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

9급 국가직 공무원 전기기기 2017-04-08 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2017-04-08 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 동기기에서의 부하각이란?

  1. 부하전류와 여자전압 사이의 위상각
  2. 부하전류와 계자전류 사이의 위상각
  3. 부하전류와 단자전압 사이의 위상각
  4. 단자전압과 여자전압 사이의 위상각
(정답률: 61%)
  • 동기기에서 부하각이란 단자전압과 여자전압 사이의 위상각을 의미합니다. 이는 발전기가 부하에 전력을 공급할 때 발생하는 내부 전압과 외부 단자 전압 간의 각도 차이를 나타냅니다.
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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: 68%)
  • 단상 유도전동기에서 역방향 회전자계에 대한 슬립은 정방향 회전자계 속도 $n_0$와 회전자 속도 $n$이 서로 반대 방향으로 작용하는 상대 속도 개념으로 정의합니다.
    ① [기본 공식] $s_{back} = \frac{n_0 - (-n)}{n_0}$
    ② [숫자 대입] $s_{back} = \frac{n_0 + n}{n_0}$
    ③ [최종 결과] $\frac{n_0 + n}{n_0}$
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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: 95%)
  • 직류전동기의 단자전압에서 전기자 저항에 의한 전압 강하분을 제외하면 역기전력을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $E = V - I \times R$
    ② [숫자 대입] $E = 150 - 10 \times 2$
    ③ [최종 결과] $E = 130$ V
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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: 84%)
  • 권선형 유도전동기에서 2차 저항을 증가시켜도 최대 토크의 크기 자체는 저항값과 무관하게 일정합니다.

