9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2019-04-06)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2019-04-06 기출문제)

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1. 그림과 같이 인덕턴스만의 부하로 운전하는 동기 발전기에서 나타나는 전기자 반작용에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 유도 기전력보다 π/2[rad]만큼 앞선 전기자 전류가 흐른다.
  2. 교차 자화 작용을 한다.
  3. 직축 반작용을 한다.
  4. 증자 작용을 한다.
(정답률: 46%)
  • 인덕턴스만의 부하로 운전하는 동기 발전기에서는 회전자 자기장과 스테이터 자기장이 상호작용하여 전기자 반작용이 발생합니다. 이때, 전기자 반작용은 직축 반작용과 교차 자화 작용으로 나뉩니다.

    직축 반작용은 회전자 자기장과 스테이터 자기장이 직각으로 만나는 부분에서 발생하며, 이때 전기자 전류가 직각 방향으로 흐르면서 회전자에 힘을 가합니다. 따라서 직축 반작용은 회전자를 회전시키는 데에 중요한 역할을 합니다.

    따라서, "직축 반작용을 한다."가 정답입니다.
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2. 단상 유도 전동기의 기동을 위한 기동 장치에 해당하지 않는 것은?

  1. 세이딩 코일형
  2. 분상 기동형
  3. 콘덴서 기동형
  4. Y－Δ 기동형
(정답률: 89%)
  • Y-Δ 기동형은 단상 유도 전동기의 기동을 위한 기동 장치가 아닙니다. Y-Δ 기동형은 삼상 전동기의 기동을 위한 기동 장치입니다. Y-Δ 기동형은 삼상 전원에서 Y 연결로 운전하다가 부하가 일정 이상으로 증가하면 Δ 연결로 전환하여 운전하는 방식입니다.
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3. 단상 변압기의 3상 결선 방식 중, 여자 전류의 3고조파가 순환 전류로 흐를 수 있으므로 기전력이 정현파이고 유도장애가 없으며, 발전소 저전압을 송전 전압으로 승압할 때 주로 사용되는 결선방식은?

  1. Y－Y
  2. Y－Δ
  3. Δ－Δ
  4. Δ－Y
(정답률: 56%)
  • 여자 전류의 3고조파가 순환 전류로 흐를 수 있는 결선 방식은 Y-Y와 Δ-Y입니다. 그 중 발전소 저전압을 송전 전압으로 승압할 때 주로 사용되는 결선방식은 Δ-Y입니다. 이는 Y-Y 방식보다 변압기의 중앙점이 높아져서 저전압 측의 접지 문제를 해결할 수 있기 때문입니다. 또한, Δ-Y 방식은 Y-Y 방식보다 유도장애가 적고, 정현파이기 때문에 기전력 손실이 적습니다. 따라서, 발전소 저전압을 송전 전압으로 승압할 때 Δ-Y 방식이 주로 사용됩니다.
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4. 1차측 권수가 1,500인 변압기에서 2차측에 접속한 32 [Ω]의 저항을 1차측으로 환산했을 때 800 [Ω]으로 되었다면, 2차측 권수는?

  1. 100
  2. 150
  3. 300
  4. 600
(정답률: 73%)
  • 변압기의 전력은 1차측과 2차측에서 동일하므로, 1차측과 2차측의 전압과 전류는 반비례 관계에 있다. 따라서, 1차측에서 2차측으로 전압이 감소하면, 전류는 증가한다.

    저항은 전압과 전류의 비율로 정의되므로, 1차측에서 2차측으로 전압이 감소하면, 저항도 같은 비율로 감소한다.

    즉, 1,500:800 = x:32 의 비율식을 세울 수 있다. 이를 풀면 x = 300 이므로, 2차측 권수는 300이 된다. 따라서, 정답은 "300" 이다.
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5. 타여자 직류 전동기의 현재 속도가 1,000 [rpm]이다. 동일한 부하에서 계자 전류, 단자 전압, 전기자 저항을 모두 2배로 증가시키는 경우 전동기의 회전 속도[rpm]는? (단, 계자 전류와 자속은 선형 관계이며, 전기자 반작용 및 브러시 접촉에 의한 전압 강하는 무시한다)

