속도가 빨라 고주파 전력변환기에 적합하다는 것은 옳다.
GTO가 한 방향으로만 전류를 흘리는 단방향 소자라는 것은 옳다.