[9급 지방직 고졸경채 전기기기] 19년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

컬렉터·이미터·게이트 단자를 갖고 인버터·UPS·가전 등에 널리 쓰이는 소자는 IGBT이다.
IGBT는 입력부는 MOSFET처럼 전압 구동이고 출력부는 바이폴라 트랜지스터처럼 대전류를 흘리는 소자라 단자 이름이 게이트·컬렉터·이미터이다.
GTO: 단자가 애노드·캐소드·게이트이며 게이트 신호로 턴오프까지 할 수 있는 사이리스터 계열이다.
TRIAC: 양방향 사이리스터로 단자가 T1·T2·게이트이다.
SCR: 단자가 애노드·캐소드·게이트인 단방향 사이리스터이다.

변압기유는 권선 사이를 절연해야 하므로 절연 내력이 커야 한다.
변압기유는 절연과 냉각을 함께 맡으므로 화재·저온·냉각 성능 측면의 조건도 모두 갖춰야 한다.
인화점: 화재 위험을 줄이려면 높아야 한다.
응고점: 추운 곳에서도 굳지 않도록 낮아야 한다.
비열과 열 전도도: 열을 잘 흡수·전달해 냉각이 잘 되도록 커야 한다.

유도 전동기의 회전 속도를 바꾸는 방법에 1차 저항 제어는 들어가지 않는다. 1차 저항은 기동 전류를 줄이는 기동법에 쓰일 뿐 속도 제어 방법으로 분류되지 않는다.
회전 속도는 $N=(1-s)\dfrac{120f}{P}$ 이므로 주파수·극수·슬립 중 하나를 바꾸어 제어한다.
주파수 제어: 인버터로 전원 주파수를 바꾸어 동기속도 자체를 바꾸는 방법이다.
극수 제어: 고정자 권선의 접속을 바꾸어 극수를 바꾸는 방법이다.
슬립 제어: 2차 저항이나 공급 전압 등을 바꾸어 슬립을 조정하는 방법이다.

스테핑 모터를 자기 회로 형식으로 나누면 PM형·VR형·HB형이며, AF형(Axial Flux Type)은 이 분류에 속하지 않는다.
AF형은 자속이 축 방향으로 흐르는 구조를 뜻하는 말로, 회전자의 자기 회로 형식에 따른 스테핑 모터 분류가 아니다.
PM형: 회전자에 영구 자석을 써서 자석의 흡인·반발로 회전한다.
VR형: 톱니 모양의 철심 회전자가 자기 저항이 최소가 되는 위치로 끌려가며 회전한다.
HB형: 영구 자석과 톱니 철심을 함께 쓴 복합형으로 분해능과 토크가 좋다.

$\Delta-\Delta$ 결선은 1차와 2차 전압 사이에 위상차가 없고, 상전류가 선전류의 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$배이다.
델타 결선에서는 선간 전압과 상전압이 같고, 선전류 $I_l=\sqrt{3}\,I_p$ 이므로 상전류 $I_p=\dfrac{I_l}{\sqrt{3}}$ 이다.
중성점 접지: 델타 결선에는 중성점이 없어 접지할 수 없다.
제3 고조파: 제3 고조파 전류가 델타 내부를 순환하므로 외부로 나가지 않아 통신 장애가 적다.
한 대 고장: 나머지 두 대로 V-V 결선을 하면 3상 전력을 계속 공급할 수 있다.

병렬 운전하는 동기 발전기는 주파수가 같아야 하므로 6극 발전기는 1,200 rpm으로 회전한다.
4극 발전기의 주파수: $f=\dfrac{PN_s}{120}=\dfrac{4\times 1800}{120}=60\ \mathrm{Hz}$
6극 발전기의 회전수: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 60}{6}=1200\ \mathrm{rpm}$
병렬 운전의 핵심 조건은 주파수 일치이므로 극수가 많을수록 회전수는 낮아진다.

