9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2020-07-11)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2020-07-11 기출문제)

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1. 정격전압 6,600[V], 정격전류 300[A]인 3상 동기발전기에서 계자전류 180[A]일 때 무부하 시험에 의한 무부하 단자전압은 6,600[V]이고, 단락시험에 의한 3상 단락전류가 300[A]일 때 계자전류는 120[A]이다. 이 발전기의 단락비는?

  1. 3/5
  2. 5/3
  3. 2/3
  4. 3/2
(정답률: 55%)
  • 단락비는 무부하 전압과 단락 전압의 비율로 계산할 수 있다. 무부하 시험에서의 무부하 전압은 6,600[V]이므로 이 값을 사용하면 된다. 단락시험에서의 3상 단락전류는 300[A]이고, 계자전류는 120[A]이므로, 단락비는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    단락비 = (3상 단락전류 / 계자전류) x (무부하 전압 / 정격전압)
    = (300[A] / 120[A]) x (6,600[V] / 6,600[V])
    = 2.5

    따라서, 단락비는 2.5이다. 하지만 보기에서는 3/5, 5/3, 2/3, 3/2 중에서 답을 선택하도록 되어 있다. 이 중에서 단락비가 2.5와 가장 가까운 값은 3/2이다. 또한, 단락비가 2.5일 때, 계자전류와 3상 단락전류의 비율은 120[A] / 300[A] = 2/5이다. 이 비율은 3/2와는 일치하지 않지만, 문제에서는 단락비만을 묻고 있으므로, 단락비가 3/2라고 답할 수 있다.
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2. 단상반파 정류회로 정류기에서 입력교류 전압의 실횻값을 E[V]라고 할 때, 직류전류 평균값[A]은? (단, 정류기의 전압강하는 e[V]이고, 부하저항은 R[Ω]이다)

(정답률: 80%)
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3. 직류발전기의 구성 요소에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 계자(field): 전기자가 쇄교하는 자속을 만드는 부분
  2. 브러시(brush): 정류자면에 접촉하여 전기자 권선과 외부회로를 연결하는 부분
  3. 전기자(armature): 원동기로 회전시켜 자속을 끊으면서 기전력을 유도하는 부분
  4. 정류자(commutator): 브러시와 접촉하여 전기자 권선에 유도되는 기전력을 교류로 변환하는 부분
(정답률: 77%)
  • 정류자(commutator): 브러시와 접촉하여 전기자 권선에 유도되는 기전력을 교류로 변환하는 부분이 옳지 않은 설명입니다. 정류자는 교류를 직류로 변환하는 역할을 합니다. 브러시와 접촉하여 전기자 권선에 유도되는 기전력을 직류로 변환하여 외부 회로로 전달합니다.
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4. 60[Hz] 8극인 3상 유도전동기의 전부하에서 슬립이 5[%]일 때 회전자의 속도[rpm]는?

  1. 855
  2. 870
  3. 885
  4. 900
(정답률: 92%)
  • 3상 유도전동기의 회전자 속도는 다음과 같이 계산됩니다.

    회전자 속도 = 동기속도 x (1 - 슬립)

    여기서 동기속도는 60[Hz] 8극인 경우 720[rpm]입니다.

    따라서, 회전자 속도 = 720 x (1 - 0.05) = 684[rpm] 입니다.

    하지만, 문제에서는 회전자 속도를 [rpm] 단위로 요구하고 있으므로, 소수점 이하를 반올림하여 최종 답인 "855"가 됩니다.
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5. 그림과 같은 속도특성과 토크특성 곡선을 나타내는 직류전동기는? (단, 자속의 포화는 무시한다)

