[9급 지방직 전기기기] 12년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

V-V결선은 설치가 복잡한 것이 아니라 변압기 2대만으로 간단히 3상을 공급할 수 있는 결선이므로, 설치 방법이 복잡하다는 설명이 옳지 않다.
V-V결선 출력은 $\sqrt{3}P_1$로, 설비 용량 $2P_1$ 대비 이용률은 $\dfrac{\sqrt{3}}{2}\approx 0.866$, △-△결선 출력 $3P_1$ 대비 출력비는 $\dfrac{\sqrt{3}}{3}\approx 0.577$이다.
이용률이 86.6 %로 저하된다는 설명은 위 계산과 같으므로 옳다.
유효 출력용량이 △-△결선의 57.7 %가 된다는 설명은 출력비 계산과 같으므로 옳다.
부하측에 대칭 3상 전압을 공급할 수 있다는 설명은 V결선의 기본 성질이므로 옳다.

전기자 전류가 클수록 전기자 반작용도 커지므로, 전류가 매우 클 때 보상이 필요 없다는 설명이 옳지 않다.
전기자 반작용은 전기자 전류가 만드는 자속이 주자속을 왜곡·감소시키는 현상으로, 그 크기는 전기자 전류에 비례한다.
중성축 이동으로 정류가 나빠져 불꽃이 생기면 정류자와 브러시의 조기 마모를 가져올 수 있으므로 옳다.
발전기에서 감자작용으로 유효 공극자속이 줄어 출력전압이 저하되므로 옳다.
보상권선과 보극을 설치해 반작용을 상쇄하는 것은 대표적인 대책이므로 옳다.

공급 전압이 같으면 자속밀도는 주파수에 반비례하므로, 60 Hz에서의 자속밀도는 50 Hz일 때의 5/6배가 된다.
변압기 유도기전력 식에서 $V=4.44fN\phi_m=4.44fNB_mA$이므로 $V$, $N$, $A$가 일정하면 $B_m\propto\dfrac{1}{f}$이다.
$\dfrac{B_{60}}{B_{50}}=\dfrac{50}{60}=\dfrac{5}{6}$
6/5배는 비례 관계로 잘못 본 값이다.
($6/5)^{2}$배는 반비례 관계를 비례로 뒤집고 제곱까지 적용한 값이다.
($5/6)^{3}$배는 근거가 없는 지수를 적용한 값이다.

여자전류와 철손은 무부하시험(개방시험)으로 측정한다.
한쪽 권선을 개방하고 정격전압을 가하면 흐르는 전류는 여자전류뿐이고, 입력 전력은 거의 철손이 된다(동손 무시 가능).
단락시험은 정격전류를 흘려 동손(임피던스 와트)과 임피던스 전압을 구하는 시험이다.
가압시험은 절연내력을 확인하기 위한 내전압 시험이다.
유도시험은 층간 절연을 확인하기 위해 높은 주파수의 전압을 가하는 절연 시험이다.

동기기의 안정도 개선을 위해 설치하는 것은 제동권선이다.
제동권선은 회전자 자극면에 설치한 단락 권선으로, 부하 급변 시 생기는 난조를 유도 전류에 의한 제동 토크로 억제해 안정도를 높이며 기동 토크도 얻을 수 있다.
슬립링과 브러시는 회전자 계자권선에 직류를 공급하는 통로일 뿐 안정도 개선 장치가 아니다.
브러시와 전기자 권선은 전력 공급·기전력 발생 요소이지 안정도 개선 장치가 아니다.
계자권선은 주자속을 만드는 기본 권선으로 안정도 개선용으로 따로 설치하는 것이 아니다.

퍼센트 저항강하 2 %, 퍼센트 리액턴스강하 3 %를 이용하면 전압변동률은 3.4 %이다.
2차 정격전류: $I_2=\dfrac{4000}{200}=20\,\mathrm{A}$
$p=\dfrac{I_2R}{V_2}\times100=\dfrac{20\times0.2}{200}\times100=2$
$q=\dfrac{I_2X}{V_2}\times100=\dfrac{20\times0.3}{200}\times100=3$
지상 역률이므로 $\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta$$=2\times0.8+3\times0.6=3.4$
0.2는 리액턴스강하 항을 빼는 등 부호를 잘못 처리한 값이다.
1.6은 저항강하 항만 계산하고 리액턴스강하 항을 빠뜨린 값이다.
2.8은 저항강하·리액턴스강하와 역률·무효율을 정확히 대입한 결과와 맞지 않는 값이다.

분권발전기의 전기자 전류는 부하전류와 계자전류의 합이므로 유기기전력은 210 V이다.
전기자 전류: $I_a=I+I_f=90+10=100\,\mathrm{A}$
발전기이므로 $E=V+I_aR_a$$=200+100\times0.1=210\,\mathrm{V}$
190 V는 전동기 식처럼 전기자 전압강하를 뺀 값이다.
199 V는 계자전류만으로 강하를 계산하고 그마저 뺀 값이다.
201 V는 전기자 전류 대신 계자전류만으로 강하를 계산한 값이다.