    오답 노트
    최대 토크 발생 슬립: 저항 증가 시 함께 증가
    기동 토크: 저항 증가 시 증가
    기동 전류: 저항 증가 시 감소
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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: 81%)
  • 단락비는 정격전압을 발생시키는 여자전류와 3상 단락전류의 비로 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $K_s = \frac{I_{s}}{I_{n}}$
    ② [숫자 대입] $I_{n} = \frac{5000 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 6600}, \quad K_s = \frac{500}{\frac{5000 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 6600}}$
    ③ [최종 결과] $K_s = \sqrt{3} \times 0.66$ pu
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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: 71%)
  • 부하의 무효전력과 합성 부하의 목표 무효전력을 각각 계산하여 그 차이만큼 동기전동기가 공급해야 할 진상 무효전력을 구합니다.
    ① [기본 공식] $Q = P \times \frac{\sin\theta}{\cos\theta}$
    ② [숫자 대입] $Q_{load} = 300 \times \frac{0.8}{0.6} = 400, \quad Q_{total} = (300 + 100) \times \frac{0.6}{0.8} = 300$
    ③ [최종 결과] $Q_{sync} = 400 - 300 = 100$ kvar
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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: 55%)
  • 개방회로 시험은 이름 그대로 부하측 권선을 개방(Open)한 상태에서 진행하므로, 정격부하를 연결한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    단락회로 시험: 저전압측 단락 후 고전압측에서 전압 인가
    여자 어드미턴스: 개방시험을 통해 산출 가능
    여자전류 무시: 단락시험 시 입력전압이 매우 낮아 가능
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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: 76%)
  • 동일 토크 조건에서 2차 저항과 슬립은 반비례 관계에 있습니다. 먼저 동기속도 $N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800$ rpm을 구한 뒤 슬립을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $R_2 = \frac{R_2' \times s_1}{s_2}$
    ② [숫자 대입] $R_2' = \frac{0.5 \times \frac{1800-1710}{1800}}{\frac{1800-1620}{1800}}$
    ③ [최종 결과] $R_{add} = 1.0 - 0.5 = 0.5$ $\Omega$
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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: 75%)
  • 분권발전기에서 단자전압 $V$는 계자전류 $I_f$와 계자저항 $R_f$의 곱과 같으며, 이는 무부하 포화곡선 식의 $V_0$와 일치해야 합니다.
    ① [기본 공식] $V = I_f \times R_f = \frac{730 I_f}{25 + I_f}$
    ② [숫자 대입] $20 I_f = \frac{730 I_f}{25 + I_f}$
    ③ [최종 결과] $V = 230$ V
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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: 37%)
  • 퍼센트 임피던스 공식을 이용하여 변압기의 정격용량을 구할 수 있습니다.
    $$\text{%}R = \frac{P_{a} \times R}{10 \times V^{2}}$$
    $$\text{%}R = \frac{P_{a} \times 100}{10 \times 10^{2}}$$
    $$P_{a} = 30\text{ kVA}$$
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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: 55%)
  • BLDC 전동기는 브러시리스(Brushless) 구조로, 기계적 정류자 대신 홀센서가 회전자의 위치를 검출하고 인버터가 전류의 방향을 전자적으로 전환하여 정류 작용을 수행합니다.
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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: 93%)
  • 변압기의 병렬운전이 가능하려면 각 변압기의 극성이 같고 위상차가 없어야 합니다. $\Delta-\text{Y}$ 결선과 $\Delta-\Delta$ 결선은 위상차가 $30^{\circ}$ 발생하므로 병렬운전이 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: 64%)
  • 강압 초퍼의 평균 출력전압은 시비율(Duty Cycle)에 전원전압을 곱한 값입니다. 시비율 $T_{on}/T$가 $1/2$일 때, 출력전압은 $\frac{1}{2}E$가 되어야 하므로 라고 설명한 내용은 틀렸습니다.
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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: 74%)
  • 전동기를 발전기로 동작시켜 생성된 전기 에너지를 외부의 저항기(히터 등)에서 열에너지로 소비하여 제동력을 얻는 방식이 발전제동입니다.
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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: 88%)
  • SCR은 한 번 도통(ON)되면 게이트 전류를 줄이거나 차단하더라도 래칭(Latching) 특성에 의해 계속 도통 상태를 유지합니다. 따라서 게이트 전류의 변화와 상관없이 부하전류는 그대로 유지됩니다.
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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: 54%)
  • 직권전동기의 토크는 전류의 제곱에 비례하고, 분권전동기의 토크는 전류에 비례하는 특성을 이용합니다. 부하토크가 4배 증가할 때 각 전동기에 필요한 전류 변화를 계산합니다.
    1. 직권전동기: $T \propto I^{2}$이므로 토크 4배 증가 시 전류는 $\sqrt{4} = 2$배 증가 ($I_{series}: 1 \rightarrow 2$)
    2. 분권전동기: $T \propto I$이므로 토크 4배 증가 시 전류는 4배 증가 ($I_{shunt}: 1 \rightarrow 4$)
    3. 전체 전류: $I_{total} = I_{series} + I_{shunt}$이므로 $1+1=2$에서 $2+4=6$으로 3배 증가
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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: 74%)
  • 동손은 권선의 저항에 의해 발생하는 손실로, 전력 손실 공식 $P = I^{2}R$에 따라 전류의 크기의 제곱에 비례합니다. 따라서 전류의 크기에 비례한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    와전류손: 전압의 제곱에 비례하는 것이 맞음
    히스테리시스손: 자구의 재배열로 인해 발생하는 것이 맞음
    최대효율: 무부하손(철손)과 부하손(동손)이 같을 때 발생하는 것이 맞음
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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: 90%)
  • 직류 분권전동기의 무부하 회전속도는 자속에 반비례합니다. 자기포화를 무시할 때 자속은 계자전류에 비례하므로, 회전속도는 계자전류에 반비례하게 됩니다.
    ① [기본 공식] $N_{2} = N_{1} \times \frac{I_{f1}}{I_{f2}}$
    ② [숫자 대입] $N_{2} = 1200 \times \frac{1}{1.2}$
    ③ [최종 결과] $N_{2} = 1000$
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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: 47%)
  • Buck 컨버터(강압 초퍼)의 출력 전압은 입력 전압에 듀티비(Duty Cycle)를 곱하여 결정됩니다. 스위치 양단 전압 $V_{sw}$가 $0\text{V}$일 때 스위치가 ON 상태이며, 이때의 시간이 $T_{on}$이 됩니다.
    ① [기본 공식] $V_{o} = D \times V_{in} = \frac{T_{on}}{T} \times V_{in}$
    ② [숫자 대입] $V_{o} = \frac{25}{75 + 25} \times 10$
    ③ [최종 결과] $V_{o} = 2.5$
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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%)
  • 유도전동기의 슬립을 구하기 위해 출력과 기계손을 합산한 내부 출력을 기준으로 회전자 동손과의 비율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $s = \frac{P_{cu}}{P_0} = \frac{P_{cu}}{P_{out} + P_{mech}}$
    ② [숫자 대입] $s = \frac{0.4}{7.5 + 0.1} = \frac{0.4}{7.6}$
    ③ [최종 결과] $s = 0.0526 \approx 5.0\%$
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