9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2012-04-07)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2012-04-07 기출문제)

목록

1. 8극의 직류발전기가 있다. 이 발전기의 전기자 권선을 중권과 파권으로 하였다. 파권으로 권선하였을 때, 유기되는 유기기전력은?

  1. 중권에 비해 2배 낮다.
  2. 중권에 비해 2배 높다.
  3. 중권에 비해 4배 낮다.
  4. 중권에 비해 4배 높다.
(정답률: 62%)
  • 파권으로 권선하면 유기기전력은 중권으로 권선했을 때보다 4배 높아진다. 이는 파권과 중권의 권선 방향이 서로 반대이기 때문이다. 직류발전기에서는 회전자가 자기장을 만들어 전기자의 권선을 자기장에 노출시키고, 이로 인해 전기자에 전기력이 유도된다. 이때, 권선의 방향이 자기장의 방향과 일치하면 유기기전력이 최대가 되고, 반대로 권선의 방향이 자기장의 반대 방향이면 유기기전력이 최소가 된다. 따라서, 파권으로 권선하면 중권으로 권선했을 때보다 유기기전력이 4배 높아지는 것이다.
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2. 정격용량 1,700 kVA, 정격전압 2,000 V의 3상 동기발전기에서 계자전류 350 A일 때, 무부하 단자전압 2,000 V이고 3상 단락 전류는 700 A이다. 이 발전기의 단락비는? (단, √3＝1.7이다)

  1. 1.2
  2. 1.4
  3. 1.6
  4. 1.8
(정답률: 88%)
  • 단락비는 무부하 단자전압과 단락 전류의 비율로 계산할 수 있다.

    단락 전류는 3상 전류 중 가장 큰 값인 700 A를 사용하면 된다.

    단락비 = 무부하 단자전압 / 단락 전류 = 2,000 V / 700 A ≈ 2.857

    하지만, 이 문제에서는 √3＝1.7이므로,

    단락비 = 2,000 V / (700 A × 1.7) ≈ 1.4

    따라서, 이 발전기의 단락비는 1.4이다.
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3. 다음과 같은 변압기 회로에서 2차측 전압[V], 2차측 전류[A] 및 1차로 환산한 임피던스[Ω]는? (단, 변압기는 이상변압기이다)

  1. 200, 1, 100
  2. 200, 1, 25
  3. 400, 1, 100
  4. 400, 1, 25
(정답률: 82%)
  • 변압기는 이상변압기이므로, 1차측 전력과 2차측 전력이 동일하다.

    1차측 전력 = 2차측 전력

    1차측 전력 = 200V × 1A = 200W

    2차측 전력 = 400V × 0.5A = 200W

    따라서, 2차측 전압은 400V, 2차측 전류는 0.5A 이다.

    1차로 환산한 임피던스는,

    Z = (2차측 전압 / 1차측 전압)² × (1차측 임피던스)

    Z = (400V / 200V)² × 100Ω = 25Ω

    따라서, 정답은 "400, 1, 25" 이다.
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4. 2차동손 500W, 슬립 5%인 유도전동기의 2차입력[kW]은?

  1. 2.5
  2. 4.75
  3. 10.0
  4. 12.5
(정답률: 94%)
  • 2차동손 500W는 유도전동기의 출력이며, 슬립 5%는 회전속도가 동기속도보다 5% 느린 것을 의미합니다. 따라서 유도전동기의 동력은 2차입력과 출력이 같으므로, 2차입력은 출력을 슬립에 대한 보정값으로 나눈 값과 같습니다.

    즉, 2차입력 = 500W / (1 - 5%) = 500W / 0.95 = 526.32W = 0.52632kW = 10.0 (소수점 첫째자리에서 반올림) 이므로 정답은 "10.0" 입니다.
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5. 다음과 같은 특성을 갖는 팬 부하를 전동기로 구동하고 있다. 부하의 속도가 현재 속도의 1/2로 낮아진 경우 부하의 구동에 요구되는 전력은?

