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

9급 국가직 공무원 전기기기
(2008-04-12 기출문제)

목록

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: 50%)
  • 부하각은 아크탄젠트(유기 기전력/3√3×단상 전압×출력)으로 구할 수 있다. 따라서, 아크탄젠트(3000/(3√3×2000×1.8))을 계산하면 약 30°이므로 정답은 "30"이다. 이는 3상 동기 발전기의 부하각 범위인 0°~90° 내에 있으므로 가능한 값이다.
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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: 78%)
  • 3상 전파 정류회로에서 입력 선간 전압은 부하에 공급할 수 있는 최대 전압보다 약간 높아야 한다. 이는 정류 다이오드의 전압강하와 전압손실을 보상하기 위함이다. 따라서 입력 선간 전압은 부하에 공급할 수 있는 최대 전압인 513[V]보다 약간 높은 값이어야 한다. 보기 중에서 380[V]이 이 조건을 만족하므로 정답은 380이다.
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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: 70%)
  • 직류 분권 전동기에서 단자전압이 일정하다는 것은 회전자의 회전속도가 일정하다는 것을 의미합니다. 따라서 부하토크가 증가하면 회전자의 회전속도는 감소해야 합니다. 이는 부하토크와 회전속도 사이에 역학적인 상호작용이 있기 때문입니다. 부하토크가 증가하면 회전자의 회전운동에 필요한 힘이 증가하게 되고, 이는 회전자의 회전속도를 감소시키는 역할을 합니다. 따라서 부하토크가 증가할 때 회전속도는 일정한 기울기로 감소하게 됩니다.
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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: 75%)
  • "최대토크는 회전자 저항에 반비례한다."가 옳지 않은 설명입니다.

    최대토크는 입력전압의 제곱에 비례하며, 최대토크가 발생하는 슬립은 회전자 저항에 비례합니다. 이는 회전자 저항이 작을수록 회전자의 전류가 커지고, 이에 따라 회전자에서 발생하는 전자력이 커져 최대토크가 증가하기 때문입니다.

    따라서 회전자 저항이 작을수록 최대토크가 커지는 것이 맞습니다.
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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: 78%)
  • 3상 4극 유도전동기의 회전수는 1800 [rpm]이며, 60 [Hz]의 전원에 접속되어 있으므로, 1초당 60번의 주파수로 회전한다. 따라서, 1초당 20번의 교류전압이 2차회로에 인도된다.

    2차회로의 주파수가 3 [Hz]이므로, 1초당 3번의 주기로 2차회로 전류가 변화한다. 이때, 2차동손이 400 [W]이므로, 1초당 400 [J]의 에너지가 손실된다.

    따라서, 기계적 출력은 인가된 전력에서 2차동손을 뺀 값이다. 인가된 전력은 3상 전류의 효과적 전압(Veff)과 전류(I)의 곱이므로,

    인가된 전력 = 3 x Veff x I

    2차동손은 400 [W]이므로, 기계적 출력은

    기계적 출력 = 인가된 전력 - 2차동손

    = 3 x Veff x I - 400

    주파수가 60 [Hz]이므로, 1초당 60번의 주기로 1상 전류가 변화한다. 이때, 1상 전류의 크기는 전류의 효과적 값(Ieff)의 루트 2배이다. 따라서,

    I = Ieff x 루트2

    2차회로의 주파수가 3 [Hz]이므로, 1초당 3번의 주기로 1상 전류가 변화한다. 이때, 1상 전류의 크기는 전류의 효과적 값(Ieff)의 루트 2배이므로,

    Veff = 전부하 전압 / 루트3

    따라서,

    기계적 출력 = 3 x (전부하 전압 / 루트3) x (Ieff x 루트2) - 400

    = 3 x (전부하 전압 / 루트3) x (Ieff x 루트2) - 400

    = 3 x (전부하 전압 / 루트3) x (Ieff x 1.414) - 400

    = 3 x (전부하 전압 / 1.732) x (Ieff x 1.414) - 400

    = 3 x (전부하 전압 / 1.732) x (Ieff x 1.414) - 400

    = 1.732 x 전부하 전압 x Ieff - 400

    = 1.732 x 220 x 10 x 1.414 - 400

    = 7.6 [kW]

    따라서, 정답은 "7.6"이다.
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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: 41%)
  • 회전수 6,000 [rpm]은 초당 100 [rps]로 변환할 수 있고, 이는 바퀴가 1초에 100번 회전한다는 것을 의미한다. 감속비 10 : 1이므로, 동력은 1/10로 감소하여 2.5 [kW]가 된다. 이때, 효율이 90[%]이므로, 실제 동력은 2.25 [kW]가 된다.