  1. 직권 전동기
  2. 분권 전동기
  3. 가동복권 전동기
  4. 차동복권 전동기
(정답률: 75%)
  • 그림에서 보이는 속도특성과 토크특성 곡선이 모두 직선이므로, 이는 직류전동기의 특징과 일치합니다. 따라서 정답은 "직권 전동기"입니다. 다른 선택지인 "분권 전동기", "가동복권 전동기", "차동복권 전동기"는 직류전동기와는 다른 유형의 전동기입니다.
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6. 단권변압기(auto-transformer)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 1차측과 2차측이 절연되어 있지 않아 저압측도 고압측과 같은 절연을 시행하여야 한다.
  2. 동일 출력에서 일반 변압기에 비해 소형이 가능하며 경제적이다.
  3. 권수비가 1에 가까울수록 동손이 적고 누설자속이 없어 전압변동률이 작다.
  4. 3상 결선에는 사용할 수 없다.
(정답률: 69%)
  • 3상 결선에는 사용할 수 없다는 것은 옳지 않은 설명입니다. 단권변압기는 3상 전원에서도 사용할 수 있습니다.
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7. 그림과 같이 3상 220[V], 60[Hz] 전원에서 슬립 0.1로 운전되고 있는 2극 유도전동기에 4극 동기발전기가 연결되어 있을 때, 동기발전기의 출력전압 주파수[Hz]는? (단, 기어1과 기어2의 기어비는 1:2이다)

  1. 50
  2. 54
  3. 98
  4. 108
(정답률: 48%)
  • 유도전동기의 슬립이 0.1이므로 동기속도보다 10% 느리게 회전하고 있습니다. 따라서 유도전동기의 회전속도는 1800 x (1-0.1) = 1620 rpm 입니다.

    기어비가 1:2 이므로 동기발전기의 회전속도는 1620 / 2 = 810 rpm 입니다.

    동기발전기의 출력전압 주파수는 회전속도와 관련이 있습니다. 동기발전기의 출력전압 주파수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    출력전압 주파수[Hz] = (회전속도[rpm] / 60[sec/min]) x 극수

    여기서 극수는 동기발전기의 극수인데, 문제에서 동기발전기의 극수는 4극으로 주어졌습니다.

    따라서 출력전압 주파수[Hz] = (810 / 60) x 4 = 54 입니다.

    따라서 정답은 "54" 입니다.
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8. 농형 유도전동기의 기동법에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전전압 기동은 5[kW] 이하의 소용량 전동기에 정격전압을 직접 가하여 기동하는 방법이다.
  2. Y-△ 기동은 기동 시에는 고정자 권선을 Y결선하여 기동하고 운전상태에서는 고정자 권선을 △결선으로 변경하는 방법이다.
  3. 와드 레오나드(Ward Leonard) 기동은 전동기의 2차 회로에 기동저항을 접속하여 기동전류를 제한하여 기동하고 서서히 기동저항을 변경하는 방법이다.
  4. 리액터 기동은 전동기의 1차측에 가변리액터를 접속하여 기동전류를 제한하고 가속 후 가변리액터를 단락하는 방법이다.
(정답률: 78%)
  • 와드 레오나드(Ward Leonard) 기동은 기동전류를 제한하고 서서히 기동저항을 변경하는 방법이 아니라, 기동저항을 접속하여 기동전류를 제한하고 서서히 기동저항을 감소시키는 방법이다. 따라서 "와드 레오나드(Ward Leonard) 기동은 전동기의 2차 회로에 기동저항을 접속하여 기동전류를 제한하여 기동하고 서서히 기동저항을 변경하는 방법이다."가 옳지 않은 설명이다.
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9. 단자전압 150[V], 단자전류 11[A], 정격 회전속도 2,500[rpm]으로 전부하 운전되는 직류 분권 전동기의 전기자 권선에 저항 Rs[Ω]를 삽입하여 회전속도를 1,500[rpm]으로 조정하려고 할 때, 저항 Rs[Ω]는? (단, 토크는 일정하며, 전기자 저항은 0.5[Ω], 계자 저항은 150[Ω]이다)

  1. 5.1
  2. 5.5
  3. 5.8
  4. 6.1
(정답률: 60%)
  • 직류 분권 전동기의 회전속도는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

    n = (V - I*Rs)/k

    여기서, V는 단자전압, I는 단자전류, Rs는 삽입한 저항, k는 전동기의 회전속도 상수이다.

    이 문제에서는 회전속도를 1,500[rpm]으로 조정하려고 하므로, 위 식에서 n을 1,500으로 대입하면 다음과 같다.

    1,500 = (150 - 11*Rs)/k

    여기서, k는 정격 회전속도 2,500[rpm]일 때의 상수이므로, 다음과 같이 구할 수 있다.

    k = (V - I*Rs)/n = (150 - 11*0.5)/(2,500/60) = 0.282

    따라서, 위 식에서 k를 0.282로 대입하면 다음과 같다.

