9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2013-07-27)

9급 국가직 공무원 전기기기 2013-07-27 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2013-07-27 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 유도전동기의 정격부하에서 속도를 N1, 무부하속도를 N0이라 할 때, 전동기의 속도변동률 ϵ과 슬립 s는? (순서대로 속도변동률ϵ(%), 슬립 s)

(정답률: 79%)
  • 플레밍의 오른손 법칙(발전기)과 왼손 법칙(전동기)은 모두 자속, 전류, 힘이 서로 직교하는 관계에 있으며, 엄지손가락은 항상 힘의 방향을 나타냅니다.
    하지만 두 법칙은 전류의 방향이 서로 반대입니다. 따라서 힘과 자속의 방향이 동일하더라도, 오른손 법칙과 왼손 법칙에 의해 결정되는 전류의 방향은 서로 반대가 됩니다.
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2. 다음 회로를 갖는 직류 발전기는?

  1. 분권 발전기
  2. 직권 발전기
  3. 차동 복권 발전기
  4. 화동 복권 발전기
(정답률: 87%)
  • 제시된 이미지 를 보면 계자 권선이 전기자 권선과 병렬로 연결되어 있어, 전기자에서 발생한 전압이 계자 권선에 직접 공급되는 구조입니다. 이는 분권 발전기의 전형적인 회로 구성입니다.
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3. 60 [Hz], 4극, 30 [KW]인 3상 유도전동기의 전부하 운전시에 슬립이 6.25 [%]일 때, 2차측 동손[KW]은?

  1. 0.5
  2. 0.94
  3. 2
  4. 14.1
(정답률: 72%)
  • 2차측 동손은 2차 입력(출력과 거의 동일한 정격 출력)에 슬립 $s$를 곱하여 계산할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $P_{c2} = P \times s$
    ② [숫자 대입] $P_{c2} = 30 \times 0.0625$
    ③ [최종 결과] $P_{c2} = 1.875 \approx 2$
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4. 정격에서 철손이 1 [KVA], 전부하 동손이 4 [KVA]인 상태로운전하는 30 [KVA] 단상변압기가 있다. 이 변압기를 최대 효율로 운전할 때의 변압기 출력[KVA]은? (단, 역률은 1로 가정한다)

  1. 7.5
  2. 15
  3. 30
  4. 60
(정답률: 84%)
  • 변압기의 최대 효율 조건은 철손과 동손이 같을 때 발생합니다. 이때의 출력은 정격 용량에 $\sqrt{\text{철손}/\text{전부하 동손}}$을 곱하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $P_{out} = P_n \sqrt{\frac{P_i}{P_c}}$
    ② [숫자 대입] $P_{out} = 30 \sqrt{\frac{1}{4}}$
    ③ [최종 결과] $P_{out} = 15$
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5. 3상 유도전동기가 4극, 460 [V], 100 [HP], 60 [Hz], 슬립 s＝0.05 에서 운전되고 있을 때, 전동기의 속도[rpm]는?

  1. 1,600
  2. 1,710
  3. 1,750
  4. 1,820
(정답률: 88%)
  • 유도전동기의 회전 속도는 동기 속도에서 슬립에 의한 속도 감소분을 뺀 값입니다.
    ① [기본 공식] $N = N_s(1-s) = \frac{120f}{P}(1-s)$
    ② [숫자 대입] $N = \frac{120 \times 60}{4}(1-0.05)$
    ③ [최종 결과] $N = 1710$
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6. 변압기의 주파수를 증가시킬 경우, 변압기 철심의 와전류손 변화는? (단, 공급전압의 크기는 일정하다)

  1. 변화 없다.
  2. 주파수에 비례해서 증가한다.
  3. 주파수의 제곱에 비례해서 증가한다.
  4. 주파수의 세 제곱에 비례해서 증가한다.
(정답률: 80%)
  • 변압기 철심의 와전류손은 주파수 $f$의 제곱에 비례하지만, 공급전압 $V$가 일정할 때 자속 밀도 $B$는 주파수에 반비례($B \propto V/f$)합니다. 와전류손은 $B$의 제곱과 $f$의 제곱에 모두 비례하므로, 결과적으로 주파수 변화에 영향을 받지 않습니다.
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7. 60 [Hz], 4극, 10 [KW]인 3상 유도 전동기가 1,440 [rpm]으로 회전 할 때, 회전자 효율[%]은? (단, 기계손은 무시한다)

