9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2021-04-17)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2021-04-17 기출문제)

목록

1. 직권 직류전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 자속이 포화되기 전까지 토크는 전기자 전류의 제곱에 비례한다.
  2. 크레인용 전동기와 같이 매우 큰 토크가 필요한 곳에 적합하다.
  3. 무부하 상태로 연결하여 동작하는 것을 피해야 한다.
  4. 토크가 커질수록 높은 속도를 얻을 수 있다.
(정답률: 75%)
  • "토크가 커질수록 높은 속도를 얻을 수 있다."는 옳은 설명입니다. 이는 직류전동기의 특성으로, 토크와 속도는 반비례 관계에 있기 때문입니다. 따라서 토크가 커질수록 속도는 낮아지고, 토크가 작아질수록 속도는 높아집니다.
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2. V-V 결선에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 소용량 3상 부하에 사용할 수 있다.
  2. △-△ 결선에서 1대의 변압기가 고장 나면 V-V 결선으로 운전할 수 있다.
  3. △-△ 결선의 출력에 비하여 부하용량은 86.6[%], 이용률은 57.7[%]로 줄어든다.
  4. 부하의 상태에 따라 2차 단자전압이 불평형이 될 수 있다.
(정답률: 73%)
  • 정답은 "△-△ 결선의 출력에 비하여 부하용량은 86.6[%], 이용률은 57.7[%]로 줄어든다."입니다. 이유는 V-V 결선은 △-△ 결선보다 전압이 낮기 때문에 부하용량이 감소하고, 이용률도 감소합니다. 따라서 V-V 결선은 소용량 3상 부하에 사용할 수 있지만, 대용량 부하에는 적합하지 않습니다. 부하의 상태에 따라 2차 단자전압이 불평형이 될 수 있다는 것은 맞는 설명입니다.
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3. 다음 그림의 DC-DC 컨버터 명칭과 정상상태에서의 입출력전압의 관계는? (단, TD는 SW의 duty ratio이다)

  1. 벅 컨버터,
  2. 벅 컨버터,
  3. 부스트 컨버터,
  4. 부스트 컨버터,
(정답률: 55%)
  • 이 그림은 벅 컨버터이며, 정상상태에서의 입출력전압의 관계는 이다. 이유는 벅 컨버터는 입력전압보다 출력전압이 낮아지는 DC-DC 컨버터로, 입력전압이 고정되어 있을 때 duty ratio를 조절하여 출력전압을 조절한다. duty ratio가 작아질수록 출력전압은 낮아지고, duty ratio가 커질수록 출력전압은 높아진다. 따라서 그림에서 duty ratio가 작아지면 출력전압이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
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4. 8극, 60[Hz], 12[kW]인 3상 유도전동기가 전부하 시 720[rpm]으로 회전할 때, 옳은 것은? (단, 기계손은 무시한다)

  1. 회전자 전류의 주파수는 12[Hz]이다.
  2. 회전자 효율은 90[%]이다.
  3. 공극전력(회전자 입력전력)은 13.3[kW]이다.
  4. 회전자 동손은 1.3[kW]이다.
(정답률: 64%)
  • 주어진 정보에서 회전자의 회전 속도는 720[rpm]으로 주어졌으므로, 이를 라디안/초 단위로 변환하여 회전자의 각속도를 구할 수 있습니다.

    720[rpm] = 12[Hz] (1초당 12번 회전) = 75.4[rad/s]

    또한, 3상 유도전동기의 회전자 전류 주파수는 회전 속도와 직접적으로 관련이 있습니다. 회전자 전류 주파수는 회전자의 회전 속도와 국소 자기장의 주파수 차이에 의해 결정됩니다. 이 때, 국소 자기장의 주파수는 회전자 전력 주파수와 같으며, 이는 8극, 60[Hz]인 유도전동기에서는 8 * 60 = 480[Hz]입니다.

    따라서, 회전자 전류 주파수는 480[Hz]와 회전 속도인 12[Hz]의 차이인 468[Hz]가 됩니다. 이는 3상 유도전동기의 회전자 전류 주파수로, "회전자 전류의 주파수는 12[Hz]이다."가 옳은 이유입니다.

    또한, 공극전력은 회전자 입력전력으로, 이는 3상 유도전동기의 전력 손실을 고려하지 않은 총 전력입니다. 따라서, 공극전력은 12[kW] * 3상 = 36[kW]가 되며, 이를 토대로 회전자 동손을 계산할 수 있습니다.

    회전자 동손은 공극전력에서 출력전력을 뺀 값으로,

    회전자 동손 = 공극전력 - 출력전력
    = 36[kW] - 12[kW]
    = 24[kW]

    이 됩니다. 따라서, "회전자 동손은 1.3[kW]이다."는 옳지 않습니다.

