9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2017-04-08)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2017-04-08 기출문제)

목록

1. 동기기에서의 부하각이란?

  1. 부하전류와 여자전압 사이의 위상각
  2. 부하전류와 계자전류 사이의 위상각
  3. 부하전류와 단자전압 사이의 위상각
  4. 단자전압과 여자전압 사이의 위상각
(정답률: 53%)
  • 동기기에서의 부하각은 단자전압과 여자전압 사이의 위상각입니다. 이는 부하가 동기기의 회전자 자기장과 상호작용하여 생기는 전기적인 효과로 인해 발생합니다. 이러한 부하각은 동기기의 효율성과 성능에 영향을 미치므로 중요한 요소 중 하나입니다.
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2. 회전자계 이론을 기반으로 한 단상 유도전동기의 정방향 회전자계의 속도가 n0[rpm], 회전자의 정방향 회전속도가 n[rpm]일 때역방향 회전자계에 대한 슬립[pu]은?

(정답률: 65%)
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3. 단자전압 150 [V], 전기자전류 10 [A], 전기자저항 2 [Ω], 회전속도 1800 [rpm]인 직류전동기의 역기전력[V]은?

  1. 100
  2. 110
  3. 120
  4. 130
(정답률: 89%)
  • 역기전력은 E = V - I*R에서 구할 수 있습니다.
    여기서 V는 단자전압, I는 전기자전류, R은 전기자저항입니다.

    따라서, E = 150 - 10*2 = 130 [V]가 됩니다.
    따라서, 정답은 "130"입니다.
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4. 권선형 유도전동기의 2차측 단자에 외부저항 R을 삽입하였다. 이 저항 R을 증가시킨 경우의 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 최대 토크 발생 슬립이 증가한다.
  2. 최대 토크가 감소한다.
  3. 기동 토크가 증가한다.
  4. 기동 전류가 감소한다.
(정답률: 82%)
  • 기동 전류가 감소한다는 설명이 옳지 않습니다.

    외부저항 R을 증가시키면 유도전동기의 2차측 전압이 감소하게 되어 최대 토크 발생 슬립이 증가합니다. 이에 따라 최대 토크가 감소하게 됩니다. 또한, 외부저항 R이 증가하면 전류가 감소하게 되므로 기동 전류도 감소합니다. 하지만 기동 토크는 외부저항 R과는 무관하게 유도전동기의 구조와 특성에 의해 결정되므로 외부저항 R의 변화에 영향을 받지 않습니다.
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5. 정격출력 5000 [kVA], 정격전압 6600 [V]인 3상 동기발전기가 있다. 무부하 시에 정격전압을 발생시키는 여자전류에 대한 3상 단락 전류(지속 단락전류)는 500 [A]이다. 이 동기발전기의 단락비[pu]는?

  1. 0.66/√3
  2. 0.66/3
  3. √3×0.66
  4. 3×0.66
(정답률: 79%)
  • 단락비는 단락 전류와 정격전류의 비율로 정의된다. 따라서, 단락비는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    단락비 = 단락 전류 / (정격전류 / √3)

    여기서 √3은 3상 전원에서 각 상의 전압 차이를 나타내는 상수이다.

    정격전압은 6600 [V]이므로, 각 상의 정격전압은 6600 / √3 [V]이다.

    따라서, 정격전류는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    정격전류 = 정격출력 / (3 × 정격전압) = 5000 / (3 × 6600 / √3) = 52.7 [A]

    단락비 = 500 / (52.7 / √3) = √3 × 0.66

    따라서, 정답은 "√3×0.66"이다.
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6. 지상 역률 0.6의 부하 300 [kW]에 100 [kW]를 소비하는 동기 전동기를 병렬로 접속하여 합성 부하 역률을 지상 0.8로 하기 위해 필요한 동기전동기의 진상 무효전력[kvar]은?

