9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2008-04-12)

9급 국가직 공무원 전기기기 2008-04-12 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2008-04-12 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 3상 동기 발전기의 동기 리액턴스가 5 [Ω]이고, 단자 전압 2,000 [V]이며, 유기 기전력 3,000 [V]이다. 이 발전기의 출력이 1.8 [MW] 일 때 부하각[°]은?(단, 전압은 상전압이다)

  1. 30
  2. 45
  3. 60
  4. 90
(정답률: 63%)
  • 3상 동기 발전기의 출력 공식은 유기 기전력, 단자 전압, 동기 리액턴스 및 부하각의 관계로 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{3EV}{x_S} \sin \delta$
    ② [숫자 대입] $1.8 \times 10^6 = \frac{3 \times 3000 \times 2000}{5} \sin \delta$
    ③ [최종 결과] $\sin \delta = 0.5 \implies \delta = 30^{\circ}$
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2. 아래 그림은 3상 전파 정류회로이다. 부하에 약 513 [V]의 평균 직류 전압을 얻기 위해 입력해야 하는 교류 입력 선간 전압[V]은?

  1. 220
  2. 330
  3. 380
  4. 440
(정답률: 82%)
  • 3상 전파 정류회로에서 출력되는 평균 직류 전압 $V_{dc}$는 입력 선간 전압 $V_{LL}$의 약 1.35배가 됩니다. 이를 통해 입력 선간 전압을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $V_{LL} = \frac{V_{dc}}{1.35}$
    ② [숫자 대입] $V_{LL} = \frac{513}{1.35}$
    ③ [최종 결과] $V_{LL} = 380$
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3. 직류 분권 전동기의 토크와 회전속도와의 관계에서 단자전압이 일정하고 부하토크가 영에서 증가할 때 회전속도는 어떻게 되는가? (단, 자기포화 및 전기자 반작용은 무시한다)

  1. 선형적으로 증가한다.
  2. 변하지 않는다.
  3. 부하토크의 제곱근에 반비례한다.
  4. 일정한 기울기로 감소한다.
(정답률: 83%)
  • 직류 분권 전동기는 부하 토크가 증가하면 전기자 전류가 증가하고, 이로 인해 전기자 반작용에 의해 자속이 감소하거나 전압 강하가 발생하여 회전속도가 일정한 기울기로 감소하는 특성을 가집니다.
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4. 3상 유도전동기의 최대 토크에 관련한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 최대토크는 입력전압의 제곱에 비례한다.
  2. 최대토크가 발생하는 슬립은 회전자 저항에 비례한다.
  3. 최대토크는 회전자 저항에 반비례한다.
  4. 최대토크가 발생하는 슬립은 누설 리액턴스에 반비례한다.
(정답률: 88%)
  • 3상 유도전동기의 최대 토크는 회전자 저항의 크기와 관계없이 일정하며, 오직 입력 전압의 제곱에 비례합니다.

    오답 노트
    최대토크가 발생하는 슬립은 회전자 저항에 비례하고 누설 리액턴스에 비례하므로, 누설 리액턴스에 반비례한다는 설명은 틀린 내용입니다.
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5. 3상 4극 유도전동기를 60 [Hz]의 전원에 접속하고 전부하로 운전 할 때 2차회로의 주파수가 3 [Hz]였다. 이때의 2차동손이 400 [W] 였다면 기계적 출력[kW]은?

