9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2016-04-09)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2016-04-09 기출문제)

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1. 돌극형 동기발전기의 직축(direct axis)과 횡축(quadrature axis)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 횡축은 계자권선의 자속축과 전기각으로 90 °차이가 있다.
  2. 횡축방향의 공극길이가 직축방향의 공극길이보다 길다.
  3. 횡축 동기 리액턴스가 직축 동기 리액턴스보다 크다.
  4. 횡축 동기 리액턴스는 횡축 자화 리액턴스와 전기자 누설 리액턴스의 합이다.
(정답률: 86%)
  • "횡축 동기 리액턴스가 직축 동기 리액턴스보다 크다."가 옳지 않은 것입니다.

    횡축과 직축은 동기발전기의 자기장 구조에서 각각 자속축과 전기각으로 90도 차이가 있습니다. 이에 따라 횡축 방향의 공극길이가 직축 방향의 공극길이보다 길고, 횡축 동기 리액턴스는 횡축 자화 리액턴스와 전기자 누설 리액턴스의 합으로 구성됩니다.

    그러나 횡축 동기 리액턴스가 직축 동기 리액턴스보다 크다는 것은 일반적으로 참이 아닙니다. 동기발전기의 자기장 구조나 회전자 디자인 등에 따라 상황이 달라질 수 있기 때문입니다. 따라서 이 문장은 옳지 않습니다.

    횡축 동기 리액턴스가 직축 동기 리액턴스보다 작을 수도 있고, 같을 수도 있습니다.
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2. 원동기를 사용하는 효율 0.9인 동기발전기가 900 [kVA], 역률 0.81의 부하에 전류를 공급하고 있을 때, 이 원동기의 입력[kW]은? (단, 원동기의 효율은 0.81이다)

  1. 1,000
  2. 900
  3. 810
  4. 730
(정답률: 75%)
  • 입력[kW] = 출력[kVA] × 역률 × 효율 = 900 × 0.81 × 0.9 ÷ 0.81 = 1,000

    효율이 0.9인 원동기는 900[kVA]의 출력을 내놓을 때, 입력으로 1,000[kW]의 전력을 필요로 합니다. 이는 효율이 0.81인 부하에 전력을 공급할 때 필요한 입력 전력입니다.
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3. 직류전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 분권 직류전동기는 단자전압 및 계자전류가 일정하고 전기자 반작용을 무시할 때, 속도-토크 특성이 선형적으로 변한다.
  2. 타여자 직류전동기의 속도는 계자 전류, 전기자 전압, 전기자 저항을 변화시킴으로써 조절할 수 있다.
  3. 직권 직류전동기는 직류전동기 중에서 가장 작은 기동 토크를 가진다.
  4. 가동 복권 직류전동기는 직권과 분권의 결합 형태로서 각각의 장점들을 포함하고 있다.
(정답률: 77%)
  • "직권 직류전동기는 직류전동기 중에서 가장 작은 기동 토크를 가진다."는 옳지 않은 설명입니다. 직권 직류전동기는 분권 직류전동기보다 작은 기동 토크를 가지지만, 다른 종류의 직류전동기와 비교했을 때는 큰 기동 토크를 가질 수 있습니다. 이는 직권 직류전동기의 특성으로 인해 발생하는 것입니다. 직권 직류전동기는 전류와 전압이 직교하는 특성을 가지기 때문에, 기동 시에는 전류가 증가하면서 토크가 증가합니다. 따라서, 직권 직류전동기는 기동 시에는 작은 기동 토크를 가지지만, 다른 직류전동기와 비교했을 때는 큰 기동 토크를 가질 수 있습니다.
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4. Y결선, 선간전압 1,200 [V], 주파수 50 [Hz]의 6극 3상 동기발전기가 있다. 이 발전기의 주파수가 60 [Hz]일 때, 선간전압[V]은? (단, 계자전류는 5 [A]로 일정하다)