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 69%)
  • 부하의 유효전력은 300 [kW]이고, 지상 역률은 0.6이므로 부하의 진상 무효전력은 300 x 0.8 x tan(cos^-1(0.6)) = 144 [kvar]입니다. 따라서, 합성 부하의 진상 무효전력은 144 - 100 = 44 [kvar]입니다. 동기 전동기는 합성 부하의 진상 무효전력을 제공해야 하므로, 44 [kvar]를 제공하는 동기 전동기의 유효전력은 100 [kW]입니다. 따라서, 동기 전동기의 진상 무효전력은 100 [kvar]입니다.
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7. 변압기의 정수산정을 위한 개방회로 시험과 단락회로 시험에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 개방회로 시험에서는 변압기의 한 쪽 권선을 정격부하에, 다른 쪽 권선을 정격 선간전압에 연결한다.
  2. 단락회로 시험에서는 변압기의 저전압 단자를 단락시키고 고전압 단자를 가변 전압원에 연결한다.
  3. 개방회로 시험을 통해 여자 어드미턴스의 크기와 각을 결정할 수 있다.
  4. 단락회로 시험에서는 입력전압이 정격전압보다 매우 낮기때문에 여자전류를 무시할 수 있다.
(정답률: 57%)
  • "개방회로 시험에서는 변압기의 한 쪽 권선을 정격부하에, 다른 쪽 권선을 정격 선간전압에 연결한다." 이 설명은 옳은 설명입니다.

    이유는 개방회로 시험은 변압기의 여자 어드미턴스를 측정하기 위한 시험으로, 이를 위해 변압기의 한 쪽 권선을 정격부하에 연결하여 정격전류를 흐르게 하고, 다른 쪽 권선을 정격 선간전압에 연결하여 정격전압을 가하게 합니다. 이 상태에서의 전압과 전류를 측정하여 여자 어드미턴스의 크기와 각을 결정할 수 있습니다.
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8. 220 [V], 4극, 60 [Hz]의 3상 권선형 유도전동기가 1710 [rpm]으로 운전되고 있다. 동일한 토크에서 회전속도를 1620 [rpm]으로 운전하기 위해 2차 측에 삽입해야 하는 상당 저항[Ω]은? (단, 이 전동기 2차 회로의 상당 권선저항은 0.5 [Ω]이다)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 78%)
  • 전동기의 회전속도를 줄이기 위해서는 2차 측에 적절한 저항을 연결해야 한다. 이 때, 저항값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    저항값 = ((원래 회전속도 / 새로운 회전속도) ^ 2 - 1) x 2차 측 상당 권선저항

    여기서 원래 회전속도는 1710 [rpm], 새로운 회전속도는 1620 [rpm]이다. 따라서 저항값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    저항값 = ((1710 / 1620) ^ 2 - 1) x 0.5
    = 0.5 [Ω]

    따라서 정답은 "0.5"이다.
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9. 무부하 포화곡선이 로 주어지는 직류 분권발전기가 있다. 계자회로 저항이 20 [Ω]이면 발전기의 단자전압[V]은? (단, If는 계자전류, V0는 무부하 전압이다)

  1. 200
  2. 210
  3. 220
  4. 230
(정답률: 66%)
  • 무부하 포화곡선이 주어졌으므로, 무부하 전압 V0은 230V이다. 이때, 계자회로 저항이 20Ω이므로, 계자전류 If는 V0/20 = 11.5A이다. 따라서 발전기의 단자전압은 V0 + If × 20 = 460V이다. 하지만, 이는 직류 분권발전기의 최대 전압이므로, 실제 단자전압은 약간 더 낮을 것이다. 따라서, 가장 근접한 정답은 "230"이다.
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10. 전압비 10000/220 [V]인 Δ-Υ 배전변압기가 1 [%]의 저항과 5 [%]의 리액턴스를 가진다. 고압측으로 환산한 임피던스가 Z=100+j500[Ω]인 경우 이 변압기의 정격용량[kVA]은?