  1. 60
  2. 70
  3. 80
  4. 90
(정답률: 92%)
  • 회전자 효율은 슬립 $s$를 이용하여 $1-s$로 구할 수 있습니다. 먼저 동기 속도 $N_s$를 구한 뒤 슬립을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $N_s = \frac{120f}{P}$, $s = \frac{N_s - N}{N_s}$ , $$\eta = (1-s) \times 100$$
    ② [숫자 대입] $N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800$, $s = \frac{1800 - 1440}{1800} = 0.2$ , $$\eta = (1-0.2) \times 100$$
    ③ [최종 결과] $\eta = 80$
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8. 다음은 복권 발전기의 외부특성곡선을 나타낸 것이다. (가)곡선에 해당하는 복권 발전기의 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전압변동률은 (－)값이다.
  2. 정전류를 만드는 데 사용된다.
  3. 부하의 증가에 따라 현저하게 전압이 저하된다.
  4. 수하 특성을 가지고 있다.
(정답률: 70%)
  • 제시된 이미지 의 (가) 곡선은 부하 전류가 증가함에 따라 단자 전압이 급격히 떨어지는 수하 특성을 보입니다. 이는 차동 복권 발전기의 전형적인 특징으로, 정전류 특성을 가지며 전압 변동률은 양(+)의 값을 갖게 됩니다.

    오답 노트
    전압변동률은 (-)값이다: 과복권 발전기의 특징입니다.
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9. 두 변압기 A, B의 1차코일 권수가 각각 N, 2N이다. 두 변압기의 공급전압이 일정할 때, 변압기 A에 대한 B의 최대자속의 비 및 여자전류의 비 는? (단, 철심은 포화되지 않는다) (순서대로 최대자속비, 여자전류비)

  1. 1/2, 1/4
  2. 1/2, 4
  3. 2, 1/4
  4. 2, 4
(정답률: 56%)
  • 변압기의 유도기전력 공식에 따라 공급전압이 일정할 때 최대자속은 권수와 반비례하며, 여자전류는 자속에 비례하고 권수와 반비례하는 관계를 가집니다.
    1. 최대자속비 $(\frac{\phi_{B}}{\phi_{A}})$ 계산
    $$\phi = \frac{E}{4.44 f N}$$
    $$\phi_{B} / \phi_{A} = \frac{N}{2N}$$
    $$\phi_{B} / \phi_{A} = 1/2$$
    2. 여자전류비 $(\frac{I_{OB}}{I_{OA}})$ 계산
    여자전류 $I_{O}$는 자속 $\phi$에 비례하고 권수 $N$에 반비례하므로 $(\frac{I_{OB}}{I_{OA}}) = \frac{\phi_{B}}{\phi_{A}} \times \frac{N_{A}}{N_{B}}$ 관계가 성립합니다.
    $$\frac{I_{OB}}{I_{OA}} = \frac{1}{2} \times \frac{N}{2N}$$
    $$\frac{I_{OB}}{I_{OA}} = 1/4$$
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10. 다음과 같은 회로를 적용하여 속도 제어를 하는데 가장 적합한 전동기는?

  1. 직류 전동기
  2. 유도 전동기
  3. 리니어 직류 전동기
  4. 스테핑 모터
(정답률: 51%)
  • 제시된 회로도는 3상 전원을 정류하여 DC 링크를 거쳐 IGBT 인버터를 통해 전동기를 구동하는 전형적인 주파수 변환 장치(인버터) 구조입니다.
    이러한 주파수 제어 방식은 유도 전동기의 속도를 정밀하게 제어하는 데 가장 적합합니다.
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11. 플레밍의 오른손 법칙과 왼손 법칙에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 두 법칙 모두 엄지손가락의 방향은 힘의 방향을 나타낸다.
  2. 오른손 법칙은 발전기의 원리에 적용된다.
  3. 두 법칙에서 힘, 자속 그리고 전류의 방향이 모두 각각 90°를 이룬다.
  4. 힘과 자속의 방향이 동일할 경우, 오른손 법칙에 의한 전류의 방향과 왼손 법칙에 의한 전류의 방향은 서로 동일하다.
(정답률: 90%)
  • 플레밍의 오른손 법칙(발전기)과 왼손 법칙(전동기)은 모두 자속, 전류, 힘이 서로 직교하는 관계에 있으며, 엄지손가락은 항상 힘의 방향을 나타냅니다.
    하지만 두 법칙은 전류의 방향이 서로 반대입니다. 따라서 힘과 자속의 방향이 동일하더라도, 오른손 법칙과 왼손 법칙에 의해 결정되는 전류의 방향은 서로 반대가 됩니다.
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12. 다음 AC－AC 컨버터에서 SCR T1의 제어각 α의 제어가능 범위는? (단, 부하는 순저항부하이다)