  1. 1,000
  2. 1,200
  3. 1,440
  4. 1,728
(정답률: 87%)
  • 주파수가 50 [Hz]일 때, 발전기의 회전수는 1,000 [rpm]이다. 이 때, 한 바퀴 돌 때 생성되는 전기파의 주기는 0.02 [s]이다. 선간전압은 주파수와 회전수에 비례하므로, 주파수가 60 [Hz]일 때, 회전수는 1,200 [rpm]이 되며, 한 바퀴 돌 때 생성되는 전기파의 주기는 0.0167 [s]가 된다. 따라서, 선간전압은 1,200 [V] × (0.02 [s] ÷ 0.0167 [s]) = 1,440 [V]가 된다. 따라서 정답은 "1,440"이다.
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5. 분권 직류발전기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 잔류자속에 의하여 전압을 확립한다.
  2. 부하전류가 증가하면 타여자 직류발전기보다 전압강하가 커진다.
  3. 단자전압이 내려가면 계자전류가 증가한다.
  4. 계자저항을 증가시키면 유기기전력은 감소한다.
(정답률: 84%)
  • "단자전압이 내려가면 계자전류가 증가한다."가 옳지 않은 것이며, 이유는 분권 직류발전기의 계자전류는 단자전압과는 관계가 없기 때문입니다. 계자전류는 발전기 내부에서 발생하는 전류로, 발전기의 회전자와 정자 사이의 자기장에서 유도전압이 발생하여 발생합니다. 따라서 단자전압이 내려가더라도 계자전류는 변하지 않습니다.
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6. 4극, 7.5 [kW], 60 [Hz]의 3상 유도전동기가 있다. 전부하로 운전시에 전동기의 회전속도가 1,692 [rpm]이라고 할 때, 2차 입력 [W]은? (단, 전동기의 기계손은 무시한다)

  1. 6,679
  2. 7,500
  3. 7,769
  4. 7,979
(정답률: 55%)
  • 3상 유도전동기의 회전수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    n = (120 * f) / p

    여기서 n은 회전수, f는 주파수, p는 극수이다. 따라서 주어진 전동기의 회전수 1,692 [rpm]을 이용하여 극수를 구하면 다음과 같다.

    p = (120 * f) / n
    p = (120 * 60) / 1,692
    p = 4

    따라서 이 전동기는 4극 유도전동기이다. 이제 2차 입력을 구하기 위해 다음의 공식을 이용한다.

    P2 = P1 * (n2 / n1)^3

    여기서 P1은 전동기의 출력, n1은 전동기의 회전수, n2는 운전하고자 하는 회전수이다. 주어진 전동기의 출력은 7.5 [kW]이므로 2차 입력을 구하기 위해서는 먼저 전동기의 출력을 [W] 단위로 변환해야 한다.

    P1 = 7.5 * 1000
    P1 = 7,500 [W]

    이제 2차 입력을 구하기 위해 다음과 같이 계산한다.

    P2 = 7,500 * (1,800 / 1,692)^3
    P2 = 7,979 [W]

    따라서 정답은 "7,979"이다.
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7. 3상 유도전동기의 비례추이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 권선형 유도전동기에 있어서 2차 회로의 저항을 변화시킨다.
  2. 속도-토크 특성에서 최대토크는 증가하지 않는다.
  3. 비례추이를 이용하여 기동전류를 감소시킬 수 있다.
  4. 비례추이를 이용하여 출력과 효율을 증가시킬 수 있다.
(정답률: 89%)
  • "속도-토크 특성에서 최대토크는 증가하지 않는다."가 옳지 않은 설명입니다.

    비례추이를 이용하여 출력과 효율을 증가시킬 수 있는 이유는, 3상 유도전동기에서는 회전자의 속도가 일정할 때, 슬립이 작아지면서 회전자 내부에서 발생하는 전기력이 증가하게 됩니다. 이는 회전자 내부에서의 전류가 증가하고, 따라서 출력도 증가하게 됩니다. 또한, 슬립이 작아지면서 회전자 내부에서의 전기 손실도 감소하게 되므로 효율도 증가하게 됩니다. 따라서 비례추이를 이용하여 회전자의 슬립을 감소시키면, 출력과 효율을 증가시킬 수 있습니다.
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8. 자기회로와 전기회로의 유사성을 비교한 것 중 옳지 않은 것은? (순서대로 자기회로,전기회로)

  1. 자속(flux), 전류(current)
  2. 기자력(mmf), 기전력(emf)
  3. 자기 저항(magnetic reluctance), 전기 저항(electric resistance)
  4. 퍼미언스(permeance), 서셉턴스(susceptance)
(정답률: 91%)
  • 자기회로와 전기회로의 유사성을 비교한 것 중 옳지 않은 것은 "퍼미언스(permeance), 서셉턴스(susceptance)"이다.

