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

9급 국가직 공무원 전기기기
(2013-07-27 기출문제)

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

(정답률: 80%)
  • 유도전동기의 경우, 정격부하에서는 회전자와 자기장 사이에 슬립이 존재하며, 이 슬립은 부하가 증가함에 따라 커지게 됩니다. 따라서 무부하에서의 속도인 N0보다 정격부하에서의 속도인 N1이 더 작을 것입니다. 이에 따라 속도변동률 ϵ은 (N1-N0)/N1으로 계산됩니다. 슬립 s는 (N1-N0)/N1으로 계산됩니다. 따라서 정답은 ""입니다.
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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: 90%)
  • 이 회로는 전자기학에서 "분권 발전기"로 알려진 회로입니다. 이는 회로 내부에서 발생하는 자기장의 변화로 인해 전류가 발생하는 원리를 이용하여 전기를 생산하는 발전기입니다. 이와 달리 "직권 발전기"는 회전하는 자석과 고정자 사이의 자기장 변화로 전기를 생산하는 발전기이며, "차동 복권 발전기"와 "화동 복권 발전기"는 회전하는 자석과 고정자 사이의 자기장 변화를 이용하여 전기를 생산하는 발전기 중 하나입니다.
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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: 69%)
  • 슬립이 6.25%이므로, 동기회전수의 6.25%만큼 회전수가 느리게 되어 60Hz에서 56.25Hz로 회전합니다. 이는 60Hz에서 3.75Hz만큼 느리게 회전하는 것과 같습니다.

    따라서, 2차측의 회전자 전압은 60Hz에서 3.75Hz만큼 느리게 회전하는 것과 같으므로, 56.25Hz의 주파수로 인해 2차측 전압은 3.75Hz/60Hz = 0.0625배가 됩니다.

    전력은 전압 x 전류 x 역률로 계산됩니다. 전류는 일정하므로, 전압이 0.0625배로 줄어들면 전력은 0.0625배 x 역률이 됩니다.

    역률은 보통 0.8 ~ 0.9 사이이므로, 0.85로 가정하면 2차측 동손은 30kW x 0.0625배 x 0.85 = 1.59375kW가 됩니다.

    따라서, 가장 가까운 값은 2이므로 정답은 2입니다.
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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: 93%)
  • 변압기의 효율은 출력 / 입력으로 계산할 수 있다. 입력은 철손과 동손의 합인 5[KVA]이다. 따라서 최대 효율을 얻기 위해서는 출력이 입력의 절반인 2.5[KVA]가 되어야 한다. 그러나 단상변압기는 출력이 3의 배수이므로, 최대 효율을 얻으려면 출력은 3의 배수 중에서 입력의 절반인 1.5[KVA]가 되어야 한다. 따라서 15[KVA]가 정답이다.
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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: 94%)
  • 3상 유도전동기의 동기속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    동기속도 = (120 x 주파수) / 극수

    = (120 x 60) / 4

    = 1,800 [rpm]

    슬립이 0.05이므로, 실제 속도는 동기속도의 95%인 1,710 [rpm]이 됩니다. 따라서 정답은 "1,710"입니다.
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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: 83%)
  • 변압기의 주파수를 증가시킬 경우, 변압기 철심의 와전류손 변화는 "변화 없다." 입니다. 이는 주파수가 변해도 공급전압의 크기가 일정하기 때문에 변압기의 자기장 변화량이 변하지 않기 때문입니다. 따라서 변압기 철심의 와전류손은 주파수와 무관하게 일정합니다.
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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: 97%)
  • 3상 유도 전동기의 회전자 속도는 동기 속도보다 느리기 때문에 회전자 속도를 동기 속도로 변환해야 합니다. 동기 속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    동기 속도 = (120 x 주파수) / 극수

    = (120 x 60) / 4

    = 1,800 [rpm]

    따라서, 회전자 속도는 동기 속도 대비 1,800 / 1,440 = 1.25 배 느립니다.

    회전자 효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    회전자 효율 = 출력 / 입력

    입력은 전력으로 주어졌으므로 출력을 계산해야 합니다. 출력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    출력 = 입력 - 손실

    손실은 전력의 일부가 열로 소멸되는 것을 의미합니다. 일반적으로 3상 유도 전동기의 손실은 5 ~ 10% 정도입니다. 여기서는 손실을 10%로 가정하겠습니다.