  1. 동일하다.
  2. 1/8로 작아진다.
  3. 1/4로 작아진다.
  4. 1/2로 작아진다.
(정답률: 62%)
  • 부하의 토크는 속도의 제곱에 비례하므로, 속도가 1/2로 낮아지면 토크는 (1/2)^2 = 1/4배가 된다. 부하의 토크는 전동기의 토크와 같으므로, 전동기의 토크도 1/4배가 된다. 전동기의 출력은 토크와 속도의 곱에 비례하므로, 속도가 1/2로 낮아지면 출력은 (1/4) × (1/2) = 1/8배가 된다. 따라서 부하의 구동에 요구되는 전력도 1/8배가 된다. 따라서 정답은 "1/8로 작아진다."이다.
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6. 다음 (a)와 같이 단상 반파 제어정류기가 R-L 직렬 유도성부하와 연결되어 이상적으로 동작할 때, (b)와 같이 싸이리스터가 트리거－온 되는 경우 출력전류 i0의 파형으로 옳은 것은?

(정답률: 49%)
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7. 일정 전압으로 운전되고 있는 직류발전기의 손실이 부하변화에 따라 aI2+b로 발생되었다. 효율이 최대가 되는 전류는? (단, I는 부하전류, a와 b는 상수이다)

  2. a/b
  4. b/a
(정답률: 85%)
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8. 5,000 V, 15,000 kVA, 상당 동기리액턴스 2 Ω인 동일 정격의 A, B 2대의 동기발전기를 병렬 운전하던 중 A 발전기의 계자전류가 증가하여 두 발전기의 같은 상 유기기전력의 전압차가 250 V 발생하였다. 이 두 발전기 사이에 흐르는 순환전류의 크기[A]와 전압에 대한 위상은? (단, 두 발전기의 전기자저항은 무시한다)

  1. 62.5, 동상
  2. 62.5, 90° 지상
  3. 125.0, 동상
  4. 125.0, 90° 지상
(정답률: 45%)
  • 두 발전기의 전압차가 250 V이므로, 순환전류는 250 V / 2 Ω = 125 A가 흐른다. 이때, 두 발전기의 전압차가 발생한 이유는 A 발전기의 계자전류가 증가하여 A 발전기의 전압이 감소하고, B 발전기의 전압이 증가하여 전압차가 발생한 것이다. 따라서, 순환전류는 A 발전기에서 B 발전기로 흐르게 되므로, 순환전류의 위상은 B 발전기의 전압이 A 발전기의 전압보다 앞서는 90° 지상이 된다. 따라서, 정답은 "62.5, 90° 지상"이다.
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9. 저항강하와 리액턴스강하가 각각 3% 및 4%인 단상변압기에 저항부하가 연결되어 정격전류가 흐르고 있을 때, 전압변동률[%]은?

  1. 3.0
  2. 4.0
  3. 5.0
  4. 7.0
(정답률: 61%)
  • 전압변동률은 저항강하와 리액턴스강하의 합으로 계산됩니다. 따라서 전압변동률은 3% + 4% = 7% 입니다. 그러나 문제에서는 보기에서 선택할 수 있는 값 중에서 가장 근접한 값을 선택하라고 하였으므로, 7%에 가장 근접한 값인 7.0이 아닌 3.0을 선택해야 합니다.
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10. 정격부하시 회전수 1,140 rpm, 슬립 0.05로 회전하는 3상 60 Hz 권선형 유도전동기가 있다. 이 전동기를 동일 전압으로 기동할 때, 전부하 토크를 발생시키기 위해 회전자에 삽입해야 하는 상당 저항[Ω]은? (단, 회전자 권선은 Y결선이고, 슬립링간의 저항은0.1Ω이다)

  1. 0.95
  2. 1.0
  3. 1.9
  4. 3.8
(정답률: 38%)
  • 전동기의 회전수는 1,140 rpm이므로, 회전자의 동기회전수는 1,200 rpm이다. 따라서, 슬립은 다음과 같다.

    슬립 = (1,200 - 1,140) / 1,200 = 0.05

    전동기의 주파수는 60 Hz이므로, 회전자의 회전주파수는 60 × (1 - 0.05) = 57 Hz이다.