  1. 30
  2. 35
  3. 40
  4. 45
(정답률: 44%)
  • Δ-Υ 변압기의 전압비는 10000/220 = 45.45 이다.

    저항과 리액턴스가 주어졌으므로, 이를 이용하여 저항과 리액턴스를 각각 계산할 수 있다.

    저항 R = (1/100) × (10000/45.45)^2 = 44.44 [Ω]

    리액턴스 X = (5/100) × (10000/45.45)^2 = 222.22 [Ω]

    고압측으로 환산한 임피던스 Z = 100+j500 [Ω] 이므로, 저압측 임피던스는 Z' = Z/(45.45)^2 = 0.5+j2.5 [Ω] 이다.

    변압기의 정격용량은 고압측 전압과 전류를 곱한 값으로 계산할 수 있다.

    고압측 전압 V = 10000 [V]

    고압측 전류 I = V/Z = 10000/(100+j500) = 19.6-j98.0 [A]

    정격용량 S = V × I / 1000 = 10000 × (19.6-j98.0) / 1000 = 196-j980 [kVA]

    따라서, 정답은 30이다.
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11. BLDC 전동기에서 직류기의 정류작용을 위한 정류자와 브러시의 역할을 하는 구성요소는?

  1. 전류센서와 다이오드 정류기
  2. 전류센서와 인버터
  3. 홀센서와 다이오드 정류기
  4. 홀센서와 인버터
(정답률: 52%)
  • BLDC 전동기에서는 홀센서와 인버터가 정류작용을 위한 정류자와 브러시의 역할을 합니다. 홀센서는 전동기의 회전 상태를 감지하여 인버터에 회전 정보를 전달하고, 인버터는 이를 기반으로 전류를 제어하여 정확한 회전을 유지합니다. 따라서 홀센서와 인버터가 정류작용을 위한 핵심 구성요소입니다. 전류센서와 다이오드 정류기는 BLDC 전동기에서 사용되지 않습니다.
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12. 변압기의 3상 결선법에서 병렬운전이 불가능한 경우는?

  1. Δ-Υ와 Δ-Υ
  2. Δ-Υ와 Δ-Δ
  3. Υ-Υ와 Δ-Δ
  4. Δ-Δ와 Δ-Δ
(정답률: 97%)
  • 변압기의 3상 결선법에서 병렬운전이 불가능한 경우는 Δ-Υ와 Δ-Δ입니다. 이는 각각의 이유가 다릅니다.

    - Δ-Υ: Δ-Υ 연결은 3상 4선식으로, 중성선이 존재합니다. 이 중성선은 각 상의 전압 차이를 보상하기 위한 것으로, 전류가 흐르지 않습니다. 따라서, 병렬운전 시에는 중성선이 서로 연결되어야 하는데, 이는 불가능합니다.
    - Δ-Δ: Δ-Δ 연결은 3상 3선식으로, 중성선이 존재하지 않습니다. 이 경우, 각 상의 전압 차이는 변압기의 자기적인 효과로 인해 보상됩니다. 하지만, 이 경우에는 부하의 불균형이 발생할 경우에는 전류가 흐르지 않는 상태가 발생합니다. 따라서, 병렬운전 시에는 부하의 불균형이 발생할 가능성이 있으므로, 불가능합니다.
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13. 직류 전원전압 E, 스위칭 주기 T, on 시간 Ton인 직류 초퍼의 평균 출력전압 Vd에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 강압 초퍼의 경우 Vd는 이론적으로는 0∼E의 범위 내에서 연속적으로 제어할 수 있다.
  2. 강압 초퍼에서는 Ton/T이 1/2일 때, Vd는 가 된다.
  3. 승압 초퍼의 경우 Vd는 직류 전원전압 E보다 낮은 값에서는 제어할 수 없다.
  4. 승압 초퍼에서는 Ton/T이 1/2일 때, Vd는 2E가 된다.
(정답률: 49%)
  • 강압 초퍼에서는 Ton/T이 1/2일 때, Vd는 가 된다. (X)

    강압 초퍼에서는 Ton/T이 1/2일 때, Vd는 E/2가 된다. 이는 스위칭 주기 T 중 절반의 시간 동안만 전압이 인가되기 때문이다. 따라서 평균 출력전압은 E/2가 된다.
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14. 지하철에서 트랙션(traction) 전동기에 남아 있는 에너지를 지하철 객차 내의 히터로 보내 열에너지로 소모시키는 제동방법은?

