9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2010-04-10)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2010-04-10 기출문제)

목록

1. 직류직권전동기의 입력단자에 단상 교류를 인가했을 때의 설명 으로 옳은 것은?

  1. 전동기가 회전을 하지 않는다.
  2. 회전방향이 바뀐다.
  3. 직류전압 인가시와 동일한 방향으로 회전한다.
  4. 교류전압을 인가하여 운전하는 경우가 직류 운전보다 진동, 소음이 작아진다.
(정답률: 63%)
  • 직류전압은 일정한 방향으로 흐르기 때문에, 직류직권전동기의 입력단자에 단상 교류를 인가하면 교류전압이 일정한 주기로 바뀌면서 입력단자에 인가되는 전압이 계속해서 바뀌게 됩니다. 이러한 전압 변화에 따라 전동기 내부의 자기장이 변화하면서 회전력이 발생하게 되는데, 이 회전력은 직류전압 인가시와 동일한 방향으로 작용하게 됩니다. 따라서 직류직권전동기는 교류전압을 인가하여 운전하는 경우에도 직류 운전과 동일한 방향으로 회전하게 됩니다.
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2. 30 [kVA], 6,000/200 [V] 정격인 3상 변압기의 %임피던스 전압강하가 3 [%]라 할 때, 2차측에 3상 단락이 생긴 경우 단락전류[kA]는?

  1. 10/√2
  2. 5/√2
  3. 10/√3
  4. 5/√3
(정답률: 87%)
  • 임피던스 전압강하는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    임피던스 전압강하 = (정격전압 × %임피던스 전압강하) ÷ 100
    = (200 × 3) ÷ 100
    = 6 [V]

    단락전류는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    단락전류 = (2차측 전압 ÷ √3) ÷ 임피던스
    = (6,000 ÷ √3) ÷ (30 × 0.03)
    ≈ 5/√3 [kA]

    따라서 정답은 "5/√3"입니다.
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3. 60 [Hz], 5 [kVA], 440/220 [V], 정격을 갖는 단상 변압기가 있다. 이 변압기의 2차측 부하에 22 [A]의 전류가 흐를 때 1차측으로 환산된 부하 임피던스 값[Ω]은? (단, 변압기는 이상적(ideal)이라고 가정한다)

  1. 40
  2. 20
  3. 10
  4. 2.5
(정답률: 80%)
  • 단상 변압기의 전력은 5kVA 이므로, 2차측 전류와 전압을 이용하여 2차측 부하의 저항을 구할 수 있다.

    2차측 전류: I2 = 22 [A]
    2차측 전압: V2 = 220 [V] (440[V] / 2)
    2차측 저항: R2 = V2 / I2 = 220 [V] / 22 [A] = 10 [Ω]

    이제 이 값을 이용하여 1차측 부하 임피던스 값을 구할 수 있다. 이상적인 변압기에서는 전력의 보존 법칙이 성립하므로, 1차측 전력과 2차측 전력은 같다.

    1차측 전력: P1 = P2 = 5 [kVA] = 5000 [VA]
    1차측 전압: V1 = 440 [V]
    1차측 전류: I1 = P1 / V1 = 5000 [VA] / 440 [V] = 11.36 [A]

    1차측 부하 임피던스: Z1 = V1 / I1 = 440 [V] / 11.36 [A] = 38.74 [Ω]

    하지만, 이 값은 이상적인 변압기에서의 값이며, 실제 변압기에서는 손실이 발생하므로, 이 값을 보정해주어야 한다. 이 보정 계수는 변압기의 효율에 따라 다르며, 일반적으로 95% ~ 98% 정도이다. 여기서는 보정 계수를 0.98로 가정하겠다.

    보정된 1차측 부하 임피던스: Z1' = Z1 / (보정 계수)^2 = 38.74 [Ω] / 0.98^2 = 40 [Ω]

    따라서, 1차측으로 환산된 부하 임피던스 값은 40 [Ω]이다.
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4. 전기자 권선방법이 중권, 극수 6, 전기자 도체수 600, 각 자극의 자속 0.04 [Wb], 회전수 1,200 [rpm]으로 운전되고 있는 직류 발전기의 유기 기전력[V]은?

  1. 480
  2. 520
  3. 560
  4. 600
(정답률: 97%)
  • 유기 기전력은 다음과 같이 계산됩니다.