  1. 0 ≤ α ≤ π/6
  2. 0 ≤ α ≤ π/3
  3. 0 ≤ α ≤ π/2
  4. 0 ≤ α ≤ π
(정답률: 69%)
  • 제시된 회로 는 AC-AC 위상 제어 회로로, 순저항 부하에서 SCR $T_1$의 제어각 $\alpha$는 전압의 양의 반주기 동안 $0$부터 $\pi$까지 제어하여 출력 전압의 크기를 조절할 수 있습니다.
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13. 정격용량 3,000 [KVA], 정격전압 3,000 [V], 단락비 1.2인 3상 동기 발전기의 1상당 동기임피던스[Ω]는?

  1. 0.83
  2. 1.2
  3. 2.5
  4. 3.6
(정답률: 68%)
  • 단락비와 퍼센트 임피던스는 역수 관계에 있으며, 이를 통해 동기 임피던스를 산출할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $Z = \frac{V^2}{\%Z \times P}$
    ② [숫자 대입] $Z = \frac{3000^2}{(100 / 1.2) \times 3000 \times 10^{-3}}$
    ③ [최종 결과] $Z = 2.5 \text{ }\Omega$
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14. 유도전동기에서 심구(deep bar) 농형 회전자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 회전자 저항이 운전 속도에 따라 변동한다.
  2. 기동 토크를 크게 할 수 있다.
  3. 회전자의 주파수 변동을 이용한 것이다.
  4. 운전 주파수가 증가하면 회전자 저항이 증가한다.
(정답률: 66%)
  • 심구 농형 회전자는 표피 효과를 이용하여 기동 시에는 저항을 크게 하여 기동 토크를 높이고, 운전 시에는 저항을 작게 하여 효율을 높이는 구조입니다. 운전 주파수가 증가한다는 것은 슬립이 커져 기동 상태에 가까워진다는 의미이므로, 표피 효과에 의해 전류가 상부로 쏠리며 전체적인 유효 저항은 증가하게 됩니다.

    오답 노트
    운전 주파수가 증가하면 표피 효과가 심해져 전체 저항이 증가하므로, 저항이 감소한다는 설명은 틀렸습니다.
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15. 전동기 회전자의 관성 모멘트(moment of inertia)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 회전자의 반지름이 커지면 관성 모멘트가 커진다.
  2. 관성 모멘트에 따라 시스템의 가감속 성능이 달라진다.
  3. 전동차나 전기자동차와 같은 견인 구동 시스템에서는 회전자의 관성 모멘트가 커야 좋다.
  4. 회전자의 질량이 같으면 동일한 관성 모멘트를 갖는다.
(정답률: 80%)
  • 관성 모멘트는 질량뿐만 아니라 질량이 회전축으로부터 어떻게 분포되어 있는지(반지름)에 따라 결정되는 물리량입니다.

    오답 노트
    회전자의 질량이 같더라도 질량 분포(반지름)가 다르면 관성 모멘트 값은 달라집니다.
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16. 100 [KVA], 4,000/200 [V]인 단상 변압기가 운전 중 단락 되었을 때, 1차측 고장 단락 전류[A]는? (단, %임피던스 강하는 5 [%]이다)