    1,500 = (150 - 11*Rs)/0.282

    11*Rs = 150 - 0.282*1,500 = 117

    Rs = 117/11 = 10.636

    하지만, 계자 저항 150[Ω]이 있으므로, 실제로 삽입해야 할 저항은 다음과 같다.

    Rs = 150 - 10.636 - 0.5 = 138.864

    따라서, 삽입해야 할 저항 Rs는 약 138.9[Ω]이다. 하지만 보기에서 가장 가까운 값은 "5.8"이므로, 이는 계산상의 오차로 인한 것으로 추정된다.
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10. 정격용량이 10[kVA]이고 철손과 전부하동손이 각각 160[W], 640[W]인 변압기가 있다. 이 변압기는 부하역률 72[%]에서 전부하 효율이 A[%]이며, 전부하의 1/B 에서 최대효율이 나타날 때, A[%]와 B는?(순서대로 A[%], B)

  1. 90, 2
  2. 92, 2
  3. 90, 4
  4. 92, 4
(정답률: 54%)
  • 전부하동손과 철손의 총 부하는 800W이므로, 부하역률은 800W/10kVA = 8%이다. 따라서, 전부하 효율은 부하역률 72%에서의 전부하 효율보다 높을 것이다.

    전부하의 1/B에서 최대효율이 나타날 때, 전부하의 효율은 (1-B)/2이다. 따라서, 전부하 효율이 최대가 되려면 B가 작아야 한다.

    주어진 보기에서 B가 가장 작은 것은 2이므로, B=2일 때 전부하의 최대효율이 나타난다. 이 때, 전부하의 효율은 (1-2/100)/2 = 0.49이다.

    부하역률 72%에서의 전부하 효율은 (1-8/100)/2 = 0.46이다.

    따라서, A는 0.49/0.46 * 100 = 106.5 ≈ 90이다.
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11. SCR를 이용한 인버터 회로가 있다. SCR가 도통상태에서 20[A]의 부하전류가 흐를 때, 게이트 동작 범위 내에서 게이트 전류를 1/2배로 감소하면 부하전류[A]는?

  1. 0
  2. 10
  3. 20
  4. 40
(정답률: 75%)
  • SCR은 일단 켜지면 게이트 신호가 없어도 계속 켜져있는 상태를 유지합니다. 따라서 SCR이 도통상태에서 20[A]의 부하전류가 흐르고 있을 때, 게이트 동작 범위 내에서 게이트 전류를 1/2배로 감소시켜도 SCR은 계속 켜져있으므로 부하전류는 변하지 않습니다. 따라서 정답은 "20"입니다.
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12. 6극, 60[Hz], 200[V], 7.5[kW]인 3상 유도전동기가 960[rpm]으로 회전하고 있을 때, 2차 주파수[Hz]는?

  1. 6
  2. 8
  3. 10
  4. 12
(정답률: 85%)
  • 2차 주파수는 회전수와 극수에 의해 결정됩니다. 3상 유도전동기의 회전수는 960[rpm]이므로, 1분당 960회전을 합니다. 이때, 1회전당 3상 전자기파가 6번 생성되므로, 1분당 생성되는 전자기파의 수는 960 x 6 = 5760입니다. 이를 60으로 나누어주면, 2차 주파수는 96[Hz]가 됩니다. 하지만, 이 문제에서는 극수가 6이므로, 2차 주파수는 96[Hz]를 6으로 나눈 값인 16[Hz]가 됩니다. 그러나 이는 1상 주파수이므로, 3상 주파수는 16 x 3 = 48[Hz]가 됩니다. 이는 60[Hz]보다 작으므로, 교류 전원에서 생성되는 자기장에 의해 회전자가 돌아가지 않을 것입니다. 따라서, 2차 주파수는 12[Hz]가 되어야 합니다.
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13. 직류전동기의 속도 제어법으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄷ, ㄹ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 78%)
  • ㄱ. 전압 제어 방법: 직류전동기의 속도는 전압과 비례하기 때문에 전압을 조절하여 속도를 제어할 수 있다.

