[9급 국가직 전기기기] 21년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

직권 직류전동기는 토크가 커질수록 속도가 낮아지므로, '토크가 커질수록 높은 속도를 얻는다'는 설명이 옳지 않다.
직권식은 계자 전류가 곧 전기자 전류이므로 포화 전 $\phi\propto I_a$, $T\propto \phi I_a\propto I_a^2$이고, 속도는 $N\propto \dfrac{1}{\phi}\propto\dfrac{1}{I_a}$이어서 $T\propto \dfrac{1}{N^2}$의 특성을 가진다.
토크가 전기자 전류의 제곱에 비례 — 자속 포화 전 직권식의 특성으로 옳다.
크레인용처럼 큰 토크가 필요한 곳에 적합 — 기동토크가 커서 전차·크레인 등에 쓰이므로 옳다.
무부하 운전을 피해야 함 — 무부하에서는 전류와 자속이 매우 작아져 속도가 위험하게 상승하므로 옳다.

V-V 결선의 출력은 △-△ 결선의 57.7[%], 변압기 이용률은 86.6[%]이므로, 두 수치를 뒤바꿔 적은 설명이 옳지 않다.
단상 변압기 1대 용량을 $P$라 하면 V-V 결선의 3상 출력은 $\sqrt{3}P$이다.
출력비 $=\dfrac{\sqrt{3}P}{3P}\approx 0.577$
이용률 $=\dfrac{\sqrt{3}P}{2P}\approx 0.866$
소용량 3상 부하에 사용 — 단상 변압기 2대로 3상을 공급할 수 있어 옳다.
△-△ 운전 중 1대 고장 시 V-V로 운전 — 남은 2대로 3상 공급을 계속할 수 있어 옳다.
2차 단자전압 불평형 가능 — 결선이 비대칭이라 부하 상태에 따라 전압이 불평형이 될 수 있어 옳다.

그림은 스위치가 전원과 직렬, 다이오드가 출력측에 병렬(환류)로 놓이고 그 뒤에 L-C 필터가 있는 벅(강압) 컨버터이며, 입출력 관계는 $V_o=T_D\times V_{in}$이다.
연속도통 정상상태에서 인덕터 전압의 한 주기 평균이 0이므로
$(V_{in}-V_o)T_D T_s=V_o(1-T_D)T_s$
$V_o=T_D V_{in}$
벅 컨버터, $V_o=\dfrac{1}{1-T_D}\times V_{in}$ — 이 식은 부스트 컨버터의 입출력 관계이다.
부스트 컨버터, $V_o=T_D\times V_{in}$ — 부스트는 인덕터가 전원과 직렬이고 스위치가 출력과 병렬인 구조라 그림과 명칭이 다르다.
부스트 컨버터, $V_o=\dfrac{1}{1-T_D}\times V_{in}$ — 식은 부스트의 관계이지만 그림의 회로는 부스트가 아니다.

동기속도 900[rpm], 슬립 0.2이므로 회전자 전류의 주파수는 12[Hz]이다.
$N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 60}{8}=900\,\mathrm{rpm}$
$s=\dfrac{900-720}{900}=0.2$
$f_2=sf=0.2\times 60=12\,\mathrm{Hz}$
기계손을 무시하므로 12[kW]가 기계적 출력 $P_o$이고, $P_2:P_{c2}:P_o=1:s:(1-s)$를 적용한다.
회전자 효율 90[%] — $\eta_2=1-s=0.8$, 즉 80[%]이므로 틀리다.
공극전력 13.3[kW] — $P_2=\dfrac{P_o}{1-s}=\dfrac{12}{0.8}=15\,\mathrm{kW}$이므로 틀리다.
회전자 동손 1.3[kW] — $P_{c2}=sP_2=0.2\times 15=3\,\mathrm{kW}$이므로 틀리다.

그림은 $E_a=V_t+jX_sI_a$로 유기기전력이 단자전압보다 $\delta$만큼 앞서는 발전기 동작이므로, '전동기로 동작하고 있다'는 설명이 옳지 않다.
전류 $I_a$는 기전력에서 단자 쪽으로 흘러 나가고, 벡터도에서 $V_t$ 끝에 $jX_sI_a$를 더해 $E_a$가 되므로 $E_a$가 $V_t$를 앞선다. 전동기라면 $E_a$가 $V_t$보다 뒤진다.
전류 $I_a$의 위상이 단자전압보다 뒤짐 — 벡터도에서 $I_a$가 $V_t$보다 $\theta$만큼 뒤져 있어 옳다.
무효전력 발생 — 지상전류를 공급하는 과여자 발전기이므로 무효전력을 내보내 옳다.
전류가 줄면 기전력과 단자전압의 크기 차이 감소 — 두 전압의 차이가 $jX_sI_a$이므로 $I_a$가 줄면 차이도 줄어 옳다.