  1. 250
  2. 500
  3. 750
  4. 1,000
(정답률: 87%)
  • 변압기 1차측 단락 전류는 정격 전류를 퍼센트 임피던스로 나누어 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $I_s = \frac{I_{1n}}{\%Z / 100}$
    ② [숫자 대입] $I_s = \frac{100 \times 1000 / 4000}{0.05}$
    ③ [최종 결과] $I_s = 500 \text{ A}$
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17. 다음 DC－DC 컨버터는 정상상태에서 동작하고 있다. 이 컨버터의명칭과 입출력 관계는? (단, T는 TR의 스위칭 주기, Ton은 온(ON) 시간, 이다) (순서대로 버터 명칭, 입출력 관계)

  1. Buck-boost Converter,
  2. Step-up Converter, Vo=(1-D)Vs
  3. Step-down Converter, Vo=DVs
  4. Boost Converter,
(정답률: 75%)
  • 회로도를 보면 스위치(TR), 인덕터(L), 다이오드가 구성되어 입력 전압을 높이거나 낮출 수 있는 Buck-boost Converter 구조입니다.
    입출력 관계식은 시비율 $D$에 의해 결정되며, 출력 전압 $V_{o}$는 입력 전압 $V_{s}$에 대해 다음과 같은 관계를 갖습니다.
    $$V_{o} = \frac{D}{(1-D)}V_{s}$$
    따라서 명칭은 Buck-boost Converter이며, 관계식은 입니다.
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18. 2 [MVA], 6,000 [V]인 3상 교류발전기의 동기임피던스가 14.4(Ω)일 때, 이 발전기의 %동기임피던스와 단락비는? (순서대로 %동기임피던스[%], 단락비)

  1. 40, 1.25
  2. 40, 2.5
  3. 80, 1.25
  4. 80, 2.5
(정답률: 84%)
  • 발전기의 %동기임피던스는 정격 전압 대비 임피던스 전압 강하의 비율이며, 단락비는 %동기임피던스의 역수로 정의됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$\%Z = \frac{I_n Z_s}{V_n} \times 100$$
    $$K_s = \frac{1}{\%Z / 100}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\%Z = \frac{\frac{2 \times 10^6}{\sqrt{3} \times 6000} \times 14.4}{6000 / \sqrt{3}} \times 100 = \frac{2 \times 10^6 \times 14.4}{6000^2} \times 100 = 80$$
    $$K_s = \frac{1}{80 / 100} = 1.25$$
    ③ [최종 결과]
    $$\%Z = 80\%, K_s = 1.25$$
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19. 극수 4극, 전기자 총도체수 250개이며 1,200 [rpm]으로 회전하는 직류 분권발전기가 있다. 파권 권선일 경우 발전기에서 발생하는 유기 기전력이 1,200 [V]일 때, 필요한 매극당 자속[Wb]은?

  1. 0.06
  2. 0.12
  3. 0.18
  4. 0.24
(정답률: 85%)
  • 직류 발전기의 유기 기전력 공식을 사용하여 매극당 자속을 구합니다. 파권의 경우 병렬 회로수 $a=2$를 적용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$E = \frac{P Z \Phi N}{60 a}$$
    $$\Phi = \frac{60 a E}{P Z N}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Phi = \frac{60 \times 2 \times 1200}{4 \times 250 \times 1200}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Phi = 0.12\text{ Wb}$$
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20. 극수 6극을 가진 동기발전기 A의 회전수가 1,200 [rpm]으로 회전하고 있는데, 발전기 부하의 증가로 인하여 추가적인 극수 4극의 동기발전기 B를 투입하려고 한다. 이 때, 발전기 A의 출력 주파수와 요구되는 발전기 B의 회전수는? (순서대로 A의 출력 주파수[Hz], B의 회전수[rpm])

  1. 30, 1,200
  2. 60, 1,200
  3. 30, 1,800
  4. 60, 1,800
(정답률: 91%)
  • 동기발전기의 병렬 운전 조건에 따라 발전기 A와 B의 출력 주파수는 반드시 동일해야 합니다. 먼저 A의 주파수를 구한 뒤, 동일한 주파수를 갖기 위한 B의 회전수를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$f = \frac{P N}{120}$$
    $$N = \frac{120 f}{P}$$
    ② [숫자 대입]
    $$f_A = \frac{6 \times 1200}{120} = 60$$
    $$N_B = \frac{120 \times 60}{4} = 1800$$
    ③ [최종 결과]
    $$f_A = 60\text{ Hz}, N_B = 1800\text{ rpm}$$
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