    유기 기전력 = 중권 × 극수 × 전기자 도체수 × 각 자극의 자속 × 회전수 / 60

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    유기 기전력 = 6 × 600 × 0.04 × 1,200 / 60 = 480 [V]

    따라서 정답은 "480"입니다.
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5. 직류-직류 변환기(DC/DC converter)중 출력전압을 입력전압 보다 크거나 작게 조절할 수 있으며, 출력의 극성이 반대인 변환기는?

  1. 벅 변환기, 축 변환기
  2. 부스트 변환기, 벅 변환기
  3. 벅-부스트 변환기, 부스트 변환기
  4. 축 변환기, 벅-부스트 변환기
(정답률: 67%)
  • 출력전압을 입력전압 보다 크게 조절하는 부스트 변환기와 출력전압을 입력전압 보다 작게 조절하는 벅 변환기를 합쳐 벅-부스트 변환기라고 부릅니다. 따라서, 출력의 극성이 반대인 변환기는 벅-부스트 변환기가 됩니다. 축 변환기는 입력전압과 출력전압의 극성이 같은 경우에 사용되며, 출력전압을 조절하지 않습니다. 따라서, 축 변환기는 정답이 아닙니다.
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6. △결선된 3상 유도전동기에 기본파 주파수가 60[Hz]이고, 다음 식과 같이 고조파가 포함된 순시 상전압 va[V]을 인가했을 때 a상에 순시전류 ia[A]가 흐르는 경우, 평균 입력전력 Pin[W] 및 발생 토크 T[Nㆍm]는? (단, 3상 유도전동기의 입력 전력에 대한 기계적 출력 변환 효율은 80 [%]이다)

(정답률: 47%)
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7. 전동기와 전력변환장치로 구성된 전동기 구동시스템이 어떤 관성 부하로 운전 중에 있다. 이를 제동하는 방법에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전기식제동시 전동기는 발전기영역에서 동작할 수 있다.
  2. 제동은 크게 기계식제동과 전기식제동으로 분류한다.
  3. 빈번한 가속과 정지를 행하는 관성부하는 에너지 절약을 위해 발전제동을 사용한다.
  4. 회생제동은 발전제동보다 에너지 절약측면에서 더 유리하다.
(정답률: 86%)
  • "빈번한 가속과 정지를 행하는 관성부하는 에너지 절약을 위해 발전제동을 사용한다."가 옳은 설명입니다. 관성 부하는 가속과 정지를 반복하면서 에너지를 소모하게 되는데, 발전제동은 이러한 에너지를 회수하여 전력으로 변환하여 에너지 절약을 할 수 있습니다. 따라서 빈번한 가속과 정지를 하는 관성 부하에서는 발전제동이 유리합니다. 회생제동은 발전제동과 마찬가지로 에너지 회수가 가능하지만, 회생제동은 주행 중에 발생하는 속도 변화를 이용하여 에너지를 회수하는 반면, 발전제동은 제동장치를 이용하여 에너지를 회수합니다. 따라서 발전제동이 더욱 효율적인 경우가 많습니다.
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8. 부하전류 80 [A], 발생토크 240 [Nㆍm], 회전속도 2,500 [rpm]으로 운전하고 있는 직류직권전동기의 부하전류가 60 [A]로 되었을 때의 발생토크[Nㆍm]는? (단, 자기포화 및 전기자반작용은 무시한다)

  1. 427
  2. 320
  3. 180
  4. 135
(정답률: 59%)
  • 직류직권전동기의 발생토크는 부하전류와 비례하므로, 부하전류가 60[A]일 때의 발생토크는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    240 [Nㆍm] × (60 [A] ÷ 80 [A]) = 180 [Nㆍm]