    손실 = 입력 x 10%

    = 10,000 [W] x 0.1

    = 1,000 [W]

    따라서, 출력은 다음과 같습니다.

    출력 = 10,000 [W] - 1,000 [W]

    = 9,000 [W]

    회전자 효율은 다음과 같습니다.

    회전자 효율 = 9,000 [W] / 10,000 [W] x 100

    = 90%

    하지만, 회전자 속도가 동기 속도 대비 1.25 배 느리기 때문에 회전자 효율을 1.25로 나누어야 합니다.

    회전자 효율 = 90% / 1.25

    = 72%

    따라서, 가장 가까운 정답은 "70"이지만, 반올림하여 "80"으로 처리한 것으로 추정됩니다.
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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: 74%)
  • "전압변동률은 (－)값이다."라는 설명이 옳지 않은 이유는, 실제로는 (＋)값이기 때문입니다. 전압변동률은 부하의 변화에 따른 출력전압의 변화율을 나타내는데, 이 값이 양수인 경우 부하의 증가에 따라 출력전압이 증가하고, 음수인 경우 부하의 증가에 따라 출력전압이 감소합니다. 따라서 복권 발전기의 경우 부하의 증가에 따라 전압이 현저하게 저하되므로 전압변동률은 양수입니다.
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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: 52%)
  • 두 변압기의 1차코일 권수 비는 N:(2N) = 1:2 이므로, 2차코일 권수 비는 (N^2):(4N^2) = 1:4 가 된다. 이때, 공급전압이 일정하므로, 2차코일에 인가되는 전압은 1:4 비로 감소한다. 따라서, 최대자속비는 2:1 이 되고, 여자전류비는 (1/2):(1/4) = 2:1 이 된다. 따라서 정답은 "1/2, 1/4" 이다.
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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: 36%)
  • 유도 전동기는 회전자에 인가된 전류에 의해 자기장이 발생하여 회전자가 회전하는 원리를 이용하므로, 속도 제어가 용이하다. 또한, 회전자와 고정자 사이에 전기적으로 접촉이 없기 때문에 내구성이 뛰어나고 유지보수가 쉽다. 따라서, 이 회로를 적용하여 속도 제어를 하는데 가장 적합한 전동기는 "유도 전동기"이다.
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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: 94%)
  • "두 법칙에서 힘, 자속 그리고 전류의 방향이 모두 각각 90°를 이룬다."가 옳지 않습니다. 왼손 법칙에서는 자속의 방향과 전류의 방향이 수직이어야 하지만, 오른손 법칙에서는 자속의 방향과 전류의 방향이 평행해야 합니다. 따라서, 두 법칙에서 힘, 자속 그리고 전류의 방향이 모두 각각 90°를 이루는 것은 아닙니다.
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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: 73%)
  • SCR T1은 부하의 순저항부하이므로, 전류의 방향이 항상 일정하다. 따라서 SCR T1의 제어각 α는 0부터 π까지의 범위에서 제어가 가능하다. 따라서 정답은 "0 ≤ α ≤ π"이다.
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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: 72%)
  • 동기임피던스는 다음과 같이 계산됩니다.

    동기임피던스 = (정격전압 / 정격용량) / 단락비

    1상당 동기임피던스는 3상 동기 발전기의 전체 동기임피던스를 3으로 나눈 값입니다.

    따라서, 1상당 동기임피던스는 다음과 같이 계산됩니다.

    1상당 동기임피던스 = ((3,000 / 3,000) / 1.2) / 3 = 2.5 [Ω]

    따라서, 정답은 "2.5" 입니다.
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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: 75%)
  • 운전 주파수가 증가하면 회전자 저항이 증가한다는 설명이 옳지 않습니다. 회전자 저항은 회전자의 물리적 특성에 따라 일정하게 유지되며, 운전 주파수의 증가와는 무관합니다. 따라서, 정답은 "운전 주파수가 증가하면 회전자 저항이 증가한다."입니다.