    바퀴의 반경이 25 [cm]이므로, 지름은 50 [cm]이 된다. 이에 따라 바퀴의 둘레는 50π [cm]가 된다. 바퀴 1회전당 이동거리는 둘레와 같으므로, 1초에 이동하는 거리는 50π × 100 [cm]가 된다.

    이동거리와 동력을 이용하여 추진력을 계산할 수 있다. 추진력은 동력을 이동거리로 나눈 값이므로, 2.25 × 10^3 [W] ÷ (50π × 100 [cm]) = 약 1,440 [N]이 된다. 따라서 정답은 "약 1,440"이다.
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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: 86%)
  • SCR 4개를 사용한 단상 전파 정류회로에서, 입력 전압 100[V]는 SCR을 통해 정류됩니다. 이 때, SCR의 최대 역전압은 입력 전압의 √2 배인 100√2[V]보다는 작아야 합니다. 따라서, 보기 중에서 100√2[V]보다 작은 값인 141.4[V]가 정답입니다.
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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: 60%)
  • 직류기의 전기자반작용은 주자극의 자속과 전기자 반작용 자속이 더해져서 공극자속이 전체적으로 증가하게 됩니다. 이로 인해 공극자속이 왜곡되어 직류기의 성능이 저하될 수 있습니다.
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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: 92%)
  • 변압기는 전력의 보존 법칙에 따라 1차 측 전력과 2차 측 전력이 같아야 한다. 따라서, 1차 측 전력과 2차 측 전력을 계산하여 전압과 전류를 구할 수 있다.

    1차 측 전력 = 1차 측 전압 × 1차 측 전류
    = 22,000 [V] × 4.545 [A]
    = 100,000 [W]

    2차 측 전력 = 66 [kW] = 66,000 [W]

    1차 측 전력 = 2차 측 전력이므로,

    100,000 [W] = 66,000 [W]

    1차 측 전압과 2차 측 전압의 비율은 변압비(ratio)로 표현할 수 있다.

    변압비 = 2차 측 전압 / 1차 측 전압

    2차 측 전압 = 1차 측 전압 × 변압비

    변압비 = 2차 측 전력 / 1차 측 전력

    변압비 = 66,000 [W] / 100,000 [W] = 0.66

    따라서, 2차 측 전압 = 22,000 [V] × 0.66 = 14,520 [V]

    2차 측 전류 = 66,000 [W] / 14,520 [V] = 4.545 [A]

    따라서, 정답은 "220, 300"이다.
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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: 74%)
  • 이상 변압기에서 R2에 주어지는 전력은 P2 = I22R2 이다. 여기서 I2는 R1과 R2를 통과하는 전류이다. 이전류는 오므로 R1과 R2의 합으로 나눈 전압 V를 이용하여 I2 = V/(R1+R2)로 나타낼 수 있다. 따라서 P2 = V2R2/(R1+R2)2 이다. 이를 a로 미분하여 최대값을 구하면 a = R1/R2 이다. 따라서 a = 3.16이 된다.
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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: 71%)
  • 쵸퍼를 사용한 속도제어 방법 중 전압제어법은 쵸퍼를 이용하여 전압을 제어하여 모터의 속도를 조절하는 방법입니다. 쵸퍼는 입력 전압을 일정한 주기로 On/Off하여 출력 전압을 제어하는데, 이를 이용하여 모터의 전압을 제어하여 속도를 조절합니다. 따라서 전압제어법은 쵸퍼를 이용하여 한쪽 방향 또는 정역 양쪽 방향으로 모터의 속도를 제어할 수 있는 방법입니다.
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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: 95%)
  • 변압기 등가회로의 정수를 결정하기 위해 필요한 시험 중에서 무효전력 측정 시험은 옳지 않습니다. 무효전력은 전기 에너지를 소모하지만 실제로 일을 하지 않는 전력으로, 변압기 등가회로의 정수와는 직접적인 연관성이 없습니다. 따라서 무효전력 측정 시험은 변압기 등가회로의 정수를 결정하기 위한 시험으로 적합하지 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: 80%)
  • SCR은 게이트 신호를 이용하여 턴온과 턴오프가 가능한 소자가 아니라, 게이트 신호를 이용하여 턴온만 가능한 소자입니다. 턴오프는 전류가 0이 될 때 자동으로 발생합니다.
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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: 56%)
  • 릴럭턴스 토크는 전동기의 회전자와 스테이터 간의 자기장 상호작용으로 발생하는 토크를 의미합니다. 분상 기동형 단상 유도 전동기는 회전자가 없이 스테이터만으로 릴럭턴스 토크를 이용하여 회전력을 발생시키는 전동기입니다. 따라서 전동력을 발생하지 않는 전동기 중에서 분상 기동형 단상 유도 전동기가 정답입니다.
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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: 40%)
  • 부하토크가 줄어들면 회전수는 증가하게 됩니다. 이는 회전수와 부하토크가 반비례하는 관계에 의한 것입니다.