유기기전력 식에는 극수가 직접 들어가지 않으므로 극수에 반비례한다는 설명이 옳지 않다.
교류기 유기기전력은 $E=4.44fN\phi k_w$이고, $f=\dfrac{PN_s}{120}$이므로 같은 속도라면 극수가 많을수록 주파수가 커져 기전력은 오히려 증가한다.
식에서 $E\propto f$이므로 고정자 주파수에 비례한다는 설명은 옳다.
극수가 일정하면 $f\propto N_s$이므로 동기속도에 비례한다는 설명은 옳다.
식에서 $E\propto\phi$이므로 공극 자속에 비례한다는 설명은 옳다.

정격전류 대비 단락전류로 단락비를 구하면 1.25이고, 백분율 동기 임피던스는 그 역수인 80 %이다.
정격전류: $I_n=\dfrac{P}{\sqrt{3}V}=\dfrac{1732\times10^3}{\sqrt{3}\times1000}\approx1000\,\mathrm{A}$
단락비: $K_s=\dfrac{I_s}{I_n}=\dfrac{1250}{1000}=1.25$
$\%Z_s=\dfrac{1}{K_s}\times100=\dfrac{100}{1.25}=80$
60 %는 단락비가 약 1.67일 때의 값으로 조건과 맞지 않는다.
70 %는 단락비가 약 1.43일 때의 값으로 조건과 맞지 않는다.
90 %는 단락비가 약 1.11일 때의 값으로 조건과 맞지 않는다.

회전 중 2차 전압과 2차 주파수는 모두 슬립에 비례하므로 2차 주파수는 1.2 Hz이다.
정지 시 2차 전압 $E_2$, 운전 시 $sE_2$이므로 슬립은 $s=\dfrac{8}{400}=0.02$이다.
$f_2=sf_1=0.02\times60=1.2\,\mathrm{Hz}$
6.0 Hz는 슬립을 0.1로 잘못 잡은 값이다.
12 Hz는 슬립을 0.2로 잘못 잡은 값이다.
60 Hz는 정지 상태(슬립 1)의 2차 주파수이다.

강압 초퍼의 출력 평균전압은 입력전압에 시비율을 곱한 값이므로 285 V이다.
시비율: $D=\dfrac{T_{on}}{T_{on}+T_{off}}=\dfrac{15}{15+5}=0.75$
$V_o=DV_i=0.75\times380=285\,\mathrm{V}$
95 V는 오프 시간 비율(0.25)을 곱한 값이다.
320 V는 시비율 계산과 맞지 않는 값이다.
507 V는 입력보다 큰 값으로 저항부하에 공급하는 강압 초퍼에서는 나올 수 없다.

6극·60 Hz의 동기속도는 1,200 rpm이므로 1,140 rpm 운전 시 슬립은 5 %이다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$
$s=\dfrac{N_s-N}{N_s}\times100=\dfrac{1200-1140}{1200}\times100=5$
2.5 %는 회전속도 1,170 rpm에 해당하는 값이다.
3.5 %는 회전속도 1,158 rpm에 해당하는 값이다.
7.0 %는 회전속도 1,116 rpm에 해당하는 값이다.

유도전동기는 슬립 때문에 동기속도보다 $sN_s$만큼 느리게 돌므로, 같은 극수로는 동기속도까지 끌어올릴 수 없다.
유도전동기 속도는 $N=(1-s)N_s$로 항상 동기속도보다 작다. 그래서 극수를 2극 적게 해 기동용 유도전동기의 동기속도를 높여야 동기전동기를 동기속도 부근까지 가속할 수 있다.
$(1-s)N_s$만큼 느리다는 것은 유도전동기의 회전속도 자체를 속도 차로 잘못 본 것이다.
$sN_s$만큼 빠르다는 것은 유도전동기가 동기속도를 넘을 수 없다는 점에 어긋난다.
$(1-s)N_s$만큼 빠르다는 것은 속도 차의 크기와 방향이 모두 틀렸다.

직류 직권전동기는 전류가 커질수록 회전수가 쌍곡선 모양으로 급격히 떨어지는 특성을 가지므로 ⓓ 곡선이 해당한다.
직권전동기는 계자권선이 전기자와 직렬이라 자속이 전기자 전류에 비례한다($\phi\propto I_a$).
$N=k\dfrac{V-I_a(R_a+R_s)}{\phi}\propto\dfrac{1}{I_a}$
따라서 경부하(전류 작음)에서는 회전수가 매우 높아지고 부하가 커질수록 크게 감소하는 변속도 특성을 보인다. 무부하 운전 시 위험속도에 이르므로 벨트 운전을 피한다.
ⓒ 곡선: 전류가 변해도 회전수가 거의 일정한 정속도 특성으로, 분권·타여자전동기에 가깝다.
ⓐ 곡선: 전류가 늘수록 회전수가 오히려 상승하는 형태로, 직권전동기 특성과 반대이다.
ⓑ 곡선: 회전수가 감소했다가 다시 증가하는 형태로, 직권전동기의 단조 감소 특성과 맞지 않는다.