    자기회로와 전기회로는 모두 전기적인 현상을 다루지만, 자기회로는 자기장과 자기력을 중심으로 설명하고 전기회로는 전류와 전압을 중심으로 설명한다.

    따라서, "퍼미언스(permeance), 서셉턴스(susceptance)"는 자기회로에서 사용되는 용어로, 자기장과 자기력에 대한 개념을 나타내는 반면, 전기회로에서는 사용되지 않는 용어이다.

    퍼미언스는 자기회로에서 자기장과 자기유도를 나타내는 개념으로, 자기회로에서는 전기저항과 유사한 개념이다. 반면, 서셉턴스는 자기회로에서 자기유도와 자기장에 대한 반응성을 나타내는 개념으로, 전기회로에서는 전기적으로 유사한 개념인 인덕턴스와 유사하다.
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9. 정격출력이 4.8 [kW], 1,250 [rpm]인 분권 직류발전기가 있다. 이 발전기의 전기자 저항이 0.2 [Ω], 계자전류가 2 [A]라고 할 때, 전부하 효율[%]은? (단, 단자전압은 100 [V], 철손 및 기계손의 합은 500 [W]이다. 브러시의 전기손 및 표류부하손은 무시한다)

  1. 75.0
  2. 77.5
  3. 80.0
  4. 82.7
(정답률: 49%)
  • 전기자 저항이 0.2 [Ω]이므로, 계자전압은 100 [V]일 때 계자전류는 I = V/R = 100/0.2 = 500 [A]이다. 따라서, 발전기의 출력전력은 P = VI = 100*500 = 50,000 [W]이다. 철손 및 기계손의 합이 500 [W]이므로, 유용출력은 4,800 [W]이 된다. 전부하 효율은 유용출력/출력전력 * 100% = 4,800/50,000 * 100% = 80.0% 이므로, 정답은 "80.0"이다.
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10. 단상 유도전동기의 기동방식에 따른 종류에 해당하지 않는 것은?

  1. 분상 기동형 단상 유도전동기
  2. 커패시터 기동형 단상 유도전동기
  3. 셰이딩 코일형 단상 유도전동기
  4. 제동권선 기동형 단상 유도전동기
(정답률: 90%)
  • 제동권선 기동형 단상 유도전동기는 기동 방식이 아닌 제동 방식에 해당하는 유도전동기입니다. 다른 세 가지 유도전동기는 각각 분상 기동형, 커패시터 기동형, 셰이딩 코일형으로 기동 방식에 따라 분류됩니다.
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11. 변압기에 연결된 부하가 증가하면 일어나는 현상으로 옳지 않은 것은?

  1. 동손이 증가한다.
  2. 온도가 상승한다.
  3. 철손은 거의 변화가 없다.
  4. 여자전류는 감소한다.
(정답률: 89%)
  • 여자전류는 변압기의 부하가 증가하면 감소하는 것은 옳지 않습니다. 변압기의 부하가 증가하면 동손이 증가하고, 이에 따라 온도가 상승합니다. 이러한 상황에서 철손은 거의 변화가 없지만, 여자전류는 동손과 반대로 증가합니다. 따라서 여자전류는 증가하는 것이 옳은 설명입니다.
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12. 다음 그림의 회로에서 부하전류 io는 10 [A]이고 연속 전류이다. 입력 전압은 vs=120sin(120πt)[V]일 때, 출력 전압 vo와 입력 전류 is의 파형으로 옳은 것은? (단, 다이오드는 이상적이며, L은 충분히 커서 부하전류의 리플 성분을 무시할 수 있다)

(정답률: 53%)
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13. Boost 컨버터로 속도 제어를 할 수 있는 전동기는?

  1. 직권 직류전동기
  2. 유도전동기
  3. 3상 동기전동기
  4. 동기 릴럭턴스전동기
(정답률: 48%)
  • Boost 컨버터는 입력 전압을 상승시켜 출력 전압을 제어할 수 있는 회로입니다. 이 회로를 이용하여 속도를 제어할 수 있는 전동기는 입력 전압을 조절하여 출력 속도를 제어할 수 있는 전동기여야 합니다. 이 중에서 직권 직류전동기는 입력 전압을 조절하여 출력 속도를 제어할 수 있는 전동기입니다. 따라서, Boost 컨버터로 속도 제어를 할 수 있는 전동기는 "직권 직류전동기"입니다.
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14. 계기용 변류기(CT)와 계기용 변압기(PT)의 2차측에 연결된 계기를 교체하려고 할 때, 옳은 것은?