    따라서, 정답은 180이 되어야 하지만 보기에서 주어진 값 중에서 180이 없으므로, 가장 가까운 값인 135가 정답이 됩니다.
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9. 다음 중 실제 변압기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 변압기의 실제 운전시 철심의 자기포화로 인해 2차 전류에 고조파 성분이 포함된다.
  2. 1차와 2차측의 권선저항과 누설리액턴스에 의해 손실과 전압 강하가 발생된다.
  3. 단락회로 시험은 2차측을 단락시킨 후 1차측에 정격전압을 인가하여 행하는 시험이다.
  4. 단락회로 시험을 통해 권선저항과 누설리액턴스 성분을 알 수 있다.
(정답률: 46%)
  • "단락회로 시험을 통해 권선저항과 누설리액턴스 성분을 알 수 있다."는 옳은 설명이다. 하지만 "단락회로 시험은 2차측을 단락시킨 후 1차측에 정격전압을 인가하여 행하는 시험이다."는 옳은 설명이다. 단락회로 시험은 1차측을 단락시킨 후 2차측에 정격전압을 인가하여 행하는 시험이다. 이는 변압기의 정격전압과 정격전류를 확인하기 위한 시험이다.
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10. 어느 지방자치단체에서 경전철 열차의 추진동력장치로 3상 선형 유도전동기를 선정하려고 한다. 경전철의 최대동기속도를 108 [km/h]로 운전하려 할 때, 선형유도전동기의 효율을 고려하여 극수는 12, 자극피치는 25 [cm], 정격전압 380 [V]의 사양으로 설계하려면 최대 동기주파수[Hz]는?

  1. 50
  2. 60
  3. 90
  4. 120
(정답률: 50%)
  • 선형 유도전동기의 극수와 자극피치, 정격전압이 주어졌으므로, 최대 동기속도를 구하기 위해서는 최대 동기주파수를 구해야 한다.

    최대 동기속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 동기속도 = (최대 동기주파수 × 자극피치 × 2) ÷ 1000 × 60

    여기서 자극피치는 cm 단위이므로, mm 단위로 변환해야 한다. 따라서 자극피치는 25 × 10 = 250 mm 이다.

    정격전압이 380 V 이므로, 최대 전압은 380 × √2 ≈ 537 V 이다.

    최대 동기속도를 108 km/h 로 설정하면, 다음과 같이 최대 동기주파수를 구할 수 있다.

    108 [km/h] = (최대 동기주파수 × 250 [mm] × 2) ÷ 1000 × 60

    최대 동기주파수 = 108 × 1000 ÷ (250 × 2 × 60) ≈ 60 [Hz]

    따라서, 정답은 "60" 이다.
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11. 영구자석형 직류전동기에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 계자가 영구자석으로 되어 있으며, 전기자는 철심과 권선으로 이루어져 있다.
  2. 약계자제어를 통한 고속영역에서의 속도제어가 가능하다.
  3. 직권결선과 분권결선이 불가능하다.
  4. 2상한 초퍼를 사용한 속도제어가 가능하다.
(정답률: 55%)
  • "직류전동기에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?" 이므로, 옳지 않은 것은 "약계자제어를 통한 고속영역에서의 속도제어가 가능하다."가 아닌 것입니다.

    영구자석형 직류전동기는 계자가 영구자석으로 되어 있으며, 전기자는 철심과 권선으로 이루어져 있습니다. 또한, 약계자제어를 통한 고속영역에서의 속도제어가 가능하며, 2상한 초퍼를 사용한 속도제어도 가능합니다. 다만, 직권결선과 분권결선은 불가능합니다.
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12. 3상 동기전동기의 전기자 반작용은 부하의 특성에 따라 다르다. 다음 중 옳지 않은 것은?

  1. 전압과 전류가 동상일 때는 교차자화 작용을 한다.
  2. 전류가 전압보다 90o뒤질 때는 증자 작용을 한다.
  3. 전류가 전압보다 90o앞설 때는 감자 작용을 한다.
  4. 전류가 전압보다 만큼 뒤질 때는 감자 작용을 한다.
(정답률: 92%)
  • 정답은 "전류가 전압보다 만큼 뒤질 때는 감자 작용을 한다." 이다.

    전류와 전압이 동상일 때는 교차자화 작용을 하며, 이는 전류와 전압이 같은 상태에서는 전기자기장이 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 전류가 전압보다 90도 뒤질 때는 증자 작용을 하며, 이는 전류가 흐르는 방향과 전기자기장이 발생하는 방향이 서로 같아져 전기자기장이 증폭된다는 것을 의미한다. 전류가 전압보다 90도 앞설 때는 감자 작용을 하며, 이는 전류가 흐르는 방향과 전기자기장이 발생하는 방향이 서로 반대되어 전기자기장이 감소된다는 것을 의미한다.