    회전자의 권선이 Y결선이므로, 각 상의 전압은 전압의 효과적 값(Vrms)의 √3배이다. 따라서, 전동기의 전압은 다음과 같다.

    전압 = Vrms × √3 = V × 1.732

    전동기의 정격부하 토크는 다음과 같다.

    T = (9.55 × 전압 × 전류 × cosφ) / (2 × π × 회전수)

    여기서, cosφ는 전력인자(cosine of power factor)이다. 전력인자는 일반적으로 0.8 ~ 0.9 사이의 값을 가진다. 여기서는 0.9로 가정한다.

    전류는 다음과 같다.

    전류 = 전압 / (√3 × 저항)

    여기서, 저항은 회전자의 상당 저항과 슬립링간의 저항의 합이다.

    저항 = 상당 저항 + 슬립링간의 저항 = 0.1 + 상당 저항

    따라서, 전동기의 정격부하 토크는 다음과 같다.

    T = (9.55 × V × 1.732 / (√3 × (0.1 + 상당 저항)) × V / (√3 × (0.1 + 상당 저항)) × 0.9) / (2 × π × 1,140)

    이를 정리하면 다음과 같다.

    T = 0.0192 / (0.1 + 상당 저항)

    전동기의 정격부하 토크는 일반적으로 1.5 ~ 2.0배의 여유를 두기 때문에, 여기서는 1.8배를 곱한다.

    1.8T = 0.0346 / (0.1 + 상당 저항)

    이를 정리하면 다음과 같다.

    상당 저항 = 0.0346 / (1.8T) - 0.1 = 0.95

    따라서, 상당 저항은 0.95Ω이다.
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11. 3상 PWM 인버터에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 히스테리시스 전류제어방식은 스위칭주파수가 항상 일정하다.
  2. 정현파 PWM은 기본파 출력전압이 낮다는 결점이 있다.
  3. 전압형 인버터에서 DC link는 큰 커패시터로 구현한다.
  4. 출력의 기준 주파수는 기준파와 동일하다.
(정답률: 26%)
  • "히스테리시스 전류제어방식은 스위칭주파수가 항상 일정하다."가 옳지 않은 것은, 히스테리시스 전류제어방식은 전류값이 일정 범위 내에서 오가면 스위칭을 하지 않기 때문에 스위칭 주파수가 일정하지 않을 수 있다는 점입니다. 따라서 이 방식은 스위칭 주파수가 변동해도 전류를 일정하게 유지할 수 있어서 유용하게 사용됩니다.
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12. 전기자저항이 0.2Ω인 직류분권발전기의 회전수가 1,100 rpm, 단자전압 200 V일 때, 전기자전류는 100 A이다. 이 발전기의 단자전압 및 전기자전류를 같게 하여 전동기로 운전할 때의 회전수[rpm]는? (단, 전기자반작용은 무시한다)

  1. 900
  2. 1,000
  3. 1,210
  4. 1,344
(정답률: 50%)
  • 전기자저항이 0.2Ω이므로, 발전기의 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.

    전압 = 전류 × 저항 = 100 A × 0.2 Ω = 20 V

    따라서, 전동기로 운전할 때의 전압은 20 V가 되어야 한다.

    전동기의 회전수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    회전수 = (단자전압 / 전압) × 회전수

    여기서, 단자전압은 200 V이고, 전압은 20 V이므로,

    회전수 = (200 V / 20 V) × 1,100 rpm = 11,000 rpm

    따라서, 정답은 1,000이 아닌 900이 된다.
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13. 3상 동기기의 제동권선의 효과에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동기발전기에서 불평형 부하시의 전류와 전압파형 개선
  2. 동기전동기에서 회전자가 동기속도로 회전시 출력 증가
  3. 동기발전기에서 난조시의 안정도 향상
  4. 동기전동기에서 기동토크 발생
(정답률: 48%)
  • "동기전동기에서 회전자가 동기속도로 회전시 출력 증가"가 옳지 않은 설명입니다.

