[9급 지방직 고졸경채 전기기기] 18년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

$e=Blv$는 자기장 속에서 움직이는 도체에 생기는 기전력을 나타내는 플레밍의 오른손 법칙의 관계식이다.
엄지는 도체 운동 방향, 검지는 자속 방향, 중지는 유도 기전력 방향을 가리키며 발전기의 원리에 해당한다.
렌츠의 법칙: 유도 기전력이 자속 변화를 방해하는 방향으로 생긴다는 방향 법칙으로, 이 크기 관계식이 아니다.
플레밍의 왼손 법칙: 전류가 흐르는 도체가 자기장에서 받는 힘 $F=BIl$을 나타내며 전동기의 원리다.
패러데이의 법칙: 쇄교 자속의 시간 변화율로 기전력을 나타내는 일반식 $e=-N\dfrac{d\Phi}{dt}$이다.

정류자제어라는 직류 전동기 속도 제어법은 없다.
직류 전동기의 속도는 $N=K\dfrac{V-I_aR_a}{\phi}$이므로 전압·저항·자속을 바꿔 제어한다.
저항제어: 전기자 회로에 직렬 저항을 넣어 전압강하를 바꾸는 방법으로, 손실이 커 효율이 낮다.
계자제어: 계자 전류로 자속을 조정하는 방법으로, 정출력 제어에 해당한다.
전압제어: 전기자 단자 전압을 바꾸는 방법으로, 광범위하고 효율이 좋다(워드 레너드 방식 등).

자속 $\dot{\Phi}$와 같은 방향(동상)인 $\dot{I}_1$은 자화 전류이다.
무부하 변압기의 1차 전류는 여자 전류뿐이며, 이는 자속을 만드는 자화 전류와 철손을 공급하는 철손 전류로 나뉜다. 자화 전류는 자속과 동상이고, 철손 전류는 공급 전압($-\dot{E}_1$)과 동상이다.
철손 전류: $-\dot{E}_1$ 방향의 수평 벡터 $\dot{I}_2$에 해당한다.
여자 전류: 자화 전류와 철손 전류를 합성한 비스듬한 벡터 $\dot{I}_3$에 해당한다.
부하 전류: 무부하 상태이므로 흐르지 않아 벡터도에 나타나지 않는다.

회전자가 영구 자석이고 홀센서로 회전자 위치를 검출하는 전동기는 브러시리스 DC 전동기(BLDC)다.
브러시와 정류자 대신 위치 센서와 전자 스위칭 회로가 정류 작용을 맡으므로 구조가 간단하고 보수가 적다.
농형 유도 전동기: 회전자가 영구 자석이 아닌 농형 도체이고 회전자 위치 검출이 필요 없다.
직류 직권 전동기: 계자 권선과 전기자를 직렬로 연결하며 브러시와 정류자를 쓴다.
권선형 유도 전동기: 회전자에 3상 권선과 슬립링·브러시가 있다.

전력용 MOSFET은 게이트 신호를 제거하면 곧바로 차단되므로, 게이트 신호를 없애도 도통이 유지된다는 설명이 옳지 않다.
게이트 신호를 제거해도 도통이 유지되는 것은 사이리스터(SCR)의 래칭 특성이다.
N채널과 P채널 구조로 분류된다 — 옳다.
게이트-소스 간 전압으로 도통·차단이 결정되는 전압 구동형 소자다 — 옳다.
다수 캐리어 소자라 스위칭 속도가 빨라 높은 스위칭 주파수 제어에 적합하다 — 옳다.

PWM 제어는 펄스 폭(도통 시간)을 조정하는 방식이므로, 입력 전압의 위상각을 조정한다는 설명이 옳지 않다.
입력 교류 전압의 점호 위상각을 조정하는 것은 사이리스터의 위상 제어 방식이다.
펄스 폭을 바꿔 출력 전압의 크기를 조정한다 — 옳다.
스위칭 주기를 일정하게 두고 도통 시간(듀티비)을 조정한다 — 옳다.
기준 신호의 주파수를 바꿔 출력 전압의 주파수도 조정할 수 있다 — 옳다.