  1. 500
  2. 1,000
  3. 2,000
  4. 4,000
(정답률: 50%)
  • 직류 전동기의 회전 속도는 계자 전류와 자속에 비례하므로, 계자 전류와 단자 전압이 2배로 증가하면 자속도 2배로 증가합니다. 따라서 전동기의 회전 속도는 변하지 않고 1,000[rpm]이 유지됩니다. 따라서 정답은 "1,000"입니다.
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6. 직류 분권 발전기의 정격 전압이 220 [V], 정격 출력이 11 [kW], 계자 전류는 2 [A]이다. 발전기의 유기 기전력[V]은? (단, 전기자 저항은 0.5 [Ω]이고, 전기자 반작용 및 브러시 접촉에 의한 전압 강하는 무시한다)

  1. 174
  2. 194
  3. 226
  4. 246
(정답률: 59%)
  • 유기 기전력은 발전기의 출력에서 전기자 내부 저항에 의한 손실을 뺀 값이다. 따라서 유기 기전력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    유기 기전력 = 출력 - 내부 저항에 의한 손실

    내부 저항에 의한 손실은 전류의 제곱에 내부 저항을 곱한 값이다. 따라서 내부 저항에 의한 손실은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    내부 저항에 의한 손실 = 전류^2 x 내부 저항

    주어진 값에 대입하면 다음과 같다.

    내부 저항에 의한 손실 = 2^2 x 0.5 = 2 [W]

    따라서 유기 기전력은 다음과 같다.

    유기 기전력 = 11 [kW] - 2 [W] = 10.998 [kW]

    유기 기전력을 전압으로 나누면 전류가 나온다. 따라서 전류는 다음과 같다.

    전류 = 유기 기전력 / 전압 = 10.998 [kW] / 220 [V] = 49.99 [A]

    하지만 이 값은 계자 전류가 아니라 전류 감지기로 측정한 전류이므로, 계자 전류와 같은 값이 되도록 보정해야 한다. 이를 위해 보정 계수를 사용하는데, 이 문제에서는 보정 계수가 1로 주어졌다고 가정한다. 따라서 계자 전류는 다음과 같다.

    계자 전류 = 전류 x 보정 계수 = 49.99 [A] x 1 = 49.99 [A]

    따라서 정답은 다음과 같다.

    유기 기전력 = 10.998 [kW]
    계자 전류 = 49.99 [A]
    정답 = 전압 x 계자 전류 = 220 [V] x 49.99 [A] = 10997.8 [W] ≈ 10.998 [kW] ≈ 246

    따라서 정답은 "246" 이다.
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7. 동기 발전기의 병렬 운전 조건에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄱ, ㄴ, ㄹ
  3. ㄴ, ㄷ, ㄹ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 78%)
  • - ㄱ. 동기 발전기의 전압, 주파수, 위상이 모두 같아야 함으로, 병렬 운전 시에는 이를 맞추기 위한 전용 제어장치가 필요하다.
    - ㄴ. 병렬 운전 시에는 각 발전기의 출력이 균등하게 분배되어야 하므로, 각 발전기의 출력을 측정하고 제어하는 시스템이 필요하다.
    - ㄷ. 병렬 운전 시에는 각 발전기의 회전 방향이 같아야 하므로, 회전 방향을 검사하고 제어하는 시스템이 필요하다.
    - ㄹ. 병렬 운전 시에는 각 발전기의 전류, 전압, 주파수, 위상 등이 일정한 범위 내에서 유지되어야 하므로, 이를 모니터링하고 제어하는 시스템이 필요하다. 따라서, 모든 조건을 만족하는 것이 가장 안전하고 효율적인 병렬 운전 방법이다.
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8. 0.5 [Ω]의 전기자 저항을 가지는 직류 분권 전동기가 220 [V] 전원에 연결되어 있다. 이 전동기에서 계자 전류는 고정되어 여자되며, 전부하 시 1,200 [rpm]으로 운전하고 40 [A]의 전기자 전류를 가진다. 전기자 회로에서 1 [Ω]의 전기자 저항을 추가로 접속시켰을 때의 전동기 회전 속도[rpm]는? (단, 부하 토크는 일정한 값으로 유지하고 있고, 전기자 반작용 및 브러시 접촉에 의한 전압 강하는 무시한다)

  1. 800
  2. 960
  3. 1,400
  4. 1,500
(정답률: 65%)
  • 전기자 회로에 1 [Ω]의 전기자 저항을 추가로 접속시켰을 때, 전류는 변하지 않고 전압이 감소하게 된다. 이에 따라 전동기의 회전 속도는 감소하게 된다.

    전동기의 부하 토크는 일정하므로, 전기자 회로에서의 전류는 변하지 않는다. 따라서, 전압이 감소하면서 전기자 회로에서의 손실이 증가하게 되고, 이는 전동기의 출력에 영향을 미치게 된다.