    마지막으로, 회전자 효율은 출력전력 / 공극전력으로 계산할 수 있습니다. 따라서,

    회전자 효율 = 12[kW] / 36[kW] * 100[%]
    = 33.3[%]

    이 됩니다. 따라서, "회전자 효율은 90[%]이다."는 옳지 않습니다.
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5. 다음의 동기기 등가회로와 벡터도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, Xs는 동기리액턴스이다)

  1. 전동기로 동작하고 있다.
  2. 전류 Ia의 위상이 단자전압 Vt의 위상보다 뒤진다.
  3. 무효전력이 발생한다.
  4. 전류 Ia가 줄어들면 유기기전력 Ea와 단자전압 Vt의 크기 차이는 감소한다.
(정답률: 50%)
  • "전류 Ia가 줄어들면 유기기전력 Ea와 단자전압 Vt의 크기 차이는 감소한다."는 옳은 설명이 아닙니다. 전류 Ia가 줄어들면 유기기전력 Ea는 감소하지만, 단자전압 Vt는 변하지 않기 때문입니다. 따라서, 유기기전력과 단자전압의 크기 차이는 증가하게 됩니다. 이에 따라, "전류 Ia가 줄어들면 유기기전력 Ea와 단자전압 Vt의 크기 차이는 증가한다."가 옳은 설명입니다.

    따라서, 정답은 "전류 Ia가 줄어들면 유기기전력 Ea와 단자전압 Vt의 크기 차이는 감소한다."입니다.

    그리고, 동기기 등가회로와 벡터도에서 전동기의 회전자 자기장과 동기기 전압이 발생하므로, 전동기로 동작하고 있음을 알 수 있습니다. 또한, 전류 Ia의 위상이 단자전압 Vt의 위상보다 뒤진다는 것은 전동기가 흡수하는 무효전력이 발생한다는 것을 의미합니다.
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6. 다음은 전력변환시스템의 전력단을 역할에 따라 블록으로 구분한 그림이다. 각 블록에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. A블록은 3상 교류입력전압을 정류하는 3상 다이오드 반파정류기이다.
  2. B블록은 A블록의 출력전압을 평활화하기 위한 목적으로 사용된다.
  3. C블록은 교류신호를 직류신호로 변환하는 인버터를 나타낸다.
  4. 선형변조 시 C블록의 PWM 스위칭주파수가 출력전압의 주파수보다 높을수록 출력전압의 고조파 제거가 어렵다.
(정답률: 60%)
  • A블록은 입력전압을 정류하는 역할을 하고, B블록은 A블록의 출력전압을 평활화하여 안정적인 전압을 공급하기 위한 필터 역할을 한다. 따라서 B블록은 A블록의 출력전압을 평활화하기 위한 목적으로 사용된다.
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7. 유도전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 회전자에 흐르는 전류는 지상전류이다.
  2. 정격속도로 운전할 때보다 기동 시의 2차측 누설리액턴스가 크다.
  3. 슬립 s에서 유도전동기의 이론적인 최고효율은 1-s 이다.
  4. 변압기에 비하여 일반적으로 누설리액턴스가 작다.
(정답률: 50%)
  • 유도전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 "변압기에 비하여 일반적으로 누설리액턴스가 작다."입니다. 이는 오히려 반대로, 유도전동기의 누설리액턴스는 변압기에 비해 일반적으로 큽니다. 이는 회전자와 스테이터 사이의 간격이 작아서 생기는 자기장의 누설로 인해 발생합니다. 따라서 유도전동기의 효율을 높이기 위해서는 누설리액턴스를 최소화하는 것이 중요합니다.
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8. 직류전동기의 기동 방법에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 전기자 저항은 크게 하고 계자 저항은 최소로 한다.
  2. 전기자 저항은 크게 하고 계자 저항은 최대로 한다.
  3. 전기자 저항은 작게 하고 계자 저항은 최소로 한다.
  4. 전기자 저항은 작게 하고 계자 저항은 최대로 한다.
(정답률: 64%)
  • 직류전동기의 기동 방법은 전류를 가하여 회전력을 발생시키는 것입니다. 이때 전기자 저항은 크게 하고 계자 저항은 최소로 하는 것이 좋습니다. 이유는 전기자 저항이 크면 전류가 작아져서 전동기 내부에서 발생하는 열이 줄어들어 내구성이 향상되기 때문입니다. 또한 계자 저항을 최소로 하면 전류가 빠르게 흐르기 때문에 전동기의 기동이 빠르고 효율적으로 이루어집니다.
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9. 15,000/200[V], 10[kVA]인 변압기의 등가회로는 다음과 같다. 변압기의 출력전압이 정격전압이라 가정하고 0.8 지상역률 정격부하에서 운전되고 있을 때, 전압변동률[%]은? (단, 1차측 권선저항과 누설리액턴스는 무시한다)

  1. 5
  2. -5
  3. 6
  4. -6
(정답률: 50%)
  • 등가회로에서 전압변동률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    전압변동률 = (빈틈전압 ÷ 정격전압) × 100

    빈틈전압은 등가회로에서 2차측 부하전압과 2차측 단락전압의 차이로 계산할 수 있다.