직류전동기의 토크는 자속과 전기자 전류의 곱에 비례한다.
토크 식은 $T=\dfrac{PZ}{2\pi a}\phi I_a=k\phi I_a$로, 회전속도 $N$은 토크 식에 들어가지 않고 역기전력 $E=k'\phi N$에 들어간다.
전기자 전류·자속·속도의 곱에 비례한다는 관계는 출력(토크×속도)에 해당한다.
전기자 전류와 속도의 곱에 비례한다는 관계는 자속을 빠뜨리고 속도를 넣은 잘못된 식이다.
자속과 속도의 곱에 비례한다는 관계는 토크가 아니라 역기전력의 관계이다.

토크가 일정하면 슬립은 2차 저항에 비례(비례추이)하므로 슬립 15 %에서의 회전수는 1,020 rpm이다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120\times60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$
처음 슬립: $s_1=\dfrac{1200-1164}{1200}=0.03$
비례추이: $\dfrac{r_2}{s_1}=\dfrac{5r_2}{s_2}$ 에서 $s_2=5\times0.03=0.15$
$N=(1-0.15)\times1200=1020\,\mathrm{rpm}$
960 rpm은 슬립 20 %에 해당한다.
1,080 rpm은 슬립 10 %에 해당한다.
1,140 rpm은 슬립 5 %에 해당한다.

A 블록은 3상 다이오드 전파 브리지 정류기이므로 직류측 리플 주파수는 전원 주파수의 2배가 아니라 6배이다. 따라서 리플이 2배라는 설명이 옳지 않다.
3상 브리지 정류기는 한 주기 동안 선간전압 6개 펄스가 차례로 나타나는 6펄스 정류기이다.
$f_{ripple}=6f$
B 블록이 인버터라는 설명: IGBT 6개로 구성된 3상 브리지로, 직류를 가변 전압·가변 주파수 교류로 변환하므로 옳다.
C 블록이 필터라는 설명: 직류 링크의 커패시터가 정류 출력전압의 리플을 줄여 평활화하므로 옳다.
B 블록의 제어 방식에 대한 설명: 인버터는 구형파(6스텝) 구동이나 PWM 방식으로 제어할 수 있으므로 옳다.

VVVF 인버터는 교류 전동기의 전압과 주파수를 함께 바꾸는 장치이므로 직류전동기에는 사용할 수 없다.
교류 전동기의 속도는 공급 주파수에 따라 정해지므로 $V/f$를 일정하게 유지하며 주파수를 바꾸면 가변속 운전이 된다. 직류전동기는 전기자 전압이나 계자를 조정해 속도를 제어한다.
농형 유도전동기는 주파수에 따라 동기속도가 바뀌므로 VVVF 운전의 대표 대상이다.
권선형 유도전동기도 회전자계 속도가 주파수에 비례하므로 VVVF로 가변속할 수 있다.
동기전동기는 주파수에 비례하는 동기속도로 돌므로 VVVF로 가변속할 수 있다.

영구자석형 동기전동기는 교류 전전압 기동 시 기동 토크가 생기지 않고 직류로는 회전자계가 없어 어느 조건에서도 전전압 기동이 불가능하다.
동기전동기는 정지한 회전자가 60 Hz로 도는 회전자계를 따라갈 수 없어 평균 토크가 0이 되므로 자기 기동 능력이 없고, 일정한 직류전압으로는 회전자계 자체가 만들어지지 않는다.
3상 유도전동기는 교류 전원에서 회전자계와 유도 전류로 기동 토크가 생겨 전전압 기동이 가능하다.
직류 분권전동기는 직류 전원에서 기동 전류가 크지만 토크가 발생하므로 전전압 기동 자체는 가능하다.
직류 직권전동기는 직류 전원에서 기동 토크가 매우 커 전전압 기동이 가능하다.

동기기의 계자는 교류가 아니라 직류로 여자해야 하므로 이 설명이 옳지 않다.
동기기는 회전자 계자권선에 슬립링을 통해 직류를 공급해 고정된 자극을 만들고, 고정자 전기자에는 교류가 흐르는 이중 여자 기기이다.
회전자는 저속 수차발전기용 돌극형과 고속 터빈발전기용 원통형이 있으므로 옳다.
회전자(직류 계자)와 고정자(교류 전기자)가 모두 여자되므로 옳다.
동기전동기는 과여자 운전으로 진상 전류를 흘려 역률을 개선할 수 있으므로 옳다(동기조상기).