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

9급 국가직 공무원 전기기기 2019-04-06 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2019-04-06 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 57%)
  • 동기 발전기가 인덕턴스(L) 부하로 운전될 때, 전기자 전류는 유도 기전력보다 위상이 뒤지게 되며 이는 주자속을 감소시키는 감자 작용을 일으킵니다. 증자 및 감자 작용은 자속의 크기만 변화시키는 직축 반작용에 해당합니다.


    오답 노트
    유도 기전력보다 $\pi/2\text{ rad}$만큼 앞선 전류: 진상 전류(C 부하)일 때 발생함
    교차 자화 작용: 동상 부하(R 부하)일 때 발생함
    증자 작용: 동기 전동기가 L 부하로 운전될 때 발생함
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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: 88%)
  • 단상 유도 전동기는 스스로 기동할 수 없는 특성이 있어 세이딩 코일형, 분상 기동형, 콘덴서 기동형 등의 기동 장치가 필요합니다. 반면 $Y-\Delta$ 기동형은 3상 유도 전동기의 기동 전류를 줄이기 위해 사용하는 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: 58%)
  • $\Delta-Y$ 결선은 1차측 $\Delta$ 결선에서 3고조파 전류가 순환하여 외부로 유출되지 않으므로 기전력이 정현파가 되며, 유도 장애가 적어 발전소의 저전압을 송전 전압으로 승압할 때 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: 74%)
  • 변압기의 임피던스 환산 공식에 따라 2차측 저항을 1차측으로 환산하면 권수비의 제곱에 비례하여 증가합니다.
    ① [기본 공식] $R_1 = a^2 R_2 = (\frac{N_1}{N_2})^2 R_2$
    ② [숫자 대입] $800 = (\frac{1,500}{N_2})^2 \times 32$
    ③ [최종 결과] $N_2 = 300$
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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: 57%)
  • 전동기의 회전 속도는 단자 전압에 비례하고 자속에 반비례합니다. 부하가 동일할 때, 단자 전압이 2배가 되면 속도는 2배 증가하지만, 계자 전류가 2배가 되어 자속이 2배로 증가하면 속도는 다시 1/2배가 되어 결과적으로 속도는 변하지 않습니다.
    ① [기본 공식] $N = \frac{V - I a R_a}{k \Phi}$
    ② [숫자 대입] $N' = \frac{2V - (2I a)(2R_a)}{k(2\Phi)} = \frac{2(V - 2I a R_a)}{2k\Phi} \approx \frac{2V}{2k\Phi}$
    ③ [최종 결과] $N' = 1,000 \text{ rpm}$
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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: 67%)
  • 발전기의 유기 기전력은 단자 전압에 전기자 저항에 의한 전압 강하를 더한 값으로 계산합니다. 먼저 출력과 전압을 통해 전기자 전류를 구해야 합니다.
    ① [기본 공식] $E = V + I_a R_a$
    ② [숫자 대입] $E = 220 + (\frac{11000}{220} + 2) \times 0.5$
    ③ [최종 결과] $E = 246$
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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: 80%)
  • 동기 발전기를 병렬 운전하기 위해서는 두 발전기 사이의 전위차가 없어야 하므로 기전력의 크기, 위상, 파형, 주파수가 모두 일치해야 합니다.
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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: 66%)
  • 부하 토크가 일정할 때 회전 속도는 역기전력에 비례하며, 역기전력은 단자 전압에서 전기자 저항에 의한 전압 강하를 뺀 값과 같습니다. 저항이 추가되면 전압 강하가 커져 역기전력이 감소하고 속도가 줄어듭니다.
    ① [기본 공식] $N_2 = N_1 \times \frac{V - I_2 R_{a2}}{V - I_1 R_{a1}}$
    ② [숫자 대입] $N_2 = 1200 \times \frac{220 - 40 \times (0.5 + 1)}{220 - 40 \times 0.5}$
    ③ [최종 결과] $N_2 = 960$
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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: 58%)
  • 영구자석형 동기 발전기는 회전자에 영구자석을 사용하여 자속을 생성하므로, 별도의 여자 전류를 공급하기 위한 브러시와 슬립링이 필요 없습니다. 따라서 브러시가 필요 없으므로 유지보수가 매우 간편한 구조입니다.
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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: 28%)
  • 외분권 발전기의 무부하 시에는 전기자 전류가 0이 되며, 분권 계자 전류가 전기자 회로에 흐르게 됩니다. 이때 유기 기전력은 단자 전압에 전압 강하분을 더해 계산합니다.
    먼저 분권 계자 전류 $I_{f}$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $I_{f} = \frac{V}{R_{f}}$
    ② [숫자 대입] $I_{f} = \frac{200}{100}$
    ③ [최종 결과] $I_{f} = 2\text{ A}$
    이제 무부하 시 유기 기전력 $E$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $E = V + I_{f}(R_{a} + R_{s})$
    ② [숫자 대입] $E = 200 + 2(0.6 + 0.4)$
    ③ [최종 결과] $E = 202\text{ V}$
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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: 67%)
  • 변압기 병렬 운전 시 부하 분담은 각 변압기의 용량에 비례하고 퍼센트 임피던스에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $S_{A} : S_{B} = \frac{P_{A}}{\%Z_{A}} : \frac{P_{B}}{\%Z_{B}}$
    ② [숫자 대입] $S_{A} : S_{B} = \frac{25}{4} : \frac{20}{3}$
    ③ [최종 결과] $S_{A} : S_{B} = 15 : 16$
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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: 73%)
  • 변압기의 최대 효율은 철손과 동손이 같을 때 발생합니다. 부하율 $m$에 따른 최대 효율 부하를 구하는 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $P_{out} = P_{n} \times \frac{\sqrt{P_{i}}}{\sqrt{P_{cu}}}$
    ② [숫자 대입] $P_{out} = 200 \times \frac{\sqrt{1}}{\sqrt{4}}$
    ③ [최종 결과] $P_{out} = 100\text{ kVA}$
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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: 48%)
  • 단상 반파 위상 제어 정류 회로의 평균 전압 $E_{\alpha}$는 제어각 $\alpha$에 따라 $E_{\alpha} = E_0(1 + \frac{\alpha}{\pi})$가 아니라, 적분식 $\frac{E_{max}}{2\pi}(\pi - \alpha)$ 형태를 가집니다. $\alpha=0$일 때 $E_0 = \frac{E_{max}}{2}$, $\alpha=\pi/3$일 때 $E = \frac{E_{max}}{2\pi}(\pi - \frac{\pi}{3}) = \frac{E_{max}}{2\pi} \cdot \frac{2\pi}{3} = \frac{E_{max}}{3}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $E = E_0 \times \frac{\pi - \alpha}{\pi}$
    ② [숫자 대입] $E = E_0 \times \frac{\pi - \pi/3}{\pi} = E_0 \times \frac{2/3\pi}{\pi}$
    ③ [최종 결과] (계산 결과 $\frac{2}{3}E_0$이나, 제시된 정답 이미지 $\frac{3}{4}E_0$는 문제의 특정 조건이나 다른 공식 적용 결과로 판단됨)
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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: 52%)
  • 유도 전동기의 기동 전류는 단자 전압에 비례하고, 기동 토크는 단자 전압의 제곱에 비례하는 원리를 이용합니다.
    먼저 기동 전류를 400%에서 200%로 줄이기 위한 전압을 구합니다.
    ① [기본 공식] $V_{new} = V_{old} \times \frac{I_{new}}{I_{old}}$
    ② [숫자 대입] $V_{new} = 200 \times \frac{200}{400}$
    ③ [최종 결과] $V_{new} = 100\text{ V}$
    다음으로 전압 변화에 따른 기동 토크의 변화를 구합니다.
    ① [기본 공식] $T_{new} = T_{old} \times (\frac{V_{new}}{V_{old}})^2$
    ② [숫자 대입] $T_{new} = 250 \times (\frac{100}{200})^2$
    ③ [최종 결과] $T_{new} = 62.5\%$
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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: 74%)
  • DC-AC 컨버터인 인버터는 출력 전압의 크기뿐만 아니라 주파수까지 임의로 조절할 수 있는 장치입니다.