    회전자 저항은 회전자 내부의 전기적인 저항으로, 회전자의 크기, 재질, 구조 등에 따라 일정한 값을 가집니다. 이 저항은 회전자의 회전 속도와는 무관하며, 회전자의 주파수 변동을 이용하여 유도전동기를 제어하는 것입니다. 회전자의 주파수 변동에 따라 회전자 내부의 전류와 자기장이 변화하게 되어, 회전자에 작용하는 회전력과 회전자의 회전 속도가 변화하게 됩니다. 이를 이용하여 기동 토크를 크게 할 수 있습니다.
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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: 88%)
  • "회전자의 질량이 같으면 동일한 관성 모멘트를 갖는다."는 옳은 설명입니다.

    회전체의 관성 모멘트는 회전체의 질량과 형태에 따라 결정됩니다. 하지만 회전체의 질량이 같으면 형태에 따라 관성 모멘트가 달라질 수 있습니다. 따라서 회전자의 반지름이 커지면 관성 모멘트가 커지는 것은 옳은 설명입니다. 또한 관성 모멘트에 따라 시스템의 가감속 성능이 달라진다는 것과 전동차나 전기자동차와 같은 견인 구동 시스템에서는 회전자의 관성 모멘트가 커야 좋다는 것도 옳은 설명입니다.
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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: 93%)
  • 단락 전류는 변압기의 용량과 입력 전압, %임피던스 강도에 따라 결정된다.

    입력 전압은 4,000[V]이므로, 1차 측 전류는 100[KVA] / 4,000[V] = 25[A]가 된다.

    %임피던스 강도가 5[%]이므로, 단락 전류는 25[A] / 5[%] = 500[A]가 된다.

    따라서, 정답은 "500"이다.
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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: 68%)
  • 이 컨버터는 입력 전압이 출력 전압보다 높을 때는 Buck Converter로 동작하고, 입력 전압이 출력 전압보다 낮을 때는 Boost Converter로 동작한다. 따라서 Buck-boost Converter라고 부르며, 입출력 관계는 이다.
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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: 91%)
  • %동기임피던스는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    %동기임피던스 = (동기임피던스 / 발전기의 직감값) × 100

    발전기의 직감값은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    직감값 = (3 × 제곱근(3) × 전압) / (2 × 전류)

    여기서 전압은 6,000V, 전류는 MVA를 kW로 변환한 값인 2,000kW를 3으로 나눈 값인 666.67A입니다.

    따라서 직감값은 다음과 같습니다.

    직감값 = (3 × 제곱근(3) × 6,000) / (2 × 666.67) = 31.18

    동기임피던스는 문제에서 주어졌으므로 계산하지 않아도 됩니다.

    %동기임피던스 = (14.4 / 31.18) × 100 = 46.19 ≈ 46%

    단락비는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    단락비 = (직감값 / 단락전류) × 100

    단락전류는 MVA를 kW로 변환한 값인 2,000kW를 3으로 나눈 값인 666.67A에 단락비를 곱한 값입니다. 따라서 단락전류는 666.67 × 1.25 = 833.34A입니다.

    따라서 단락비는 다음과 같습니다.

    단락비 = (31.18 / 833.34) × 100 = 3.74 ≈ 1.25

    따라서 정답은 "80, 1.25"입니다.
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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: 88%)
  • 유기 기전력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    유기 기전력 = 2π × 파권 × 자속 × 전기자 총도체수 × 분자기

    여기서 파권은 분권발전기의 회전수와 관련된 값으로, 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    파권 = 분당 회전수 ÷ 60

    따라서 주어진 조건에서 파권은 다음과 같습니다.

    파권 = 1,200 [rpm] ÷ 60 = 20 [Hz]

    유기 기전력과 주어진 값들을 대입하여 자속을 구하면 다음과 같습니다.

    1,200 [V] = 2π × 20 [Hz] × 자속 [Wb] × 250개 × 1

    자속 [Wb] = 1,200 [V] ÷ (2π × 20 [Hz] × 250개) ≈ 0.12 [Wb]

    따라서 정답은 "0.12"입니다.
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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: 93%)
  • 극수가 6극인 동기발전기 A의 회전수가 1,200 [rpm]이므로, 출력 주파수는 60 [Hz]가 된다. 추가적인 극수 4극의 동기발전기 B를 투입하면, 전체 극수는 10극이 되므로 회전수는 A의 1/5인 240 [rpm]이 된다. 하지만 B의 회전수는 1,800 [rpm]으로 일정해야 하므로, B의 출력 주파수는 A의 6배인 60 [Hz]가 된다. 따라서 정답은 "60, 1,800"이 된다.
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