B블록은 A블록 정류 출력의 맥동을 줄이는 직류 링크 평활 커패시터이므로, 평활화 목적이라는 설명이 옳다.
A는 다이오드 6개로 된 3상 정류기, B는 커패시터, C는 IGBT 6개로 된 3상 전압형 인버터로, 교류-직류-교류 변환 구조이다.
A블록이 3상 다이오드 반파정류기 — 상·하 암에 다이오드가 3개씩 있는 6펄스 전파(브리지) 정류기이다.
C블록이 교류를 직류로 바꾸는 인버터 — 인버터는 직류를 교류로 바꾸는 장치이다.
PWM 스위칭주파수가 높을수록 고조파 제거가 어려움 — 스위칭주파수가 높을수록 고조파가 고주파 쪽으로 밀려나 필터로 제거하기 쉬워진다.

유도전동기는 자기회로에 공극이 있어 변압기보다 누설리액턴스가 크므로, '누설리액턴스가 작다'는 설명이 옳지 않다.
공극 때문에 자화전류도 변압기보다 커서 무부하 전류와 역률 면에서 불리하다.
회전자 전류는 지상전류 — 회전자 회로가 저항과 누설리액턴스로 이루어진 유도성 회로이므로 옳다.
기동 시 2차 누설리액턴스가 더 큼 — 회전자 주파수가 $sf$이므로 $s=1$인 기동 시 $sX_2$가 최대가 되어 옳다.
이론적 최고효율 1-s — 2차 입력 중 $(1-s)$만 기계적 출력이 되므로(2차 효율) 옳다.

직류전동기는 기동 시 전기자 저항(기동저항)은 크게, 계자 저항은 최소로 한다.
정지 시에는 역기전력이 0이라 $I_a=\dfrac{V-E}{R_a}$에서 기동전류가 과대해지므로 전기자 회로에 직렬 저항을 넣어 전류를 제한한다.
계자 저항을 최소로 하면 계자 전류와 자속 $\phi$가 최대가 되어, 제한된 전류로도 큰 기동토크($T\propto\phi I_a$)를 얻고 속도의 급상승도 억제된다.
전기자 저항 크게·계자 저항 최대 — 자속이 줄어 기동토크가 작아지고 속도가 과도하게 오를 수 있다.
전기자 저항 작게·계자 저항 최소 — 전기자 전류를 제한하지 못해 기동전류가 과대해진다.
전기자 저항 작게·계자 저항 최대 — 기동전류 과대와 기동토크 부족이 함께 생긴다.

전압변동률은 5[%]이다.
그림의 직렬 임피던스 $0.16+j0.12\,\mathrm{\Omega}$는 부하가 연결된 200[V]측 기준 값이므로 정격 부하전류는
$I_2=\dfrac{10000}{200}=50\,\mathrm{A}$
지상역률 0.8이므로 $I_2=50(0.8-j0.6)\,\mathrm{A}$이고 무부하 시 단자전압(2차 환산)은
$V=200+50(0.8-j0.6)(0.16+j0.12)=200+50\times 0.2=210\,\mathrm{V}$
$\varepsilon=\dfrac{210-200}{200}\times 100=5\,\%$
-5[%] — 지상역률 부하에서는 무부하 전압이 정격전압보다 높아 전압변동률이 양(+)의 값이다.
6[%] — 위 계산값과 맞지 않는다.
-6[%] — 부호와 크기가 모두 맞지 않는다.