  1. 7.2
  2. 7.6
  3. 8.0
  4. 8.4
(정답률: 84%)
  • 슬립 $s$를 이용하여 기계적 출력과 2차동손의 관계식 $P_{out} = P_{c2} \times \frac{1-s}{s}$를 적용합니다.
    동기속도 $N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800$ rpm, 슬립 $s = \frac{f_2}{f_1} = \frac{3}{60} = 0.05$ 입니다.
    ① [기본 공식] $P_{out} = P_{c2} \times \frac{1-s}{s}$
    ② [숫자 대입] $P_{out} = 400 \times \frac{1-0.05}{0.05}$
    ③ [최종 결과] $P_{out} = 7600 \text{ W} = 7.6 \text{ kW}$
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6. 출력 25 [kW], 6,000 [rpm]의 정격으로 회전하는 동기전동기를 바퀴 당 1대씩 설치하여 운전되는 전기자동차가 있다. 이 자동차에 효율 90[%]인 10 : 1 감속기를 설치하였으며, 바퀴의 반경이 25 [cm] 일 때 정격 조건에서 각 바퀴에 가해지는 추진력[N]은?

  1. 약 40
  2. 약 360
  3. 약 1,440
  4. 약 2,500
(정답률: 52%)
  • 감속기를 거친 후의 실제 출력과 바퀴의 회전수를 구하여 추진력을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F = \frac{T}{r} = \frac{9.55 \times \frac{P \times \eta}{N}}{r}$
    ② [숫자 대입] $F = \frac{9.55 \times \frac{25000 \times 0.9}{600}}{0.25}$
    ③ [최종 결과] $F = 1432.5$
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7. SCR 4개를 사용한 단상 전파 정류회로로 입력 100 [V] 단상 교류를 정류하려고 한다. 이 때 인가되는 SCR의 최대 역전압[V]은?

  1. 50.0
  2. 70.7
  3. 100.0
  4. 141.4
(정답률: 87%)
  • 단상 전파 정류회로에서 SCR에 인가되는 최대 역전압(PIV)은 입력 전압의 최댓값과 같습니다.
    ① [기본 공식] $V_{peak} = \sqrt{2} \times E$
    ② [숫자 대입] $V_{peak} = 1.414 \times 100$
    ③ [최종 결과] $V_{peak} = 141.4$
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8. 직류기의 전기자반작용의 영향은?

  1. 전기적 중성축은 변동하지 않는다.
  2. 주자극의 자속과 전기자 반작용 자속이 더해져서 공극자속이 전체적으로 증가한다.
  3. 공극자속이 왜곡된다.
  4. 직류분권전동기의 경우 속도를 감소시킨다.
(정답률: 74%)
  • 전기자 반작용이란 전기자 권선에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속이 주자속에 영향을 주는 현상입니다. 이로 인해 주자속의 분포가 찌그러지는 공극자속이 왜곡된다는 특징이 있습니다.

    오답 노트
    전기적 중성축은 변동함 / 공극자속은 전체적으로 감소함 / 분권전동기의 경우 속도를 증가시킴
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9. 권선비 100인 변압기 1차에 22,000 [V]의 전압을 인가하고, 66 [kW]의 저항 부하를 2차에 연결하였다. 이 경우 변압기 2차의 전압[V]과 전류[A]는? (단, 변압기의 손실은 무시한다)

  1. 110, 150
  2. 110, 300
  3. 220, 150
  4. 220, 300
(정답률: 93%)
  • 변압기의 권선비와 전력 공식을 이용하여 2차 전압과 전류를 구하는 문제입니다.
    먼저 권선비 공식을 통해 2차 전압을 구하고, 전력 공식을 통해 2차 전류를 산출합니다.
    ① [기본 공식]
    $$V_2 = \frac{V_1}{a}$$
    $$I_2 = \frac{P}{V_2}$$
    ② [숫자 대입]
    $$V_2 = \frac{22000}{100}$$
    $$I_2 = \frac{66000}{220}$$
    ③ [최종 결과]
    $$V_2 = 220\text{ V}, I_2 = 300\text{ A}$$
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10. 그림과 같은 이상 변압기가 있다. R2에 주어지는 전력이 최대가 되는 권선비 a는?