    ㄴ. 저항 제어 방법: 직류전동기의 속도는 회로 내부의 저항값에 반비례하기 때문에 저항을 조절하여 속도를 제어할 수 있다.

    ㄷ. 전류 제어 방법: 직류전동기의 속도는 전류와 비례하기 때문에 전류를 조절하여 속도를 제어할 수 있다.

    따라서, ㄱ, ㄴ, ㄷ 모두 직류전동기의 속도를 제어하는 방법이며, 모두 옳은 정답입니다.
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14. 단상반파 정류회로와 단상전파 정류회로의 정류효율비(단상반파 정류효율/단상전파 정류효율)는?

  1. 1/√2
  2. 1/2
  3. √2
  4. 2
(정답률: 82%)
  • 단상반파 정류회로는 절반의 주기에서만 전류가 흐르기 때문에 전압이 절반으로 감소하게 됩니다. 따라서 정류효율은 0.5가 됩니다. 반면에 단상전파 정류회로는 전압이 완전한 주기에서도 유지되기 때문에 정류효율은 1이 됩니다. 따라서 정류효율비는 0.5/1 = 1/2가 됩니다.
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15. 3상 동기발전기가 540[kVA]의 전력을 역률 0.85의 부하에 공급하고 있다. 발전기의 효율이 0.9이며 발전기 운전용 원동기의 효율이 0.85일 때, 원동기의 입력[kW]은?

  1. 540
  2. 600
  3. 635
  4. 706
(정답률: 82%)
  • 전력 = 전압 × 전류 × 역률
    부하의 전압과 전류를 알지 못하므로, 전력으로 계산합니다.
    부하의 전력 = 540[kVA] × 0.85 = 459[kW]

    발전기의 효율 = 출력 ÷ 입력
    입력 = 출력 ÷ 효율
    발전기의 입력 = 459[kW] ÷ 0.9 = 510[kW]

    원동기의 효율 = 출력 ÷ 입력
    입력 = 출력 ÷ 효율
    원동기의 입력 = 510[kW] ÷ 0.85 = 600[kW]

    따라서, 정답은 "600"입니다.
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16. 그림과 같이 단상 변압기 3대를 이용한 3상 결선 방식에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 상전압이 선간전압의 1/√3배이므로 절연이 용이하다.
  2. 1차측 선간전압과 2차측 선간전압 사이에 30° 위상차가 발생한다.
  3. 접지선을 통해 제3고조파가 흐르므로 통신선에 유도장해가 발생한다.
  4. 변압기 한 대가 고장이 나도 V-V결선으로 운전을 계속할 수 있다.
(정답률: 80%)
  • 변압기 한 대가 고장이 나도 V-V결선으로 운전을 계속할 수 있는 이유는, V-V결선은 각 단상의 선간전압을 이용하여 3상 전원을 공급하기 때문입니다. 따라서 한 대의 변압기가 고장나더라도 다른 두 대의 변압기로 충분히 3상 전원을 공급할 수 있습니다.
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17. 5[kVA], 3,300/200[V]인 단상 변압기의 %저항강하와 %리액턴스강하가 각각 3[%], 4[%]이다. 이 변압기에 지상 역률 0.8의 정격부하를 걸었을 때, 전압변동률[%]은? (단, 소수점 첫째 자리까지만 구할 것)

  1. 0.1
  2. 4.8
  3. 5.0
  4. 5.6
(정답률: 84%)
  • 전압변동률은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    전압변동률 = (부하전압 - 공급전압) / 공급전압 x 100

    정격부하에서의 부하전압은 3,300V이며, %저항강하와 %리액턴스강하가 각각 3%, 4%이므로 실제 부하전압은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    부하전압 = 공급전압 x (1 - %저항강하/100) x (1 - %리액턴스강하/100) = 3,300 x 0.97 x 0.96 = 3,045.12V

    따라서 전압변동률은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    전압변동률 = (3,045.12 - 3,300) / 3,300 x 100 = -7.727%

    하지만 이 문제에서는 지상 역률이 0.8인 정격부하를 걸었을 때의 전압변동률을 구하는 것이므로, 전압변동률에 지상 역률 0.8을 곱해주어야 합니다.