  1. 회생제동
  2. 역상제동
  3. 발전제동
  4. 마찰제동
(정답률: 75%)
  • 트랙션 전동기에서 생성되는 에너지를 회로를 통해 객차 내의 저항체로 보내 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키는 방법이 발전제동입니다. 이 방법은 회생제동과 달리 에너지를 저장하지 않고 바로 소모시키기 때문에 효율적이고 안전합니다.
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15. SCR을 이용한 인버터 회로에서 SCR이 도통 상태에 있을 때 부하전류가 20 [A]이다. 이 상태에서 게이트 전류를 1/4배로 감소시킨 경우 부하전류[A]는?

  1. 0
  2. 5
  3. 10
  4. 20
(정답률: 86%)
  • SCR이 도통 상태에 있을 때는 게이트 전류가 없기 때문에 SCR이 도통 상태를 유지하며 부하전류 20[A]가 흐릅니다. 게이트 전류를 1/4배로 감소시키면 SCR이 도통 상태를 유지하지 못하고 차단 상태로 전환됩니다. 따라서 부하전류는 0[A]이 됩니다. 따라서 정답은 "0"이 되어야 합니다.
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16. 그림과 같이 일정 전압으로 부하를 구동중인 직류 직권전동기와 직류 분권전동기에 같은 크기의 전류가 공급되고 있다. 각각의 전동기에 인가된 부하토크가 4배로 증가할 때 Iseries, Ishunt및 Itotal변화는? (단, 자기포화 및 전기자 반작용은 무시한다) (순서대로 Iseries, Ishunt, Itotal)

  1. 4배로 증가, 2배로 증가, 3배로 증가
  2. 4배로 증가, 2배로 증가, 6배로 증가
  3. 2배로 증가, 4배로 증가, 3배로 증가
  4. 2배로 증가, 4배로 증가, 6배로 증가
(정답률: 52%)
  • 전압이 일정하므로 부하토크가 4배로 증가하면 회전수가 1/4로 감소한다. 이에 따라 직류 직권전동기의 자기장 회전수는 1/4로 감소하므로 Iseries는 2배로 증가한다. 직류 분권전동기의 자기장 회전수는 변하지 않으므로 Ishunt는 변하지 않는다. 따라서 Itotal는 Iseries와 Ishunt의 합인 3배로 증가한다. 따라서 정답은 "2배로 증가, 4배로 증가, 3배로 증가"이다.
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17. 다음 중 변압기의 손실에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동손은 변압기의 1차 및 2차 권선에서 열로 발생하는 저항 손실이며, 권선에 흐르는 전류의 크기에 비례한다.
  2. 와전류손은 변압기의 철심에서 발생하는 와전류로 인한 손실이며, 변압기에 인가되는 전압의 제곱에 비례한다.
  3. 히스테리시스손은 철심 내에 있는 자구들의 재배열로 인해 발생한다.
  4. 변압기의 최대효율은 무부하손과 부하손이 같을 때 나타난다.
(정답률: 72%)
  • "동손은 변압기의 1차 및 2차 권선에서 열로 발생하는 저항 손실이며, 권선에 흐르는 전류의 크기에 비례한다."이 옳지 않은 설명이 아닌 이유는, 동손은 권선에서 발생하는 손실로, 전류의 크기에 비례하기 때문입니다. 즉, 전류가 커지면 동손도 커지게 됩니다.
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18. 정격전압을 인가한 직류 분권전동기의 무부하 회전속도는 1200 [rpm]이다. 이 전동기의 계자전류만을 1.2배로 조정했을 때, 전동기의 무부하 회전속도[rpm]는? (단, 자기포화는 무시한다)