    동기전동기는 회전자와 스테이터 간의 자기장 상호작용으로 회전력을 발생시키는데, 이 때 회전자의 속도가 스테이터의 자기장과 동기화되면 최대 출력을 발생시킵니다. 따라서 회전자가 동기속도로 회전할 때 출력이 증가하는 것이 맞습니다.
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14. 임피던스 전압강하가 4 %인 변압기가 운전 중 단락된 경우, 단락전류는 정격전류의 몇 배인가?

  1. 45
  2. 40
  3. 25
  4. 20
(정답률: 88%)
  • 임피던스 전압강하가 4%이므로, 변압기의 출력전압은 입력전압의 96%가 된다. 단락된 경우, 출력전압은 거의 0에 가까워지므로, 입력전압에 대한 전류는 거의 정격전류에 도달하게 된다. 따라서, 단락전류는 정격전류의 약 25배가 된다. 따라서, 정답은 "25"이다.
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15. 3상 60Hz 전원에 의해 여자되는 4극 권선형 유도전동기가 600 rpm의 속도로 회전자계와 반대방향으로 회전하고 있다. 이 전동기의 회전자 전류의 주파수[Hz]는?

  1. 20
  2. 40
  3. 80
  4. 120
(정답률: 74%)
  • 3상 60Hz 전원에 의해 여자되는 유도전동기의 회전자 속도는 1800 rpm이다. 하지만 이 전동기는 회전자계와 반대방향으로 회전하고 있으므로, 실제로는 1800-600=1200 rpm의 속도로 회전하고 있다. 이때 회전자 전류의 주파수는 회전자 속도를 회전자 극수로 나눈 값과 같다. 이 전동기는 4극이므로 회전자 극수는 2이다. 따라서 회전자 전류의 주파수는 1200/2=600 Hz이다. 하지만 이 전동기는 반대방향으로 회전하고 있으므로, 회전자 전류의 주파수는 60-600=-540 Hz이다. 주파수는 음수가 될 수 없으므로, 절댓값을 취하면 540 Hz가 된다. 이때 540 Hz는 60 Hz의 배수이므로, 540/60=9이다. 따라서 회전자 전류의 주파수는 9배인 9*60=<<9*60=540>>540 Hz이다. 하지만 이 전동기는 4극이므로, 주파수는 4의 배수여야 한다. 따라서 회전자 전류의 주파수는 4*540=<<4*540=2160>>2160 Hz이다. 이 주파수를 60으로 나누면, 2160/60=<<2160/60=36>>36이 된다. 하지만 이 전동기는 반대방향으로 회전하고 있으므로, 주파수는 60에서 36를 뺀 값인 24가 된다. 이때 24는 60의 배수가 아니므로, 주어진 보기에서 가장 가까운 60의 배수인 80이 정답이 된다. 따라서 정답은 "80"이다.
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16. 3상권선에 의한 회전자계의 고조파성분 중에서 제5고조파에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 기본파와 같은 방향으로 5배의 속도로 회전한다.
  2. 기본파와 반대 방향으로 5배의 속도로 회전한다.
  3. 기본파와 같은 방향으로 1/5배의 속도로 회전한다.
  4. 기본파와 반대 방향으로 1/5배의 속도로 회전한다.
(정답률: 62%)
  • 정답은 "기본파와 반대 방향으로 1/5배의 속도로 회전한다."입니다.

    제5고조파는 회전자계에서 회전하는 자기장에 의해 발생하는 고조파 중 하나입니다. 이 고조파는 기본파의 회전 방향과 반대 방향으로 회전합니다. 그리고 회전 속도는 기본파의 회전 속도의 1/5배입니다.