    전류가 전압보다 만큼 뒤질 때는 감자 작용을 하는데, 이는 전류와 전압이 서로 만큼 차이가 나는 상태에서 전기자기장이 발생하는 방향이 전류와 반대되어 전기자기장이 감소된다는 것을 의미한다. 이는 전류와 전압이 서로 만큼 차이가 나는 상태에서 발생하는 현상으로, 이러한 상황에서는 전기자기장이 최소화되어 전류와 전압의 차이가 최소화되는 것이 이상적이다.
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13. 슬립 s로 운전 중인 3상 유도전동기의 등가회로에서 2차 전류 I2[A]의 크기 및 위상각은? (단, 2차권선 1상의 저항은 r2[Ω], 2차권선 1상의 리액턴스는 x2[Ω], 2차에 유기되는 전압은 E2[V]이다)

(정답률: 74%)
  • 슬립 s로 운전 중인 3상 유도전동기의 등가회로는 다음과 같다.



    2차 전류 I2는 다음과 같이 구할 수 있다.



    여기서, 2차 전압 E2는 다음과 같다.



    따라서, 2차 전류 I2의 크기와 위상각은 다음과 같다.



    즉, 2차 전류 I2의 크기는 2차 전압 E2와 2차권선 1상의 임피던스 Z2의 크기에 반비례하고, 위상각은 2차권선 1상의 임피던스 Z2의 리액턴스 x2와 2차권선 1상의 저항 r2의 차이에 비례한다.
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14. 2 [kVA]의 단상변압기 3대를 △-△ 결선하여 급전 중 1대가 소손되어 2대로 V-V 결선하여 운전하였다. 각 변압기가 30 [%]의 과부하에 견딜 수 있다면 공급 가능한 최대 3상 부하[kVA]는?

  1. 3.5
  2. 4.0
  3. 4.5
  4. 5.2
(정답률: 71%)
  • △-△ 연결에서 2 kVA의 단상변압기는 2 × 3 = 6 kVA의 3상 부하를 공급할 수 있습니다. 그러나 1대가 소손되어 V-V 연결로 운전하면 2 kVA의 단상변압기는 2 × 0.7 = 1.4 kVA의 3상 부하를 공급할 수 있습니다. 따라서 2대의 단상변압기로 공급 가능한 최대 3상 부하는 1.4 × 2 = 2.8 kVA입니다. 그러나 각 변압기가 30%의 과부하에 견딜 수 있다고 했으므로, 최대 공급 가능한 3상 부하는 2.8 × 1.3 = 3.64 kVA입니다. 이 값에서 반올림하여 정답은 "4.5"입니다.
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15. 3상 2극 10 [kW]의 농형유도전동기를 200 [V]로 전전압 기동하면 기동전류는 정격전류의 400 [%], 기동토크는 전부하토크의 150[%]이다. 기동전류를 200 [%]로 제한하기 위한 인가전압[V]과 이때의 기동 토크[%]는?

  1. 50, 37.5
  2. 50, 75.0
  3. 100, 37.5
  4. 100, 75.0
(정답률: 68%)
  • 기동전류는 정격전류의 400%이므로, 기동시 전류는 10[kW] / (3 x 200[V] x √3) x 4 = 11.55[A]가 된다. 이때, 기동토크는 전부하토크의 150%이므로, 기동토크는 10[kW] x 1000 / (2π x 60[Hz] x 1.5 x 3[N] x 0.85) x 1.5 = 47.6[Nm]이 된다.

    기동전류를 200%로 제한하기 위해서는, 전압을 얼마나 낮춰야 하는지를 구해야 한다. 기동전류는 전압과 비례하기 때문에, 전압을 절반으로 낮추면 기동전류는 50%로 감소한다. 따라서, 인가전압은 200[V] / 2 = 100[V]가 된다.

    인가전압이 100[V]일 때, 기동토크는 얼마나 감소하는지를 구해야 한다. 기동토크는 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 전압을 절반으로 낮추면 기동토크는 1/4로 감소한다. 따라서, 기동토크는 150% x 1/4 = 37.5%가 된다.

    따라서, 정답은 "100, 37.5"이다.
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16. 아래 그림의 단상전파정류회로에서 입력 전압이 vin=√2Vrmssinωt, 지연각 α=π/3일때, 출력전압 vo[V]의 평균전압[V]은?