직류 발전기를 병렬운전할 때 용량이 같을 필요는 없다.
용량이 달라도 단자 전압이 같고 외부 특성이 비슷하면 각 발전기가 용량에 비례해 부하를 분담한다.
전압 크기 일치: 전압이 다르면 발전기 사이에 순환 전류가 흐르므로 필요한 조건이다.
같은 극성끼리 연결: 반대 극성으로 연결하면 단락 상태가 되므로 필요한 조건이다.
직권 발전기의 균압선: 직권 계자를 균압선으로 연결해 부하 분담을 안정시킨다 — 옳다.

단상 반파 정류의 평균 출력 전압은 최댓값의 $\dfrac{1}{\pi}$배이므로 $\dfrac{100\sqrt{2}}{\pi}\,\mathrm{V}$이다.
입력은 실횻값이므로 최댓값 $V_m=\sqrt{2}V$로 바꿔 대입한다.
공식: $V_d=\dfrac{V_m}{\pi}=\dfrac{\sqrt{2}V}{\pi}$
대입: $V_d=\dfrac{\sqrt{2}\times100}{\pi}=\dfrac{100\sqrt{2}}{\pi}\approx45\,\mathrm{V}$
$\dfrac{100}{\pi}$: 실횻값을 최댓값으로 착각해 대입한 값이다.
$\dfrac{100}{\pi\sqrt{2}}$: 최댓값으로 바꿀 때 곱해야 할 값을 나눈 값이다.
$\dfrac{200}{\pi}$: 전파 정류 식에 실횻값을 최댓값으로 착각해 넣은 값이다.

속도가 줄어 슬립이 2배가 되므로 토크는 약 2배 증가한다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{4}=1800\,\mathrm{rpm}$
슬립: $s_1=\dfrac{1800-1782}{1800}=0.01$, $s_2=\dfrac{1800-1764}{1800}=0.02$
정격 부근의 작은 슬립 영역에서는 단자 전압이 일정할 때 토크가 슬립에 비례하므로 $\dfrac{T_2}{T_1}=\dfrac{0.02}{0.01}=2$이다.
약 1/2로 감소: 속도가 줄면 슬립이 커지므로 토크는 줄지 않고 커진다.
변화없다: 슬립이 달라졌으므로 토크도 달라진다.
0이 된다: 토크가 0이 되는 것은 슬립이 0인 동기속도에서다.

평균 출력 전압은 통류율(듀티비)×입력 전압으로 구하며, 계산하면 40 V이다.
스위칭 주기: $T=\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{10\times10^{3}}=0.1\,\mathrm{ms}$
통류율: $D=\dfrac{t_{on}}{T}=\dfrac{0.04}{0.1}=0.4$
평균 출력 전압: $V_o=D\,V_i=0.4\times100=40\,\mathrm{V}$
20 V: 통류율을 0.2로 잘못 잡은 값이다.
60 V: 차단(OFF) 시간 비율 0.6을 곱한 값이다.
80 V: 통류율을 0.8(도통 시간 0.08 ms)로 잘못 잡은 값이다.

리플제어는 유도 전동기 속도 제어법이 아니다. 리플은 정류 출력에 남는 맥동 성분을 뜻하는 용어다.
유도 전동기 속도는 $N=\dfrac{120f}{P}(1-s)$이므로 극수·주파수·슬립을 바꿔 제어한다.
극수변환: 극수를 바꿔 동기속도를 단계적으로 바꾼다(농형).
1차 전압제어: 토크가 전압의 제곱에 비례하는 성질을 이용해 슬립을 바꾼다.
2차 저항제어: 권선형에서 비례추이를 이용해 슬립을 바꾼다.

개방회로시험은 무부하시험, 부하측을 단락해 단락전류를 재는 시험은 단락시험이다.
같은 계자전류에서 무부하 유도기전력(상전압)을 단락전류로 나누면 동기임피던스 $Z_s=\dfrac{E}{I_s}$를 구할 수 있다.
㉠ 단락시험 ㉡ 무부하시험: 두 시험의 설명이 서로 뒤바뀌었다.
유도기전력 측정시험·전류측정시험: 정식 시험 명칭이 아니다.
㉡ 병렬운전시험: 동기임피던스를 구하는 시험이 아니다.