  1. 약 2
  2. 약 1.16
  3. 약 2.16
  4. 약 3.16
(정답률: 85%)
  • 최대 전력 전달 조건에 따라 2차측 저항 $R_2$가 1차측에서 바라본 임피던스의 켤레 복소수(여기서는 실수이므로 동일한 값)가 되어야 합니다. 1차측 저항 $R_1$과 변압기의 권선비 $a$를 고려하여 임피던스 매칭 조건을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $a = \sqrt{\frac{R_2}{R_1}}$
    ② [숫자 대입] $a = \sqrt{\frac{100}{1000}}$ (단, $R_1 = 1\text{k}\Omega = 1000\Omega$이므로 $R_2$를 1차측으로 환산하면 $a^2 R_2$가 되어 $R_1 = a^2 R_2$ 조건 적용)
    ③ [최종 결과] $a = \sqrt{\frac{1000}{100}} = \sqrt{10} \approx 3.16$
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11. 영구 자석형 직류전동기의 속도제어방법 중 쵸퍼(chopper)를 사용하여 한쪽 방향 또는 정역 양쪽 방향으로 제어가 가능한 제어법은?

  1. 계자제어법
  2. 전압제어법
  3. 저항제어법
  4. 주파수제어법
(정답률: 82%)
  • 쵸퍼(Chopper)는 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터입니다. 따라서 쵸퍼를 이용해 전압을 조절함으로써 속도를 제어하는 방식은 전압제어법입니다.

    오답 노트
    계자제어법: 자속을 조절하는 방식
    저항제어법: 회로에 저항을 삽입하여 전압 강하를 이용하는 방식
    주파수제어법: 교류 전동기에서 사용하는 제어 방식
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12. 변압기 등가회로의 정수를 결정하기 위해 필요한 시험으로 옳지 않은 것은?

  1. 무효전력 측정 시험
  2. 단락 회로 시험
  3. 권선 저항 측정 시험
  4. 개방 회로 시험
(정답률: 89%)
  • 변압기의 등가회로 정수를 구하기 위해서는 권선 저항 측정, 개방 회로 시험(철손 및 여자 어드미턴스 측정), 단락 회로 시험(동손 및 임피던스 측정)이 필요합니다. 무효전력 측정 시험은 등가회로 정수 결정의 기본 시험에 해당하지 않습니다.
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13. 실리콘 제어 정류기(SCR)에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 직류 출력전압의 크기를 조절할 수 있는 정류기에 사용된다.
  2. 짧은 시간의 전류 펄스로 SCR은 점호된다.
  3. 게이트 신호를 이용하여 턴온과 턴오프가 가능한 소자이다.
  4. 인버터 회로에 이용될 수 있다.
(정답률: 84%)
  • SCR은 게이트 신호를 통해 턴온(Turn-on)은 가능하지만, 게이트 신호만으로는 턴오프(Turn-off)가 불가능한 단방향 3단자 소자입니다.

    오답 노트
    게이트 신호로 턴온/오프 모두 가능한 소자: GTO
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14. 릴럭턴스 토크를 이용하여 전동력을 발생하지 않는 전동기는?

  1. 스위치드 릴럭턴스 전동기
  2. 돌극형 동기 전동기
  3. 스테핑 모터
  4. 분상 기동형 단상 유도 전동기
(정답률: 59%)
  • 릴럭턴스 토크는 자기 저항의 차이를 이용하여 발생하며, 스위치드 릴럭턴스 전동기, 돌극형 동기 전동기, 스테핑 모터 등에서 발생합니다. 반면 분상 기동형 단상 유도 전동기는 회전 자계에 의한 마그네틱 토크를 이용하여 구동합니다.
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15. 인가전압이 100 [V]인 타여자 직류전동기가 전기자전류 40 [A], 회전수 1,800 [rpm]으로 운전 중에 부하토크가 1/2로 줄었을 경우 회전수[rpm]는? (단, 전기자저항은 0.25 [Ω]이고, 계자 자속은 일정하다)

