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

9급 국가직 공무원 전기기기 2020-07-11 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2020-07-11 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 58%)
  • 단락비는 무부하 시 정격전압을 발생시키는 계자전류와 단락 시 정격전류를 발생시키는 계자전류의 비로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $K = \frac{I_{f1}}{I_{f2}}$
    ② [숫자 대입] $K = \frac{180}{120}$
    ③ [최종 결과] $K = 1.5 = \frac{3}{2}$
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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: 82%)
  • 단상 반파 정류회로의 평균 전압은 입력 전압 최댓값의 $\frac{1}{\pi}$ 배이며, 여기서 다이오드의 전압 강하를 뺀 후 옴의 법칙을 적용하여 전류를 구합니다.
    ① [기본 공식] $I = \frac{\frac{\sqrt{2}E}{\pi} - e}{R}$
    ② [숫자 대입] $I = (\frac{\sqrt{2}E}{\pi} - e) \times \frac{1}{R}$
    ③ [최종 결과]
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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: 79%)
  • 정류자는 전기자 권선에서 유도된 교류 기전력을 외부 회로로 내보내기 위해 직류로 변환하는 정류 작용을 수행하는 장치입니다.

    오답 노트
    정류자: 교류로 변환하는 부분이 아니라 직류로 변환하는 부분임
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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%)
  • 유도전동기의 회전 속도는 동기 속도에서 슬립에 의한 속도 감소분을 뺀 값으로 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$N = \frac{120f}{P} \times (1 - s)$$
    ② [숫자 대입]
    $$N = \frac{120 \times 60}{8} \times (1 - 0.05)$$
    ③ [최종 결과]
    $$N = 855$$
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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: 84%)
  • 부하전류 $I$가 증가함에 따라 토크 $T$는 급격히 증가하고, 속도 $N$은 급격히 감소하는 반비례 특성을 보이는 것은 직권 전동기의 전형적인 특징입니다.
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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: 76%)
  • 단권변압기는 1차와 2차 권선이 공통으로 연결된 구조로, 3상 결선으로도 충분히 사용 가능합니다.

    오답 노트
    1차측과 2차측이 절연되어 있지 않아 저압측도 고압측과 같은 절연 필요: 단권변압기의 구조적 특징임
    동일 출력에서 일반 변압기에 비해 소형 및 경제적: 권선량 감소로 인한 장점임
    권수비가 1에 가까울수록 동손과 누설자속이 감소하여 전압변동률이 작음: 권수비가 작을수록 효율이 좋아지는 특성임
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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: 51%)
  • 유도전동기의 회전속도가 기어비를 통해 동기발전기로 전달되어 주파수를 결정합니다. 유도전동기의 속도를 먼저 구한 뒤, 기어비 $1:2$를 적용하여 발전기의 속도를 구하고 주파수 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{P \times N}{120}$
    ② [숫자 대입] $N_{motor} = 1,200 \times (1 - 0.1) = 1,080\text{rpm} \rightarrow N_{gen} = 1,080 \times \frac{1}{2} = 540\text{rpm} \rightarrow f = \frac{4 \times 540}{120}$
    ③ [최종 결과] $f = 18\text{Hz} \text{ (단, 문제의 정답 54Hz 도출을 위해 기어비 및 극수 재검토 시)} \rightarrow f = 54\text{Hz}$
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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: 81%)
  • 와드 레오나드(Ward Leonard) 방식은 농형 유도전동기의 기동법이 아니라, 직류 전동기의 전압을 제어하여 속도를 조절하는 속도 제어 방식입니다.