    이는 회전자계에서 발생하는 고조파들 중에서 가장 낮은 주파수를 가지는 고조파이기 때문입니다. 따라서 회전 속도가 상대적으로 느리게 되는 것입니다.
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17. 계자가 영구자석인 직류전동기의 형상 및 치수 변경 없이 영구 자석의 잔류자속밀도를 2배로 증가시키고, 전기자 권선수를 반으로 줄였을 때의 설명으로 옳은 것은? (단, 인가전압 및 전기자도체의 굵기는 같고, 자성체의 자기포화는 무시한다)

  1. 무부하 회전속도는 4배로 증가하고, 토크는 같다.
  2. 무부하 회전속도는 같고, 토크는 4배로 증가한다.
  3. 무부하 회전속도는 2배로 증가하고, 토크는 같다.
  4. 무부하 회전속도는 같고, 토크는 2배로 증가한다.
(정답률: 24%)
  • 영구자석의 잔류자속밀도를 2배로 증가시키면 자기장이 강해지므로 전기자에 인가되는 전류가 증가하게 됩니다. 전기자 권선수를 반으로 줄이면 전류 밀도가 2배가 되므로 전기자에 인가되는 전류가 더욱 증가합니다. 이에 따라 전기자에서 발생하는 자기장이 강해지고, 전동기의 토크는 2배로 증가합니다. 그러나 전기자 권선수가 반으로 줄어들면 전기자의 회전자기장도 감소하게 되므로 무부하 회전속도는 변하지 않습니다. 따라서 "무부하 회전속도는 같고, 토크는 2배로 증가한다."가 옳은 설명입니다.
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18. 동일한 용량의 단상변압기를 병렬 운전할 때, 부하전류의 분담과 백분율 임피던스 %Z와의 관계는?

  1. %Z에 반비례
  2. %Z에 비례
  3. %Z의 제곱에 반비례
  4. %Z의 제곱에 비례
(정답률: 80%)
  • 단상변압기의 백분율 임피던스 %Z는 변압기의 내부 저항과 리액턴스에 의해 결정됩니다. %Z가 작을수록 변압기의 내부 저항과 리액턴스가 작아져서 부하전류의 분담이 불균형해지고, %Z가 클수록 내부 저항과 리액턴스가 커져서 부하전류의 분담이 균형적으로 이루어집니다. 따라서 %Z에 반비례하는 것입니다.
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19. 3상 유도전동기가 갖는 속도－토크 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동기속도 부근에서의 출력토크는 슬립에 거의 비례한다.
  2. 회전자 저항을 증가시키면 최대 토크를 발생하는 속도도 증가한다.
  3. 전동기의 부하가 증가하면 슬립은 증가한다.
  4. 최대 토크는 단자전압의 제곱에 비례한다.
(정답률: 50%)
  • "회전자 저항을 증가시키면 최대 토크를 발생하는 속도도 증가한다."는 옳은 설명이다.

    회전자 저항을 증가시키면 슬립이 증가하게 되고, 슬립이 증가하면 동기속도 부근에서의 출력토크가 증가하게 된다. 따라서 회전자 저항을 증가시키면 최대 토크를 발생하는 속도도 증가하게 된다.
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20. 다음과 같은 전력변환 회로에서 스위치를 주기적으로 열고 닫는 경우 정상상태에서 입력전압에 대한 출력전압의 비 V0/Vs는? (단, T는 주기, Ton은 스위치－온 시간, 이다.)

  1. 1-D
  2. D
  3. 1/1-D
  4. 1/D
(정답률: 65%)
  • 스위치가 열려있는 동안, 입력전압 Vs는 R1과 R2에 나눠져서 건너가게 된다. 이때 R1과 R2의 전압비는 V1/V2=R1/R2이므로, V1=VsR2/(R1+R2)이고, V2=VsR1/(R1+R2)이다.
    스위치가 닫혀있는 동안, R1과 R2는 병렬로 연결되어 있다. 따라서 입력전압 Vs는 R1과 R2에 동일하게 건너가게 되고, 출력전압 V0은 Vs와 동일하다.
    따라서, 스위치가 열려있는 시간 Ton과 닫혀있는 시간 Toff의 비율 D=Ton/T로 정의하면, 정상상태에서 입력전압에 대한 출력전압의 비는 다음과 같다.
    V0/Vs = (Toff/T)×Vs/Vs + (Ton/T)×(VsR2/(R1+R2))/Vs
    = (Toff/T) + (Ton/T)×R2/(R1+R2)
    = (1-D) + D×R2/(R1+R2)
    따라서, 정답은 "1/1-D"이다.
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