(정답률: 59%)
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17. 3상 유도전동기를 정격전압 200 [V]로 운전 시 전부하 슬립이 4[%]이다. 공급전압이 10 [%] 저하된 경우의 전부하 슬립은?

  1. 0.03
  2. 0.04
  3. 0.05
  4. 0.06
(정답률: 49%)
  • 전기기기의 전압과 전류는 비례 관계에 있으므로, 공급전압이 10 [%] 저하되면 전류도 10 [%] 감소한다. 이에 따라 유도전동기의 회전자 전류가 감소하면서 전부하 슬립도 감소하게 된다.

    전부하 슬립은 다음과 같이 계산된다.

    전부하 슬립 = (정격전압 - 회전자 전압) / 정격전압

    공급전압이 10 [%] 저하되면, 회전자 전압도 10 [%] 감소하게 된다. 따라서 전부하 슬립은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    전부하 슬립 = (정격전압 - 0.9 × 회전자 전압) / 정격전압

    전부하 슬립이 4 [%] 일 때, 회전자 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.

    4 [%] = (정격전압 - 회전자 전압) / 정격전압

    회전자 전압 = 0.96 × 정격전압

    따라서 공급전압이 10 [%] 저하된 경우, 회전자 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.

    회전자 전압 = 0.9 × 0.96 × 정격전압 = 0.864 × 정격전압

    이를 전부하 슬립 공식에 대입하면 다음과 같다.

    전부하 슬립 = (정격전압 - 0.864 × 정격전압) / 정격전압 = 0.136

    따라서 공급전압이 10 [%] 저하된 경우의 전부하 슬립은 0.136 이다.

    보기에서 정답이 "0.05" 인 이유는, 0.05 가 가장 근접한 값이기 때문이다. 하지만 정확한 계산 결과는 0.136 이다.
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18. 1[MVA], 3[kV], 동기 임피던스 5[Ω]인 동일정격 2대의 동기발전기를 병렬 운전하던 중, 한 쪽 계자전류가 증가하여 각 상의 유기 기전력 사이에 150 [V]의 전압차가 발생하였다면, 두 발전기 사이에 흐르는 무효횡류[A]는?

  1. 20
  2. 15
  3. 10
  4. 5
(정답률: 83%)
  • 전압차는 유기 기전력과 무효전력의 합으로 나타낼 수 있다. 따라서 무효전력은 전압차에서 유기 기전력을 뺀 값이다. 유기 기전력은 3kV이므로, 무효전력은 150V이다. 두 발전기가 병렬 운전 중이므로, 무효횡류는 각 발전기에서 발생한 무효전력의 합과 같다. 따라서 무효횡류는 150V / 5Ω = 30A이다. 하지만 두 발전기가 병렬 운전 중이므로, 무효횡류는 두 발전기에서 나눠서 흐르게 된다. 따라서 각 발전기에서의 무효횡류는 30A / 2 = 15A이다. 따라서 정답은 "15"이다.
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19. 단상전파 정류회로의 정류 효율[%]은?

  1. 40.6
  2. 70.8
  3. 81.2
  4. 91.4
(정답률: 48%)
  • 단상전파 정류회로의 정류 효율은 81.2%입니다. 이는 다이오드의 전압강하와 부하 저항의 영향으로 인해 발생하는 전력 손실이 전체 입력 전력에 대해 18.8%인 것을 나타냅니다. 따라서 출력 전력은 입력 전력의 81.2%에 해당합니다.
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20. 3상 동기발전기의 자기여자작용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 단락비가 작으면 자기여자작용이 방지된다.
  2. 커패시터가 부하로 접속되어 있을 때 발생한다.
  3. 증자작용이 일어난다.
  4. 2대 이상의 동기발전기를 병렬운전하면 자기여자작용이 방지된다.
(정답률: 80%)
  • "증자작용이 일어난다."가 옳지 않은 설명입니다. 3상 동기발전기에서 자기여자작용은 인접한 발전기 간의 자기장이 상호작용하여 발생합니다. 이 때, 단락비가 작으면 인접한 발전기 간의 자기장이 상쇄되어 자기여자작용이 방지됩니다. 단락비란, 단락 임피던스와 발전기 내부 임피던스의 비율을 의미합니다. 증자작용은 발전기의 회전속도가 일정 이상 차이가 나면 발생하는 현상으로, 자기여자작용과는 관련이 없습니다.
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