    오답 노트
    다이오드 정류기: 제어 불가능한 소자로 전원 전압 최댓값에 의해 출력 전압이 결정됨
    DC-DC 컨버터: 직류 전압의 크기와 극성 변환 가능
    사이클로 컨버터: AC를 AC로 변환하며 주파수 변경 가능
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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: 43%)
  • 벡터 제어는 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리하여 제어하는 고성능 제어 방식이며, V/f 일정제어는 전압과 주파수를 동시에 조절하는 대표적인 스칼라 제어 방식입니다.

    오답 노트
    대표적 방법으로는 V/f 일정제어가 있다: V/f 제어는 스칼라 제어의 대표적 방법임
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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: 72%)
  • 슬립 $s$를 먼저 구한 뒤, 2차 전압은 정지 시 전압에 슬립을 곱하고, 슬립 주파수는 전원 주파수에 슬립을 곱하여 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$s = \frac{N_s - N}{N_s}$$
    $$V_2 = s \times V_{20}$$
    $$f_2 = s \times f$$
    ② [숫자 대입]
    $$N_s = \frac{120 \times 60}{6} = 1200$$
    $$s = \frac{1200 - 1080}{1200} = 0.1$$
    $$V_2 = 0.1 \times 220$$
    $$f_2 = 0.1 \times 60$$
    ③ [최종 결과]
    $$V_2 = 22$$
    $$f_2 = 6$$
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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: 60%)
  • 단락비가 큰 기계는 철심이 크고 튼튼하여 전압변동률과 전기자 반작용이 작아 안정도가 높지만, 철손이 증가하여 효율은 떨어지는 특성을 가집니다.

    오답 노트
    동기 임피던스가 크다: 단락비가 크면 동기 임피던스는 작아짐
    전기자 반작용에 의한 영향이 적게 된다: 이는 단락비가 클 때의 특징이므로 옳은 설명이나, 정답 조합인 ㄴ, ㄷ, ㄹ에 포함되지 않음
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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: 54%)
  • IGBT는 게이트와 에미터 사이의 전압으로 컬렉터 전류를 제어하는 전압제어형 소자입니다. 따라서 게이트 전류에 의해 제어되는 전류제어형 소자라는 설명은 틀린 내용입니다.
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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: 56%)
  • 이중 농형 유도 전동기는 기동 시 1차측과 2차측의 주파수가 거의 같으므로 표피효과가 발생하지 않습니다. 따라서 전류는 리액턴스가 작은 외부 도체로 주로 흐르게 됩니다.

    오답 노트
    내부 도체는 외부 도체보다 저항이 낮게 설계됨: 맞음
    기동 시 내부 도체 리액턴스가 더 큼: 맞음
    기동 토크가 크고 운전 효율이 좋음: 맞음
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