병렬 운전하는 변압기의 임피던스는 정격 용량에 비례하는 것이 아니라 반비례해야 하므로 이 설명이 옳지 않다.
부하는 임피던스에 반비례하여 나뉘므로, 용량에 맞게 분담하려면 %임피던스 강하가 같아야 하고 이는 임피던스가 용량에 반비례함을 뜻한다.
정격 전압이 다르면 두 변압기 사이에 순환 전류가 흘러 권선이 가열된다.
저항과 리액턴스의 비가 다르면 전류 사이에 위상차가 생겨 동손이 증가한다.
극성이 다르면 큰 순환 전류가 흐르므로 전압 극성은 같아야 한다.

2차 입력은 7 kW이고 2차 동손이 0.35 kW이므로 슬립은 5%이다.
기계적 출력: $P_o=6.5+0.15=6.65\ \mathrm{kW}$
2차 입력: $P_2=P_o+P_{c2}=6.65+0.35=7.0\ \mathrm{kW}$
$P_{c2}=sP_2$ 이므로 $s=\dfrac{0.35}{7.0}=0.05$, 즉 5%이다.

중권은 병렬 회로수가 극수와 같아 a = 6이며, 유도 기전력은 60 V이다.
회전수 변환: $N=15\ \mathrm{rps}\times 60=900\ \mathrm{rpm}$
$E=\dfrac{PZ\phi N}{60a}=\dfrac{6\times 400\times 0.01\times 900}{60\times 6}=\dfrac{21600}{360}=60\ \mathrm{V}$

영구 자석 동기 전동기는 릴럭턴스 전동기보다 역률과 효율이 높으므로, 낮다고 한 설명이 옳지 않다.
영구 자석이 계자 자속을 스스로 만들어 여자 전류가 필요 없지만, 릴럭턴스 전동기는 자화 전류를 전원에서 받아야 해 역률·효율이 낮다.
제동 권선은 난조를 억제해 동기 이탈을 막는다.
동기 전동기는 정지 상태에서 기동 토크가 없으므로 기동 권선 등 별도 기동 장치가 필요하다.
원통형 발전기의 출력은 $\sin\delta$에 비례하므로 부하각 90°에서 최대가 된다.

직류 직권 전동기는 기동 토크가 매우 크므로, 기동 토크가 작다는 설명이 옳지 않다.
직권에서는 계자 전류가 곧 전기자 전류라 자속이 전류에 비례하고, 토크는 전류의 제곱에 비례하므로 기동 시 큰 토크를 낸다.
계자 권선이 전기자와 직렬이어서 계자 자속은 부하 전류에 비례한다.
속도는 자속에 반비례하므로 전기자 전류가 늘면 속도가 떨어져 대략 반비례한다.
무부하에서는 전류와 자속이 매우 작아져 속도가 위험할 정도로 빨라지므로 벨트 운전을 피한다.

전기자 반작용을 줄이려면 전기자 기자력을 상쇄하는(반대 방향) 기자력을 만들어야 하므로, 계자와 같은 위상의 기자력을 만든다는 설명이 옳지 않다.
보상 권선은 전기자 전류와 반대 방향으로 전류를 흘려 전기자 기자력을 직접 상쇄한다.
보극: 주자극 사이에 설치해 중성축 부근의 전기자 반작용을 상쇄하고 정류를 돕는다.
보상 권선: 계자 극면에 설치해 전기자 기자력을 상쇄한다.
브러시 이동: 전기자 반작용으로 옮겨 간 새 중성축(자속 밀도 0인 위치)으로 브러시를 옮긴다.

2차 효율은 $1-s$와 같고 슬립이 0.1이므로 90%이다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 60}{8}=900\ \mathrm{rpm}$
슬립: $s=\dfrac{N_s-N}{N_s}=\dfrac{900-810}{900}=0.1$
2차 효율: $\eta_2=\dfrac{P_o}{P_2}=1-s=0.9$, 즉 90%이다.