유기기전력과 단자전압이 같으므로 전기자 전압강하도 같아 $I_A=78\,\mathrm{A},\ I_B=52\,\mathrm{A}$이다.
$V=E-I_AR_A=E-I_BR_B$에서 $I_AR_A=I_BR_B$, 즉 분담전류는 전기자 저항에 반비례한다.
$I_A=130\times\dfrac{0.3}{0.2+0.3}=78\,\mathrm{A}$
$I_B=130\times\dfrac{0.2}{0.2+0.3}=52\,\mathrm{A}$
$I_A=40,\ I_B=90$ — 전압강하가 $8\,\mathrm{V}$와 $27\,\mathrm{V}$로 달라 단자전압이 같을 수 없다.
$I_A=90,\ I_B=40$ — 전압강하가 $18\,\mathrm{V}$와 $12\,\mathrm{V}$로 달라 성립하지 않는다.
$I_A=52,\ I_B=78$ — 저항이 큰 B가 더 많이 분담하도록 뒤바뀌었다.

정상 운전 범위는 전부하 토크 $T_n$에서 무부하 토크 $T_r$까지의 구간이다.
최대 토크점보다 오른쪽(저슬립) 영역은 부하가 늘어 속도가 떨어지면 토크가 커져 다시 평형을 찾는 안정 영역이고, 그 안에서 무부하부터 전부하까지가 실제 운전 범위이다.
$T_s$-$T_m$ 구간 — 속도가 떨어질수록 토크도 줄어드는 불안정 영역으로, 기동 시 가속 과정에서만 지나간다.
$T_m$-$T_n$ 구간 — 전부하를 넘는 과부하 영역으로 연속 운전 범위가 아니다.
$T_r$-$T_e$ 구간 — 무부하 토크보다 작은 쪽으로 동기속도($s=0$)에 닿는 구간이며, 유도전동기는 동기속도에 도달할 수 없다.

변압기유는 화재 위험을 줄이기 위해 인화점이 높아야 하므로, '인화점이 낮아야 한다'는 설명이 옳지 않다.
변압기유는 절연과 냉각을 함께 맡으므로 절연 내력이 크고, 냉각 성능이 좋으며, 화학적으로 안정해야 한다.
절연 내력이 커야 함 — 절연 매체 역할을 하므로 옳다.
절연재료·금속과 화학작용을 일으키지 않아야 함 — 열화와 부식을 막기 위한 조건으로 옳다.
유동성이 풍부하고 비열이 커서 냉각효과가 커야 함 — 대류로 열을 운반하는 냉각 매체 조건으로 옳다.

2차 저항법은 회전자 회로에 외부 저항을 연결해야 하므로 권선형 유도전동기의 속도 제어법이며, 이를 농형의 제어 방법에 포함시킨 설명이 옳지 않다.
농형은 회전자 도체가 단락환으로 닫혀 있어 외부 저항을 연결할 수 없고, 주파수 제어·극수 변환·전압 제어 등으로 속도를 바꾼다.
역상 제동법 — 전원 두 상을 바꿔 역방향 회전자계를 만들어 급정지시키는 방법으로 옳다.
이중농형·심구형 회전자 — 기동 시 표피효과로 2차 저항을 크게 해 기동 특성을, 운전 시 저항을 작게 해 운전 특성을 좋게 하므로 옳다.
순수 단상 유도전동기는 기동토크가 없음 — 단상 교번자계만으로는 기동토크가 0이라 기동 보조장치가 필요하므로 옳다.

자화전류는 0.4[A]이다.
무부하전류는 $R_c$에 흐르는 철손전류 $I_c$와 $X_m$에 흐르는 자화전류 $I_m$의 벡터합이며, 두 성분은 90° 위상차를 가진다.
$I_c=\dfrac{P_i}{V_1}=\dfrac{66}{220}=0.3\,\mathrm{A}$
$I_m=\sqrt{I_0^2-I_c^2}=\sqrt{0.5^2-0.3^2}=0.4\,\mathrm{A}$
0.3[A] — 철손전류 성분의 크기이다.
0.5[A] — 무부하전류 전체의 크기이다.
0.6[A] — 무부하전류보다 커서 그 성분이 될 수 없다.

단절권은 전절권에 비하여 고조파 성분이 감소하여 기전력 파형이 개선된다.
단절계수 $k_p=\sin\dfrac{\beta\pi}{2}$($\beta\lt 1$)는 1보다 작아 기본파 기전력은 다소 줄지만, 특정 차수 고조파의 단절계수가 훨씬 크게 작아져 고조파가 억제된다.
분포권이 집중권보다 합성 유기기전력이 큼 — 분포계수 $k_d\lt 1$이므로 분포권의 합성 기전력이 더 작다.
단절권이 전절권보다 합성 유기기전력이 큼 — 단절계수 $k_p\lt 1$이므로 더 작다.
분포권은 코일의 열이 일부분에 집중 — 코일이 여러 슬롯에 나뉘어 있어 열이 고르게 분산되므로 틀리다.