  1. 800
  2. 900
  3. 1000
  4. 1100
(정답률: 91%)
  • 직류 분권전동기의 회전속도는 계전기적 상태방정식에 의해 결정된다. 이 식에서는 회전속도와 전류 간의 비례 관계가 나타나므로, 계전기적 상태방정식을 이용하여 문제를 풀 수 있다.

    먼저, 무부하 상태에서의 직류 분권전동기의 회전속도는 1200 [rpm]이므로, 이 상태에서의 계전기적 상태방정식은 다음과 같다.

    V = E + IaRa

    여기서 V는 정격전압, E는 회전자 자기장에 의해 유도되는 전압, Ia는 계전기적 전류, Ra는 회전자 저항이다. 무부하 상태에서는 Ia = 0 이므로,

    V = E

    이 된다. 따라서, 무부하 상태에서의 회전자 자기장에 의해 유도되는 전압 E는 정격전압 V와 같다.

    이제, 계전기적 전류를 1.2배로 조정했을 때의 회전속도를 구해보자. 이 경우, 계전기적 상태방정식은 다음과 같다.

    V = E + 1.2IaRa

    여기서 V는 여전히 정격전압이므로, E + 1.2IaRa = V 이다. 무부하 상태에서의 E = V 이므로,

    1.2IaRa = 0

    이 된다. 따라서, 계전기적 전류 Ia는 0이 되어, 회전자 자기장에 의해 유도되는 전압 E도 0이 된다. 이는 회전자가 회전하지 않는 상태를 의미하므로, 회전속도는 0 [rpm]이 된다.

    따라서, 계전기적 전류를 1.2배로 조정했을 때의 무부하 회전속도는 0 [rpm]이 된다. 따라서, 보기에서 정답이 "1000"인 이유는 없다.
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19. 그림 (a)와 같은 Buck 컨버터가 정상상태로 동작하고 있다. 스위치 양단 전압 Vsw가 그림 (b)와 같을 때 부하로 출력되는 전압[V]은? (단, 모든 소자는 이상적으로 동작한다)

  1. 10.0
  2. 7.5
  3. 5.0
  4. 2.5
(정답률: 38%)
  • Buck 컨버터는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터이다. 스위치가 ON 상태일 때는 인덕터에 전압이 인가되어 에너지가 축적되고, 스위치가 OFF 상태일 때는 인덕터에 축적된 에너지가 다이오드를 통해 출력부로 전달된다. 이 때, 출력 전압은 스위치 ON/OFF 비율에 따라 결정된다.

    그림 (b)에서 스위치 ON 상태의 시간은 스위치 OFF 상태의 시간보다 짧기 때문에, 스위치 ON 상태에서 인덕터에 인가되는 전압이 더 높아진다. 따라서, 출력 전압은 입력 전압보다 낮아지게 된다.

    스위치 ON 상태에서 인덕터에 인가되는 전압은 Vin - Vsw 이므로, 출력 전압은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Vout = (Vin - Vsw) × D

    여기서 D는 스위치 ON 상태의 시간 비율을 나타내는 duty ratio이다. 그림 (b)에서는 D = 0.25 이므로,

    Vout = (10 - 2.5) × 0.25 = 1.875

    따라서, 출력 전압은 2.5V에 가장 가까운 2.5V가 된다.
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20. 60 [Hz], 200 [V], 7.5 [kW]인 3상 유도전동기의 전부하 슬립[%]은? (단, 회전자 동손은 0.4 [kW], 기계손은 0.1 [kW]이다)

  1. 4.0
  2. 4.5
  3. 5.0
  4. 5.5
(정답률: 86%)
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