    2차측 부하전압 = 10[kVA] ÷ (200[V] × √3) ≈ 28.87[V]

    2차측 단락전압 = 15,000[V] ÷ (200[V] × √3) ≈ 43.30[V]

    빈틈전압 = 43.30[V] - 28.87[V] ≈ 14.43[V]

    따라서 전압변동률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    전압변동률 = (14.43[V] ÷ 200[V]) × 100 ≈ 7.22[%]

    하지만 문제에서는 지상역률이 0.8인 정격부하에서 운전되고 있으므로, 전압변동률은 지상역률에 따라 감소한다.

    전압변동률 = 7.22[%] × 0.8 ≈ 5.78[%]

    따라서 정답은 "5"이다.
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10. 타여자 직류발전기 A와 B가 병렬운전으로 130[A]의 부하전류를 공급하고 있다. 전기자 저항이 RA=0.2[Ω]와 RB=0.3[Ω]일 때, 각 발전기의 분담전류 IA[A]와 IB[A]는? (단, A와 B의 유기기전력은 같다.)

(정답률: 66%)
  • 병렬회로에서 각 발전기의 분담전류는 전기자 저항의 역수에 비례한다. 따라서, 각 발전기의 분담전류는 다음과 같다.

    IA = (1/RA) / (1/RA + 1/RB) × 130[A] ≈ 86.67[A]

    IB = (1/RB) / (1/RA + 1/RB) × 130[A] ≈ 43.33[A]

    따라서, 정답은 "④"이다.
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11. 그림과 같은 3상 유도전동기의 토크 속도 특성 곡선에서 정상 운전 범위로 옳은 것은?

  1. Ts-Tm구간
  2. Tm-Tn구간
  3. Tn-Tr구간
  4. Tr-Te구간
(정답률: 46%)
  • 정상 운전 범위는 Tn-Tr구간이다. 이는 전동기가 정상적으로 운전하기 위해서는 토크가 일정 범위 내에서 유지되어야 하기 때문이다. Tn은 정격 토크, Tr은 잔류 토크를 나타내며, 이 구간에서는 전동기가 안정적으로 운전할 수 있다. Ts-Tm구간에서는 전동기가 과부하 상태이고, Tm-Tn구간에서는 전동기가 정상적으로 운전하고 있다. Tr-Te구간에서는 전동기가 공회전 상태이다.
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12. 변압기유에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 절연 내력이 커야 한다.
  2. 인화점이 낮아야 한다.
  3. 절연재료 및 금속과 접하여도 화학작용을 일으키지 않아야 한다.
  4. 유동성이 풍부하고 비열이 커서 냉각효과가 커야 한다.
(정답률: 75%)
  • 인화점이 낮아야 하는 이유는 변압기유가 고온에서 인화되어 화재의 위험이 있기 때문입니다. 따라서 인화점이 낮을수록 안전성이 높아집니다.
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13. 유도기의 기동 및 운전에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 농형 유도전동기의 속도 제어 방법에는 주파수 제어, 극수 변환, 2차 저항법, 전압 제어 등이 있다.
  2. 유도전동기를 신속히 정지시키기 위해서 역상 제동법을 사용할 수 있다.
  3. 농형 유도전동기의 기동 특성과 운전 특성을 조정하기 위해 이중농형, 심구형 회전자가 사용된다.
  4. 순수한 단상 유도전동기는 기동토크가 없어 기동 보조장치가 필요하다.
(정답률: 61%)
  • 옳지 않은 설명은 "농형 유도전동기의 속도 제어 방법에는 주파수 제어, 극수 변환, 2차 저항법, 전압 제어 등이 있다."입니다. 이는 옳은 설명입니다.
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14. 변압기의 1차측 전압은 220[V]이다. 다음의 변압기 등가회로에서 무부하전류가 0.5[A]이고 철손이 66[W]일 때, 자화전류[A]는? (단, 1차측 권선저항과 누설리액턴스는 무시한다)

  1. 0.3
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 49%)
  • 변압기의 등가회로에서 자화전류는 1차측 전압과 2차측 전압 차이에 의해 유도되는 전류이다. 따라서 자화전류는 2차측 전류와 같다.