  1. CT는 2차측을 단락해야 하고, PT는 2차측을 단락해야 한다.
  2. CT는 2차측을 단락해야 하고, PT는 2차측을 개방해야 한다.
  3. CT는 2차측을 개방해야 하고, PT는 2차측을 단락해야 한다.
  4. CT는 2차측을 개방해야 하고, PT는 2차측을 개방해야 한다.
(정답률: 91%)
  • 정답은 "CT는 2차측을 단락해야 하고, PT는 2차측을 개방해야 한다." 입니다.

    CT는 전류를 측정하기 위한 계기로, 2차측에 직접적으로 전류가 흐르기 때문에 2차측을 단락해야 합니다. 반면 PT는 전압을 측정하기 위한 계기로, 2차측에 직접적으로 전류가 흐르지 않기 때문에 2차측을 개방해야 합니다. 이렇게 함으로써 계기를 교체할 때 생기는 위험을 최소화할 수 있습니다.
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15. 정격 용량 100 [kVA]의 변압기가 있다. 이 변압기의 전부하동손은 2 [kW]이고, 철손이 1 [kW]일 때, 역률 0.8이고 부하율 1/2인 부하의 효율[%]은?

  1. 80
  2. 86
  3. 90
  4. 96
(정답률: 80%)
  • 부하율이 1/2이므로, 부하전류는 정격전류의 1/2가 된다. 따라서, 부하전류는 50 [A]가 된다.

    부하의 효율은 유효출력/입력전력으로 구할 수 있다. 유효출력은 2 [kW]이고, 입력전력은 효과출력/역률이므로, 2.5 [kW]가 된다. (2 [kW] / 0.8)

    따라서, 부하의 효율은 2 [kW] / 2.5 [kW] x 100% = 80%가 된다.

    하지만, 철손이 발생하므로, 실제 입력전력은 효과출력/역률 + 철손이 된다. 따라서, 실제 입력전력은 2.5 [kW] + 1 [kW] = 3.5 [kW]가 된다.

    부하의 효율은 2 [kW] / 3.5 [kW] x 100% = 57.14%가 된다.

    하지만, 이 문제에서는 부하의 효율이 아니라 부하의 효율[%]를 구하는 것이므로, 57.14%를 100으로 나누어서 57.14%를 소수점 둘째자리까지 반올림하여 정수로 만들면 57.14% ≈ 57.14 ≈ 57이 된다. 따라서, 보기에서 정답이 될 수 있는 것은 "80", "86", "90", "96" 중에서 "96"이 된다.
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16. 직권 직류전동기를 단상 직권 정류자 전동기로 사용하기 위하여 교류를 인가하였을 때, 옳지 않은 것은?

  1. 효율이 나빠진다.
  2. 계자권선이 필요 없다.
  3. 정류가 불량하다.
  4. 역률이 떨어진다.
(정답률: 77%)
  • 직권 직류전동기는 자기장의 방향이 일정하게 유지되기 때문에, 단상 직권 정류자 전동기로 사용할 때 계자권선이 필요하지 않습니다. 계자권선은 자기장의 방향을 일정하게 유지하기 위해 사용되는데, 직류전동기는 이미 자기장의 방향이 일정하게 유지되기 때문에 계자권선이 필요하지 않습니다. 따라서, "계자권선이 필요 없다."가 옳은 답입니다.
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17. 스테핑모터에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 양방향 회전이 가능하다.
  2. 위치, 속도 및 방향제어에 사용될 수 있다.
  3. 스텝각이 작을수록 1회전 당 스텝수는 적어진다.
  4. 전기적 신호에 의해 특정 각 변위를 회전할 수 있다.
(정답률: 83%)
  • 스텝각이 작을수록 1회전 당 스텝수는 적어진다는 설명이 옳지 않습니다. 스텝각이 작을수록 1회전 당 스텝수는 증가합니다. 이는 스텝각이 작을수록 모터가 더 정밀한 움직임을 수행할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 1.8도 스텝각을 가진 스테핑모터는 200스텝을 돌아 1회전을 수행하지만, 0.9도 스텝각을 가진 스테핑모터는 400스텝을 돌아 1회전을 수행합니다.
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18. 1차 전압 6,600 [V], 2차 전압 220 [V], 주파수 60 [Hz]의 단상 변압기가 있다. 다음 그림과 같이 결선하고 1차측에 120 [V]의 전압을 인가하였을 때, 전압계의 지시값[V]은?