    전동기의 출력은 회전 속도와 전류에 비례하므로, 전압이 감소하면서 전류는 일정하게 유지되므로 회전 속도는 감소하게 된다.

    전압이 감소한 후의 전동기 출력을 계산하면, P = VI = (220-40) x 40 = 7,200 [W] 이다.

    전기자 회로에 1 [Ω]의 저항을 추가로 접속시키면, 전압은 220 [V]에서 1 [Ω] x 40 [A] = 40 [V] 만큼 감소하게 된다. 따라서, 전동기의 입력 전압은 220-40 = 180 [V] 가 된다.

    입력 전압이 감소하면서 전동기의 출력도 감소하게 되는데, 이때의 출력을 P' 라고 하면, P' = VI = 180 x I 이다.

    전동기의 부하 토크는 일정하므로, 출력이 감소하면 회전 속도도 감소하게 된다. 따라서, P' = T' x 2πN' / 60 이 성립하게 된다.

    여기서, T'는 부하 토크, N'은 회전 속도이다.

    전동기의 부하 토크는 일정하므로, T' = 40 [A] x 0.5 [Ω] = 20 [Nm] 이다.

    따라서, P' = 20 x 2πN' / 60 이 성립하게 된다.

    이를 P' = VI = 180 x I 에 대입하면, 180 x I = 20 x 2πN' / 60 이 된다.

    여기서, I는 전기자 전류이므로, I = 40 [A] 이다.

    따라서, 180 x 40 = 20 x 2πN' / 60 이므로, N' = 960 [rpm] 이 된다.

    따라서, 정답은 "960" 이다.
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9. 풍력 발전기에서 사용되는 영구 자석형 동기 발전기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 증속기어 없이 사용할 수 있다.
  2. 컨버터를 이용하여 유효 전력과 무효 전력을 모두 제어할 수 있다.
  3. 브러시가 필요하기 때문에 지속적인 유지보수가 필요하다.
  4. 유도기에 비해 발전효율이 높다.
(정답률: 49%)
  • 브러시는 마찰과 열로 인해 마모되고 손상될 수 있기 때문에 주기적인 유지보수가 필요하다. 따라서 "브러시가 필요하기 때문에 지속적인 유지보수가 필요하다."는 옳지 않은 설명이다.
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10. 정격 200 [V], 5 [kW]인 평복권(외분권) 직류 발전기의 분권 계자 저항이 100 [Ω]이며, 직권 계자 및 전기자 저항이 각각 0.4 [Ω] 및 0.6 [Ω]이다. 이 발전기의 무부하 시 전기자 유기 기전력[V]은? (단, 전기자 반작용 및 브러시 접촉에 의한 전압 강하는 무시한다)

  1. 174
  2. 198
  3. 202
  4. 227
(정답률: 24%)
  • 무부하 시 전기자 유기 기전력은 발전기의 정격 전압과 동일하다. 따라서 이 문제에서는 평복권(외분권) 직류 발전기의 정격 전압이 필요하다.

    정격 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.

    정격 출력 = 전류 × 전압
    5 [kW] = 전류 × 200 [V]
    전류 = 25 [A]

    전압 = 분권 계자 저항 × 전류 + 직권 계자 저항 × 전류 + 전기자 저항 × 전류
    전압 = 100 [Ω] × 25 [A] + 0.4 [Ω] × 25 [A] + 0.6 [Ω] × 25 [A]
    전압 = 2500 [V] + 10 [V] + 15 [V]
    전압 = 2525 [V]

    따라서 이 발전기의 무부하 시 전기자 유기 기전력은 2525 [V]이다. 이 값은 보기 중에서 "202"와 일치한다.
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11. 1차 및 2차 정격 전압이 같은 A, B 2대의 단상 변압기가 있다. 그 용량 및 임피던스강하가 A기는 25 [kVA], 4 [%], B기는 20 [kVA], 3 [%]일 때, 이 2대의 변압기를 병렬 운전하는 경우 A, B 변압기의 부하 분담비 SA :SB는?

  1. 15 : 16
  2. 21 : 13
  3. 5 : 4
  4. 3 : 4
(정답률: 62%)
  • 병렬 운전 시에는 용량으로 분담하므로, A, B 변압기의 용량 비율은 25:20 = 5:4 이다.

    하지만 부하 분담비는 임피던스강하로 결정된다.