브러시리스 직류전동기는 영구자석 회전자가 회전하고 전기자 권선은 고정자에 있으므로, '전기자가 회전하는 구조'라는 설명이 옳지 않다.
기계식 정류자·브러시 대신 회전자 위치를 검출해 인버터로 고정자 권선의 전류를 전자적으로 전환한다.
수명이 길고 잡음이 적음 — 브러시·정류자의 마찰과 불꽃이 없어 옳다.
구형파 또는 준구형파 구동전류 — 위치 신호에 따라 상을 전환하는 구형파 전류로 구동하므로 옳다.
홀 센서로 회전자 위치 검출 — 전류 전환 시점을 정하기 위해 홀 센서를 쓰므로 옳다.

마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 모두 쓰는 전동기는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)이다.
영구자석이 회전자 철심 안에 매입되어 d축과 q축 인덕턴스가 달라($L_d\ne L_q$) 돌극성이 생기므로, 자석 토크에 더해 릴럭턴스 토크를 함께 낸다.
스위치드 릴럭턴스 전동기 — 영구자석이 없는 돌극 회전자로 릴럭턴스 토크만 이용한다.
릴럭턴스 동기전동기 — 자석 없이 회전자 돌극성에 의한 릴럭턴스 토크만 이용한다.
표면부착형 영구자석 동기전동기 — 자석이 회전자 표면에 있어 $L_d\approx L_q$이므로 사실상 마그네틱 토크만 이용한다.

무부하 분권 발전기의 단자전압은 $V_t=120\,\mathrm{V}$, 유기기전력은 $E=123\,\mathrm{V}$이다.
분권 계자는 단자에 병렬이므로
$V_t=I_fR_f=1.5\times 80=120\,\mathrm{V}$
무부하라 전기자 전류는 계자 전류뿐이다($I_a=I_f=1.5\,\mathrm{A}$).
$E=V_t+I_aR_a=120+1.5\times 2=123\,\mathrm{V}$
$V_t=80,\ E=120$ — 계자 저항값을 단자전압으로 혼동한 값이다.
$V_t=120,\ E=120$ — 계자 전류에 의한 전기자 전압강하를 빠뜨렸다.
$V_t=160,\ E=123$ — 단자전압이 $I_fR_f$와 맞지 않고 기전력보다 커서 발전기 식에도 어긋난다.

$D_F$를 제거하면 출력전압에 음(-)의 구간이 생겨 평균값이 감소하므로, '평균값이 증가한다'는 설명이 옳지 않다.
그림은 단상 반파 정류기에 RL 부하와 환류 다이오드 $D_F$를 단 회로이다. 전원이 음이 되면 $D_F$가 도통해 $V_o\approx 0$으로 묶이고 부하전류는 $D_F$로 계속 흐른다. $D_F$가 없으면 인덕터 에너지 때문에 D가 음의 반주기 일부까지 도통해 $V_o$가 음이 된다.
유도성 부하에 축적된 에너지의 소모 경로가 있음 — $D_F$를 통해 전류가 순환하며 R에서 소모되므로 옳다.
$D_F$가 부하전류를 평활화 — 음의 반주기에도 전류가 끊기지 않고 이어지므로 옳다.
한 주기 동안 인덕터 전압의 평균값은 0 — 정상상태에서 인덕터 전류가 주기적으로 반복되므로 옳다.

전압 증가는 동기전동기의 기동법이 아니므로 옳지 않다.
동기전동기는 정지 상태에서 회전자계가 동기속도로 돌아 평균 기동토크가 0이므로, 전압을 높여도 스스로 동기속도에 도달하지 못한다. 회전자를 동기속도 부근까지 가속하는 별도 수단이 필요하다.
주파수 제어에 의한 기동 — 인버터로 낮은 주파수부터 서서히 올려 회전자가 회전자계를 따라가게 하는 방법으로 옳다.
원동기에 의한 기동 — 외부 원동기(기동전동기)로 동기속도 부근까지 돌린 뒤 전원에 투입하는 방법으로 옳다.
제동권선에 의한 기동 — 제동권선을 농형 권선처럼 이용해 유도전동기로 기동하는 방법으로 옳다.