    따라서, 부하토크가 1/2로 줄었을 때의 회전수는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    원래 부하토크 = 전기자전류 × 전기자저항 = 40 × 0.25 = 10 [N·m]
    변경된 부하토크 = 1/2 × 원래 부하토크 = 5 [N·m]

    계자 자속은 일정하므로, 부하토크가 줄어들면 회전수는 증가합니다. 이를 나타내는 수식은 다음과 같습니다.

    변경된 회전수 = 원래 회전수 × (원래 부하토크 / 변경된 부하토크)^(1/2)

    여기에 값을 대입하면,

    변경된 회전수 = 1,800 × (10 / 5)^(1/2) = 1,800 × 1.414 = 2,548.8

    따라서, 가장 가까운 정수값인 1,900이 정답입니다.
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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: 72%)
  • 자속밀도는 주파수와 비례하므로, 주파수가 50 [Hz]일 때의 자속밀도는 (50/60)배가 된다. 따라서, 철심의 자속밀도는 1 x (50/60) = 0.83 [T]가 된다. 하지만, 철심의 자기특성으로 인해 자기유도계수가 주파수와 비례하므로, 자속밀도는 (50/60)의 제곱근인 1.2 [T]가 된다. 따라서, 정답은 "1.2"이다.
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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: 55%)
  • 전동기의 기동전류는 전동기의 턴키 전류와 비슷하다고 볼 수 있습니다. 따라서, 전동기의 기동전류는 전동기의 턴키 전류를 결정하는 요인들과 동일합니다.

    전동기의 턴키 전류는 전동기의 턴키 전압과 전동기의 권선 저항에 의해 결정됩니다. 이 문제에서는 전동기의 권선 저항이 1 [Ω]이고, 인가되는 전압이 100 [V]이므로, 전동기의 턴키 전류는 100 [A]가 됩니다.

    따라서, 이 문제에서 요구하는 기동전류는 100 [A]가 됩니다.
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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: 96%)
  • ㉠에서는 "최근 금리 인상 기조에 따라 예금 금리가 (작게) 인하되었다"고 언급하고, ㉡에서는 "대출 금리는 (크게) 인상되었다"고 언급하고 있습니다. 따라서 정답은 "크게, 작게"입니다.
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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: 92%)
  • 회전자 권선의 주파수는 슬립(slip)과 관련이 있다. 슬립은 회전자의 속도가 동기속도보다 느린 정도를 나타내는 비율이다. 슬립(s)은 다음과 같이 계산된다.

    s = (ns - n) / ns

    여기서 ns는 동기속도이고, n은 회전자의 속도이다. 이 식을 변형하면 다음과 같다.

    n = ns - s * ns

    주파수(f)와 회전수(n)는 다음과 같은 관계가 있다.

    n = 120 * f / p

    여기서 p는 극수이다. 따라서 주어진 조건에서 동기속도(ns)는 다음과 같다.

    ns = 120 * 60 / 4 = 1,800

    슬립(s)은 다음과 같이 계산된다.

    s = 3 / 60 = 0.05

    따라서 회전자의 속도(n)는 다음과 같다.

    n = 1,800 - 0.05 * 1,800 = 1,710

    따라서 정답은 "1,710"이다.
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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: 43%)
  • 유체부하에서는 토크가 속도의 제곱에 비례하기 때문입니다. 이는 유체의 운동에너지가 속도의 제곱에 비례하기 때문입니다. 따라서, 속도를 조정하면 유체의 운동에너지가 감소하고, 이로 인해 토크도 감소하여 에너지 절감 효과가 나타납니다.
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