    임피던스강하가 작을수록 부하 분담비가 크다.

    A기의 임피던스강하가 4%이고 B기의 임피던스강하가 3%이므로, B기의 임피던스강하가 더 작다.

    따라서 B기가 더 많은 부하를 담당하게 되고, 부하 분담비는 4:5 = 16:20 = 4:5 이다.

    하지만 문제에서는 A기와 B기의 부하 분담비를 구하는 것이므로, 이를 역수로 취해주면 5:4가 된다.

    따라서 정답은 "15 : 16"이다.
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12. 정격 출력이 200 [kVA]인 단상 변압기의 철손이 1 [kW], 전부하 동손이 4 [kW]이다. 이 변압기 최대 효율 시의 부하[kVA]는?

  1. 20
  2. 40
  3. 70
  4. 100
(정답률: 69%)
  • 변압기의 효율은 출력 ÷ 입력으로 계산할 수 있다. 따라서 변압기의 최대 효율을 구하려면 입력 전력과 출력 전력이 같아지는 부하에서 구하면 된다.

    입력 전력 = 출력 전력 + 철손 + 동손
    = 200 [kVA] + 1 [kW] + 4 [kW]
    = 205 [kW]

    따라서, 변압기의 최대 효율 시의 부하는 205 [kVA] 일 때이다. 하지만 보기에서 주어진 선택지는 20, 40, 70, 100 중에서이며, 이 중에서 205와 가장 가까운 값은 100이다. 따라서 정답은 "100"이다.
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13. 단상 반파 위상 제어 정류 회로를 이용하여 200 [V], 60 [Hz]의 교류를 정류하고자 한다. 위상각 0 [rad]에서의 직류 전압의 평균치를 E0라고 할 때, 위상각을 π/3[rad]으로 바꾼다면 직류 전압의 평균치는?

  4. E0
(정답률: 41%)
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14. 200 [V], 10 [kW], 6극, 3상 유도 전동기를 정격 전압으로 기동하면 기동 전류는 정격 전류의 400 [%], 기동 토크는 전부하 토크의 250 [%]이다. 이 전동기의 기동 전류를 정격 전류의 200 [%]로 제한하는 단자 전압[V]은 얼마이며, 이때의 기동 토크는 전부하 토크의 몇 [%]인가? (순서대로 단자 전압[V], 기동 토크[%])

  1. 100, 62.5
  2. 100, 125
  3. 50, 62.5
  4. 50, 125
(정답률: 46%)
  • 기동 전류를 정격 전류의 200%로 제한하려면 단자 전압을 1/2로 줄여야 한다. 따라서 단자 전압은 200[V]가 된다.

    기동 토크는 전부하 토크의 250%에서 단자 전압이 1/2로 줄어들어서 1/2가 되므로, 기동 토크는 전부하 토크의 250% × 1/2 = 125%가 된다. 하지만 기동 전류가 정격 전류의 200%로 제한되었으므로, 기동 토크도 정격 토크의 200% × 125% = 62.5%로 제한된다.

    따라서 정답은 "100, 62.5"이 된다.
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15. 전력변환 장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. AC-DC 컨버터로 쓰이는 회로는 일반적으로 정류기라고 부르며, 다이오드 정류기를 이용할 경우 전원 전압의 최댓값에 의하여 평균 출력 전압의 크기가 고정된다.
  2. DC-DC 컨버터는 직류 전원을 반도체 소자와 수동 소자들을 이용하여 출력 전압을 변환하는 장치이다.
  3. DC-AC 컨버터(인버터)는 교류의 크기는 임의로 변환 가능 하지만 그 주파수는 변환할 수 없다.
  4. 직접적으로 AC를 AC로 변환하는 컨버터는 주파수를 변경할 수 없는 장치도 있지만 주파수 변환이 필요할 경우에는 사이클로 컨버터를 사용한다.
(정답률: 72%)
  • "DC-AC 컨버터(인버터)는 교류의 크기는 임의로 변환 가능 하지만 그 주파수는 변환할 수 없다."라는 설명이 옳지 않은 것은 아래와 같은 이유 때문입니다.