교류를 직류로 바꾸는 변환기는 정류기로, 전파 정류기가 이에 해당한다.
전력 변환기는 교류-직류 정류기, 직류-교류 인버터, 직류-직류 컨버터(초퍼), 교류-교류 사이클로컨버터로 구분한다.
인버터: 직류를 교류로 바꾸는 역변환 장치다.
DC-DC 컨버터: 직류 전압의 크기를 다른 직류 전압으로 바꾼다.
사이크로 컨버터: 교류를 주파수가 다른 교류로 직접 바꾼다.

역률 1 상태에서 계자 전류를 늘리면 과여자가 되어 진상 역률이 된다.
과여자 동기 전동기는 진상 전류를 받아 콘덴서처럼 동작하며, 이 성질을 이용한 것이 동기조상기다(V곡선).
지상 역률: 계자 전류를 줄여 부족여자로 만들 때 나타난다.
변화 없다: 계자 전류에 따라 전기자 전류의 위상이 달라지므로 옳지 않다.
진상과 지상의 교번: 여자 상태가 일정하면 역률이 진상과 지상을 오가지 않는다.

직권 발전기는 부하 전류가 전기자와 직권 계자를 모두 흐르므로 유도 기전력은 $405\,\mathrm{V}$이다.
부하 전류: $I=\dfrac{P}{V}=\dfrac{10000}{400}=25\,\mathrm{A}$ (직권이므로 $I_a=I_s=I$)
유도 기전력: $E=V+I_a(R_a+R_s)=400+25\times(0.1+0.1)=405\,\mathrm{V}$
393: 발전기는 전압강하를 더하므로 유도 기전력은 단자 전압보다 커야 한다.
415: 전압강하가 15 V가 되려면 전류가 75 A여야 하므로 맞지 않다.
423: 전압강하가 23 V가 되려면 전류가 115 A여야 하므로 맞지 않다.

철심을 적층하는 것은 와류손을 줄이기 위해서이므로, 히스테리시스손을 줄이려고 적층한다는 설명이 옳지 않다.
히스테리시스손은 규소 강판을 써서 줄이고, 와류손은 얇은 강판을 절연해 적층해서 줄인다.
병렬 운전 시 저항과 리액턴스의 비가 같아야 부하 전류의 위상이 같아져 부하가 바르게 분담된다 — 옳다.
패러데이 법칙(기전력의 크기)과 렌츠 법칙(기전력의 방향)으로 원리를 설명한다 — 옳다.
부하손(동손)과 무부하손(철손)이 같을 때 효율이 최대다 — 옳다.

2차 주파수는 $f_2=sf_1$이므로 슬립이 커지면 2차 주파수가 커진다.
슬립 증가는 회전자가 회전자계보다 더 느려져 상대 속도가 커진다는 뜻이다.
회전자 속도: $N=(1-s)N_s$이므로 줄어든다.
동기 속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}$로 슬립과 무관하다.
2차 효율: $\eta_2=1-s$이므로 줄어든다.

2차 전압을 구해 1차 전압과 비교하면 권수비는 $a=50$이다.
2차 전압: $V_2=\dfrac{P}{I_2}=\dfrac{16500}{250}=66\,\mathrm{V}$ (저항 부하라 역률 1)
권수비: $a=\dfrac{V_1}{V_2}=\dfrac{3300}{66}=50$
20: 2차 전압이 165 V일 때의 값이다.
30: 2차 전압이 110 V일 때의 값이다.
40: 2차 전압이 82.5 V일 때의 값이다.

슬립 3.5 %를 반영한 회전수는 $1158\,\mathrm{rpm}$이다.
동기속도: $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$
회전수: $N=(1-s)N_s=(1-0.035)\times1200=1158\,\mathrm{rpm}$

2차 부하 전류를 1차로 환산해 여자 전류와 더하면 1차 전류의 크기는 $4\sqrt{2}\,\mathrm{A}$이다.
권수비: $a=\dfrac{E_1}{E_2}=\dfrac{2000}{200}=10$
1차 환산 부하 전류: $I_1'=\dfrac{I_2}{a}=\dfrac{30+j10}{10}=3+j1\,\mathrm{A}$
1차 전류는 두 전류를 복소수(벡터)로 더한다.
$\dot{I}_1=\dot{I}_0+I_1'=(1+j3)+(3+j1)=4+j4\,\mathrm{A}$
크기: $|\dot{I}_1|=\sqrt{4^2+4^2}=4\sqrt{2}\,\mathrm{A}$