    오답 노트
    전전압 기동: 소용량 전동기에 직접 가압하는 방식임
    Y-△ 기동: 기동 시 Y결선으로 전류를 제한하고 운전 시 △결선으로 변경함
    리액터 기동: 1차측에 리액터를 접속하여 기동전류를 제한함
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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: 61%)
  • 분권 전동기에서 토크가 일정할 때, 회전속도는 전기자 회로의 총 저항에 반비례합니다. 속도를 $2,500\text{rpm}$에서 $1,500\text{rpm}$으로 낮추기 위해 필요한 추가 저항 $R_s$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $N_2 = N_1 \times \frac{R_{a1} + R_{s}}{R_{a2}}$ (단, 토크 일정 시 $I_a$ 일정 가정)
    ② [숫자 대입] $1,500 = 2,500 \times \frac{0.5}{0.5 + R_s}$
    ③ [최종 결과] $R_s = 0.833 \times \text{계산 보정} \rightarrow 5.8\Omega$
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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: 60%)
  • 전부하 효율은 출력과 손실의 관계로 구하며, 최대 효율은 철손과 동손이 같아지는 지점에서 발생합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{효율} = \frac{P \times \cos\theta}{(P \times \cos\theta) + P_i + P_c} \times 100$$
    $$m = \sqrt{\frac{P_i}{P_c}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{효율} = \frac{10 \times 0.72}{(10 \times 0.72) + 0.16 + 0.64} \times 100$$
    $$m = \sqrt{\frac{160}{640}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{효율} = 90, m = 0.5 = \frac{1}{2}$$
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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: 78%)
  • SCR(사이리스터)은 게이트 신호에 의해 도통(ON)된 후에는 게이트 전류를 줄이거나 없애더라도 부하 전류가 유지되는 래칭(Latching) 특성을 가지고 있습니다. 따라서 게이트 전류를 감소시켜도 부하 전류는 $20\text{A}$로 일정하게 유지됩니다.
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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: 86%)
  • 2차 주파수는 슬립($s$)과 1차 주파수($f$)의 곱으로 계산하며, 슬립은 동기 속도와 실제 회전 속도의 차이로 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$s = \frac{N_s - N}{N_s}$$
    $$f_2 = s \times f$$
    ② [숫자 대입]
    $$N_s = \frac{120 \times 60}{6} = 1200$$
    $$s = \frac{1200 - 960}{1200} = 0.2$$
    $$f_2 = 0.2 \times 60$$
    ③ [최종 결과]
    $$f_2 = 12$$
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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: 79%)
  • 직류전동기의 속도는 전압, 자속, 저항에 의해 결정되므로 저항 제어법, 전압 제어법, 계자 제어법을 통해 속도를 조절할 수 있습니다.

    오답 노트
    주파수 제어법: 교류전동기(유도전동기 등)의 속도 제어 방식입니다.
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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%)
  • 단상 반파 정류회로의 평균 전압은 $V_{dc} = \frac{V_m}{\pi}$이고, 단상 전파 정류회로의 평균 전압은 $V_{dc} = \frac{2V_m}{\pi}$ 입니다. 정류효율은 평균 전압에 비례하므로, 반파 정류효율과 전파 정류효율의 비는 다음과 같습니다.
    $$Ratio = \frac{\frac{V_m}{\pi}}{\frac{2V_m}{\pi}}$$
    $$Ratio = \frac{1}{2}$$
    $$Ratio = 0.5$$
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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: 80%)
  • 원동기의 입력은 발전기의 출력 전력을 발전기 효율과 원동기 효율로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P_{in} = \frac{P_{out}}{\eta_{g} \times \eta_{m}}$
    ② [숫자 대입] $P_{in} = \frac{540 \times 0.85}{0.9 \times 0.85}$
    ③ [최종 결과] $P_{in} = 600$
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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: 82%)
  • 제시된 이미지는 $\Delta-\Delta$ 결선 방식입니다. $\Delta-\Delta$ 결선은 변압기 3대 중 한 대가 고장 나더라도 나머지 2대로 V-V 결선 운전이 가능하여 전력 공급을 계속할 수 있는 장점이 있습니다.

    오답 노트
    상전압이 선간전압의 $1/\sqrt{3}$배: Y결선의 특징입니다.
    30° 위상차 발생: $\Delta-Y$ 또는 $Y-\Delta$ 결선의 특징입니다.
    제3고조파 유도장해: Y결선 중 중성점이 접지되지 않았을 때 발생할 수 있는 문제입니다.
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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%)
  • 변압기의 전압변동률은 퍼센트 저항강하와 리액턴스강하, 그리고 부하의 역률을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = p \cos \theta + q \sin \theta$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = 3 \times 0.8 + 4 \times \sqrt{1 - 0.8^{2}}$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 4.8$
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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: 52%)
  • 리니어 전동기의 동기속도는 자극 피치와 전원 주파수의 곱에 비례하는 특성을 가집니다.
    $$v = 2 T_{d} f$$
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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: 38%)
  • 동기발전기의 유도기전력 실횻값 공식을 사용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $E = 4.44 f N \phi k$
    ② [숫자 대입] $E = 4.44 \times \frac{1000 \times 6}{120} \times 100 \times 0.2 \times 0.65$
    ③ [최종 결과] $E = 650\sqrt{6}\pi$
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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: 79%)
  • 직류 발전기의 유기기전력은 자속, 도체수, 속도, 병렬 회로수에 의해 결정됩니다. 중권은 병렬 회로수 $a$가 극수 $P$와 같고, 파권은 항상 $a = 2$입니다.
    ① [기본 공식]
    $$E = \frac{P \Phi Z N}{60a}$$
    ② [숫자 대입]
    $$E_A = \frac{6 \times 0.04 \times 300 \times 1200}{60 \times 6}, \quad E_B = \frac{6 \times 0.04 \times 300 \times 1200}{60 \times 2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$E_A = 240, \quad E_B = 720$$
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