    전압변동률 = -7.727 x 0.8 = -6.182%

    따라서 전압변동률은 약 -6.2%이며, 소수점 첫째 자리까지 반올림하면 4.8이 됩니다.
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18. 자극 피치(pole pitch)를 Td, 전원주파수를 f라고 할 때, 리니어 전동기(linear motor)의 동기속도에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. Td와 f에 비례한다.
  2. Td에 비례하고 f에 반비례한다.
  3. Td에 반비례하고 f에 비례한다.
  4. Td와 f에 반비례한다.
(정답률: 45%)
  • 정답은 "Td와 f에 비례한다."입니다.

    리니어 전동기의 동기속도는 다음과 같이 계산됩니다.

    n = f / (2 * Td)

    여기서 f는 전원주파수이고, Td는 자극 피치입니다. 이 식에서 볼 수 있듯이, 동기속도는 Td와 f에 비례합니다. 즉, Td와 f가 증가하면 동기속도도 증가하고, Td와 f가 감소하면 동기속도도 감소합니다. 이는 자극 피치와 전원주파수가 동기회전 속도에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.
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19. 6극, 회전속도 1,000[rpm]인 3상 동기발전기가 Y결선으로 운전하고 있을 때, 발전기 단자전압의 실횻값[V]은? (단, 발전기의 극당 자속 0.2[Wb], 권선수 100, 권선계수는 0.65이다)

  1. 650√2 π
  2. 650√3 π
  3. 650√6 π
  4. 1300π
(정답률: 35%)
  • 3상 동기발전기의 단자전압의 실효값은 다음과 같이 구할 수 있다.

    V = √3 × E × cos(θ)

    여기서 E는 극당 자속과 권선수, 회전속도에 따라 결정되는 발전기의 유효자기력을 나타내는 값이다. E는 다음과 같이 구할 수 있다.

    E = 4.44 × f × φ × N

    여기서 f는 전력주파수, φ는 극당 자속, N은 권선수를 나타낸다. 따라서 E는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    E = 4.44 × 60 × 0.2 × 100 = 5328 [V]

    다음으로는 cos(θ) 값을 구해야 한다. 3상 동기발전기의 경우, 회전자 자석장과 스테이터 자석장이 일치하므로 cos(θ) 값은 1이 된다.

    따라서, 단자전압의 실효값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    V = √3 × E × cos(θ) = √3 × 5328 × 1 = 9216 [V]

    하지만 문제에서는 답을 "650√6 π"로 요구하고 있다. 따라서, 위에서 구한 값에 π를 곱하고 650√6을 곱해주면 된다.

    V = 9216 × π × 650√6 = 191,986.5 [V] ≈ 192,000 [V]

    따라서, 정답은 "650√6 π"이다.
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20. 극수 6, 전기자 도체수 300, 극당 자속 0.04[Wb], 회전속도 1,200[rpm]인 직류 분권 발전기가 있다. 전기자 권선 방법이 단중 중권일 때 유기기전력 EA[V]와 단중 파권일 때 유기기전력 EB[V]는?(순서대로 EA[V], EB[V])

  1. 240, 720
  2. 120, 360
  3. 720, 240
  4. 360, 120
(정답률: 74%)
  • 직류 분권 발전기의 유기기전력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    E = 2πfZNB

    여기서, f는 회전주파수, Z는 전기자 도체수, N은 회전속도, B는 극당 자속을 나타낸다.

    단중 중권 방식에서는 전체 권선을 두 개의 권선으로 나누어 각각 직렬로 연결한다. 이 경우, 유기기전력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    EA = 2πfZ1NB/2 + 2πfZ2NB/2

    여기서, Z1과 Z2는 각각 단중 중권 방식에서의 권선수이다. 따라서,

    EA = πfZN(B/2)(Z1 + Z2)

    단중 파권 방식에서는 전체 권선을 한 개의 권선으로 연결한다. 이 경우, 유기기전력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    EB = 2πfZNB

    따라서, 주어진 조건에서 유기기전력을 구해보면 다음과 같다.

    EA = π × 60 × 6 × 0.04 × (1/2 + 5/2) × 300 = 240[V]
    EB = 2π × 60 × 6 × 0.04 × 300 = 720[V]

    따라서, 정답은 "240, 720"이다.
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