  1. 1,700
  2. 1,750
  3. 1,850
  4. 1,900
(정답률: 41%)
  • 부하토크가 $1/2$로 감소하면 전기자전류도 $1/2$로 감소하며, 이에 따라 전기자 전압강하가 줄어들어 역기전력이 상승하고 회전수가 증가합니다.
    ① [기본 공식] $E = V - I_a R_a$
    ② [숫자 대입] $E_1 = 100 - 40 \times 0.25 = 90, \quad E_2 = 100 - 20 \times 0.25 = 95$
    ③ [최종 결과] $N = 1800 \times \frac{95}{90} = 1900$
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16. 변압기를 60 [Hz]로 운전할 때 철심의 자속밀도는 1[T]였다. 인가전압의 변동없이 이 변압기를 50 [Hz]로 운전한다면 철심의 자속밀도[T]는? (단, 자기포화는 무시한다)

  1. 0.83
  2. 1.2
  3. 0.69
  4. 1.44
(정답률: 83%)
  • 변압기의 유도기전력 공식에 따라 전압이 일정할 때 자속밀도는 주파수에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $\Phi = \frac{V}{4.44 f N}$
    ② [숫자 대입] $\Phi_{new} = 1 \times \frac{60}{50}$
    ③ [최종 결과] $\Phi_{new} = 1.2$
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17. 전기자의 권선 저항이 1 [Ω]이고, 500 [rpm]에서 50 [V]를 발생시키는 영구 자석형 직류 발전기가 있다. 이 발전기를 전동기로 사용하기 위해 100 [V]를 인가하였다면 기동전류[A]는?

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 200
(정답률: 62%)
  • 전동기의 기동 순간에는 회전 속도가 0이므로 역기전력 $E$가 발생하지 않습니다. 따라서 인가 전압 전체가 전기자 저항에 걸리게 되어 기동 전류가 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $I = \frac{V}{R_a}$
    ② [숫자 대입] $I = \frac{100}{1}$
    ③ [최종 결과] $I = 100$
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18. 다음 ( )안에 들어갈 내용이 바르게 연결된 것은? (순서대로 ㉠, ㉡)

  1. 크게, 작게
  2. 작게, 크게
  3. 크게, 크게
  4. 작게, 작게
(정답률: 92%)
  • 3상 유도전동기 기동 시, 회전자 저항을 크게 하면 기동 전류는 억제되면서 기동 토크는 증가하는 효과가 있습니다. 반면, 정상 운전 시에는 저항에 의한 전력 손실(동손)을 줄여 효율을 높이고 온도 상승을 막기 위해 회전자 저항을 작게 유지해야 합니다.
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19. 정격용량 15 [kW]의 4극 3상 유도전동기가 60 [Hz], 220 [V]의 전원에 접속되어 운전 중에 있다. 회전자 권선의 주파수가 3 [Hz] 라면 이 전동기의 회전수[rpm]는?

  1. 1,710
  2. 1,728
  3. 1,746
  4. 1,800
(정답률: 93%)
  • 회전자 주파수를 통해 슬립을 먼저 구한 뒤, 동기 속도에서 슬립만큼을 제외한 실제 회전수를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $N = \frac{120f}{p}(1 - s)$
    ② [숫자 대입] $N = \frac{120 \times 60}{4}(1 - \frac{3}{60})$
    ③ [최종 결과] $N = 1710$
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20. 펌프, 송풍기 등의 기계적 부하를 적절한 속도로 제어해 주면 에너지절감효과가 뚜렷해진다. 그 이유를 옳게 설명하는 것은?

  1. 정토크부하에서는 속도를 조정한 만큼 에너지가 절약되기 때문이다.
  2. 유체부하에서는 토크가 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.
  3. 출력이 토크의 제곱에 비례하는 부하이기 때문이다.
  4. 정출력부하에서는 출력이 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.
(정답률: 55%)
  • 펌프나 송풍기와 같은 유체부하의 경우, 토크는 속도의 제곱에 비례하고 출력은 속도의 세제곱에 비례하는 특성을 가집니다. 따라서 속도를 조금만 낮추어도 소비 전력이 급격히 감소하여 에너지 절감 효과가 매우 큽니다.
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