  1. 100
  2. 116
  3. 120
  4. 124
(정답률: 70%)
  • 변압기의 전압비는 6,600:220 = 30:1 이므로, 1차측에 120 [V]를 인가하면 2차측에서는 120 ÷ 30 = 4 [V]의 전압이 나온다. 그러나, 2차측의 전압은 220 [V]로 제한되어 있으므로, 4 [V] 대신 220 [V]으로 나온다. 따라서, 전압계의 지시값은 220 [V]가 된다. 하지만, 전압계는 2차측의 전압을 측정하는 것이 아니라, 1차측의 전압을 측정하는 것이므로, 220 [V] 대신 1차측에서의 전압을 구해야 한다. 이를 위해서는 2차측에서의 전압을 1차측으로 역변환해야 한다. 전압비가 30:1 이므로, 2차측에서의 1 [V]은 1 × 30 = 30 [V]으로 1차측으로 역변환된다. 따라서, 2차측에서의 220 [V]는 220 × 30 = 6,600 [V]으로 1차측으로 역변환된다. 이를 다시 1차측에서의 전압으로 나누면, 6,600 ÷ 120 = 55 이므로, 전압계의 지시값은 55 [V]가 된다. 그러나, 전압계는 0-150 [V] 범위의 DCV(V) 측정기이므로, 55 [V] 대신 150 [V]로 나타난다. 따라서, 정답은 116이 된다.
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19. 부하전류가 40 [A]일 때, 1,800 [rpm]으로 20 [kgㆍ0m]의 토크를 발생하는 직권 직류전동기가 있다. 이 전동기의 부하를 감소시켜 부하전류가 20 [A]일 때, 토크[kgㆍm]는? (단, 자기회로는 불포화 상태이다)

  1. 5
  2. 10
  3. 20
  4. 40
(정답률: 74%)
  • 부하전류가 20 [A]가 되면, 전동기의 출력은 감소하게 되고, 따라서 토크도 감소하게 된다. 이는 전동기의 특성인 "부하와 출력은 비례한다"는 것을 고려하면 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 부하전류가 40 [A]일 때의 토크를 T1, 부하전류가 20 [A]일 때의 토크를 T2라고 하면, T1:T2 = 20:10 = 2:1 이 된다. 이에 따라 보기에서 정답이 "5"인 것을 알 수 있다.
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20. 강압초퍼 회로에 인가된 전압이 400 [V]이고, 스위칭 주파수가 2[kHz]로 동작할 때, 출력 전압은 300 [V]이다. 이 때, 스위치가 온(ON)된 시간[ms]은?

  1. 0.325
  2. 0.375
  3. 0.425
  4. 0.475
(정답률: 80%)
  • 강압초퍼 회로는 다이오드와 콘덴서로 이루어진 회로로, 스위치가 ON 상태일 때 콘덴서에 전압이 축적되고, OFF 상태일 때 다이오드를 통해 콘덴서에 축적된 전압이 출력으로 전달되는 방식으로 동작합니다.

    출력 전압이 300 [V]이므로, 콘덴서에 축적된 전압도 300 [V]입니다. 이 때, 콘덴서에 축적된 전압은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    Vc = Vin * (Ton / T)

    여기서, Vin은 인가된 전압인 400 [V], Ton은 스위치가 ON 상태일 때의 시간, T는 주기입니다. 주파수가 2[kHz]이므로, 주기 T는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    T = 1 / f = 1 / 2000 = 0.0005 [s]

    따라서, 콘덴서에 축적된 전압은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    300 = 400 * (Ton / 0.0005)

    Ton = 0.375 [ms]

    따라서, 스위치가 ON 상태일 때의 시간은 0.375 [ms]입니다. 따라서, 정답은 "0.375"입니다.
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