원심력 스위치로 기동 후 분리되는 고저항·저리액턴스 보조 권선을 쓰는 전동기는 분상 기동형이다.
보조 권선을 가는 선으로 감아 저항을 크게 하면 주 권선(저저항·고리액턴스)과 전류 위상이 달라져 회전자계가 생기고 기동 토크가 발생한다. 회로도처럼 보조 권선이 원심력 스위치와 직렬로 주 권선에 병렬 접속되며, 구조가 간단해 냉장고·세탁기 등 가정용 기기에 많이 쓰인다.
반발 기동형: 회전자에 정류자와 브러시를 두어 반발 토크로 기동하므로 보조 권선의 위상차 방식이 아니다.
셰이딩 코일형: 자극 일부에 감은 단락 코일로 이동자계를 만들며, 별도의 보조 권선과 원심력 스위치가 없고 기동 토크가 매우 작다.
콘덴서 기동형: 보조 권선에 콘덴서를 직렬로 넣어 위상차를 크게 하므로, 저항만으로 위상차를 주는 회로도와 다르다.

권수비는 20이고 1차 전류는 1.5 A이다.
권수비: $a=\dfrac{V_1}{V_2}=\dfrac{3000}{150}=20$
손실을 무시하면 $V_1I_1=V_2I_2$ 이므로 $I_1=\dfrac{I_2}{a}=\dfrac{30}{20}=1.5\ \mathrm{A}$ 이다.

사이리스터는 역방향 전압이 걸린 동안에는 게이트 전류를 흘려도 ON 되지 않으므로 이 설명이 옳지 않다.
사이리스터는 순방향 전압(애노드 +, 캐소드 −)이 걸린 상태에서 게이트 신호가 들어와야 턴온된다.
직류 회로에서는 애노드에 (+), 캐소드에 (−) 전압을 걸어 순방향으로 동작시킨다.
한번 켜지면 게이트로 끌 수 없어, 전류를 유지 전류 이하(0)로 줄이거나 역전압을 걸어 OFF 시킨다.
교류에서는 게이트 신호의 위상(점호각)을 바꾸어 부하에 공급되는 전력을 제어한다.

단락비가 큰 동기 발전기는 공극이 크고 계자 자속이 큰 철기계이다.
단락비는 동기 임피던스(단위법)의 역수이므로, 단락비가 크면 동기 임피던스가 작고 전기자 반작용의 영향이 작다.
전압 변동률: 동기 임피던스가 작아 전압 변동률이 작다.
동기 임피던스: 단락비와 반비례하므로 작다.
중량과 가격: 철을 많이 쓰는 철기계라 무겁고 비싸다.

역기전력 216 V와 전기자 전류로 구한 기계적 출력을 각속도로 나누면 토크는 $\dfrac{72}{\pi}\ \mathrm{N\cdot m}$이다.
역기전력(전동기): $E=V-I_aR_a=220-20\times 0.2=216\ \mathrm{V}$
기계적 출력: $P=EI_a=216\times 20=4320\ \mathrm{W}$
각속도: $\omega=\dfrac{2\pi N}{60}=\dfrac{2\pi\times 1800}{60}=60\pi\ \mathrm{rad/s}$
토크: $T=\dfrac{P}{\omega}=\dfrac{4320}{60\pi}=\dfrac{72}{\pi}\ \mathrm{N\cdot m}$

동기속도는 750 rpm, 슬립은 2%이다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 50}{8}=750\ \mathrm{rpm}$
슬립: $s=\dfrac{N_s-N}{N_s}=\dfrac{750-735}{750}=0.02$, 즉 2%이다.

다이오드 4개로 된 단상 브리지 전파 정류회로이므로 출력 평균값은 $\dfrac{440\sqrt{2}}{\pi}\,\mathrm{V}$이며, $\dfrac{110\sqrt{2}}{\pi}\,\mathrm{V}$라는 설명이 옳지 않다.
전파 정류의 평균값은 최댓값의 2/π배이다.
$V_{ab}=\dfrac{2V_m}{\pi}=\dfrac{2\times 220\sqrt{2}}{\pi}=\dfrac{440\sqrt{2}}{\pi}\approx 198\,\mathrm{V}$
제시된 값은 전파 평균값의 1/4에 해당하므로 맞지 않는다.
교류를 직류로 바꾸는 전파 정류회로라는 설명: 양·음 반주기 모두 부하에 같은 방향 전류가 흐르므로 옳다.
P형과 N형 반도체를 접합한 소자 사용: 다이오드는 PN 접합 소자이므로 옳다.
단자 a, b 사이 콘덴서 연결: 평활 콘덴서가 충·방전하며 맥동을 줄이므로 옳다.