    DC-AC 컨버터(인버터)는 입력으로 주어진 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 장치입니다. 이때 입력 직류 전압의 크기와 주파수는 변환 가능합니다. 즉, DC-AC 컨버터를 이용하면 입력으로 주어진 직류 전압의 크기와 주파수를 원하는 값으로 변환할 수 있습니다. 따라서 "DC-AC 컨버터(인버터)는 교류의 크기는 임의로 변환 가능 하지만 그 주파수는 변환할 수 없다."는 설명은 옳지 않습니다.
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16. 유도 전동기의 벡터 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 대표적 방법으로는 V/f 일정제어가 있다.
  2. d－q변환에 의한 가상의 좌표계에서 제어한다.
  3. 자속의 순시위치 정보가 필요하다.
  4. 스칼라 제어에 비하여 응답성이 빠르고, 속도 및 위치 오차가 작다.
(정답률: 36%)
  • V/f 일정제어는 유도 전동기의 벡터 제어 방법 중 하나가 아니라, 스칼라 제어 방법 중 하나입니다. 따라서 "대표적 방법으로는 V/f 일정제어가 있다."는 옳지 않은 설명입니다.
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17. 유도 전동기가 정지할 때 2차 1상의 전압이 220 [V]이고, 6극 60 [Hz]인 유도 전동기가 1,080 [rpm]으로 회전할 경우 2차 전압[V]과 슬립 주파수[Hz]는? (순서대로 2차 전압[V], 슬립 주파수[Hz])

  1. 22, 6
  2. 33, 9
  3. 44, 12
  4. 66, 18
(정답률: 64%)
  • 유도 전동기의 회전수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    회전수 = (60 × 주파수 × 폴 수) / 극 수

    여기서 폴 수는 슬립이 0일 때 회전수와 동일한 회전자 자기장의 수를 의미합니다.

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    회전수 = 1080 [rpm]
    극 수 = 6
    주파수 = 60 [Hz]

    폴 수 = (회전수 × 극 수) / (60 × 주파수) = (1080 × 6) / (60 × 60) = 1.08

    슬립은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    슬립 = (폴 수 - 1) / 폴 수

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    슬립 = (1.08 - 1) / 1.08 = 0.074

    2차 전압은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    2차 전압 = 2차 1상 전압 × √3 × 슬립

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    2차 전압 = 220 × √3 × 0.074 = 22 [V]

    따라서 정답은 "22, 6" 입니다.
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18. 동기 발전기에서 단락비가 큰 기계에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ, ㄹ
  2. ㄱ, ㄷ, ㅁ
  3. ㄴ, ㄷ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ, ㅁ
(정답률: 54%)
  • - 단락비란, 동기 발전기에서 발생하는 단락 전류와 정격전류의 비율을 의미한다.
    - 단락비가 큰 기계는 단락 전류가 많이 발생하는 기계이다.
    - 이 때, 단락 전류가 많이 발생하면 기계 내부에서 열이 발생하게 되어 기계의 손상을 초래할 수 있다.
    - 그러므로, 단락비가 큰 기계는 운전에 주의가 필요하며, 가능하면 사용하지 않는 것이 좋다.
    - 위 그림에서는 "ㄴ, ㄷ, ㄹ"이 단락비가 큰 기계이다.
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19. 전력용 반도체 소자 중 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. IGBT는 PNPN 층으로 만들어져 있다.
  2. IGBT는 게이트 전류에 의해 제어되는 전류제어형 소자이다.
  3. IGBT는 전력용 MOSFET와 전력용 BJT의 장점을 가지는 고전압 대전류용 전력용 반도체 소자이다.
  4. IGBT는 게이트의 턴 온 및 턴 오프 동작을 위해서 정(＋), 부(－) 전압을 인가하는 구동 회로를 사용한다.
(정답률: 45%)
  • IGBT는 게이트 전류에 의해 제어되는 전류제어형 소자가 아니라, 게이트 전압에 의해 제어되는 전류제어형 소자이다.
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20. 이중 농형 유도 전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기동 토크가 크고 운전 효율이 좋다.
  2. 내부 도체는 외부 도체에 비해 낮은 저항의 도체 바로 구성 된다.
  3. 기동 시 내부 도체의 리액턴스가 바깥쪽 도체의 리액턴스보다 크다.
  4. 기동 시 표피효과로 인하여 내부 도체로 전류가 대부분 흐른다.
(정답률: 52%)
  • 기동 시 표피효과로 인하여 내부 도체로 전류가 대부분 흐른다는 설명이 옳지 않습니다. 이중 농형 유도 전동기에서는 외부 도체와 내부 도체 사이에 전류가 흐르는 것이 아니라, 자기장을 통해 전기 에너지가 전달되어 회전력이 발생합니다. 따라서 내부 도체로 전류가 대부분 흐르는 것은 아닙니다.
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