    2차측 전류는 무부하전류와 철손에 의한 손실전류의 합이다.

    무부하전류가 0.5[A]이므로, 2차측 전류도 0.5[A]이다.

    철손이 66[W]이므로, 2차측 전압과 무부하전압 차이는 66[W] / 0.5[A] = 132[V]이다.

    따라서 자화전류는 1차측 전압과 2차측 전압 차이인 220[V] - 132[V] = 88[V]에 대응하는 전류이다.

    자화전류 = 88[V] / 220[V] = 0.4

    따라서 정답은 "0.4"이다.
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15. 동기발전기의 권선법에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 분포권은 집중권에 비하여 합성 유기기전력이 크다.
  2. 단절권은 전절권에 비하여 합성 유기기전력이 크다.
  3. 단절권은 전절권에 비하여 고조파성분이 감소한다.
  4. 분포권은 집중권에 비하여 코일에서 발생하는 열이 일부분에 집중된다.
(정답률: 61%)
  • 단절권은 전절권에 비하여 고조파성분이 감소한다. 이는 단절권에서는 전류가 끊어지는 지점이 있어 전류의 주기성이 깨지기 때문에 고조파성분이 감소하게 됩니다.
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16. 브러시리스 직류전동기의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 수명이 길고 잡음이 적다.
  2. 전기자가 회전하는 구조를 가진다.
  3. 구동전류는 구형파 또는 준구형파 형태이다.
  4. 회전자 위치 검출 용도로 홀 센서가 사용된다.
(정답률: 51%)
  • 전기자가 회전하는 구조를 가진다는 것은 옳은 특징입니다. 이는 브러시리스 직류전동기의 구동 원리인 전자기력 발생 법칙에 따라 회전자에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장과 고정자 자기장이 상호작용하여 회전력을 발생시키기 때문입니다. 따라서, "전기자가 회전하는 구조를 가진다"는 특징은 옳은 것입니다.
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17. 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크 모두 사용 가능한 전동기는?

  1. 스위치드 릴럭턴스 전동기
  2. 릴럭턴스 동기전동기
  3. 표면부착형 영구자석 동기전동기
  4. 매입형 영구자석 동기전동기
(정답률: 46%)
  • 매입형 영구자석 동기전동기는 자기장의 방향이 고정되어 있어서 마그네틱 토크를 발생시키며, 동시에 자기장의 방향이 변하지 않기 때문에 릴럭턴스 토크도 발생시킬 수 있습니다. 따라서, 이러한 전동기는 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크 모두 사용 가능합니다.
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18. 무부하 상태에서 분권 직류발전기의 계자 저항이 80[Ω], 계자 전류가 1.5[A], 전기자 저항이 2[Ω]일 때, 단자전압 Vt[V]와 유기기전력 E[V]는?

(정답률: 65%)
  • 분권 직류발전기의 계자 전압 Vg는 계자 저항 Rg와 계자 전류 Ig의 곱으로 구할 수 있습니다.

    Vg = Rg × Ig = 80[Ω] × 1.5[A] = 120[V]

    전기자 저항 Re와 유기기전력 E는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Re = 2[Ω]
    E = Vt - Vg

    여기서 Vt는 단자전압으로, 유기기전력 E는 전기자에서 발생한 전력입니다.

    전기자에서 발생한 전력은 전류 Ie와 전압 Ve의 곱으로 구할 수 있습니다.

    Ie = Ig = 1.5[A]
    Ve = Vt - Vg

    따라서 유기기전력 E는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    E = Ie × Ve = Ig × (Vt - Vg) = 1.5[A] × (Vt - 120[V])

    이때, Vt가 최대가 되려면 Ve가 0이 되어야 합니다. 즉, Vt = Vg = 120[V]가 됩니다.

    따라서 유기기전력 E는 0이 되며, 정답은 "③"입니다.
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19. 그림과 같은 단상 다이오드 정류회로에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 정류회로는 정상상태이며 시정수 L/R 은 충분히 크다)

  1. 유도성 부하에 축적된 에너지 소모를 위한 경로가 있다.
  2. DF는 부하전류 Io를 평활화하는 역할을 한다.
  3. DF를 제거 시, 출력전압 Vo의 평균값이 증가한다.
  4. 교류전압 한 주기 동안의 인덕터 전압의 평균값은 0이다.
(정답률: 44%)
  • DF를 제거하면, 역방향 전압이 발생하지 않으므로 유도성 부하에 축적된 에너지가 DF를 통해 소모되지 않고, 대신 출력부하에 공급되어 평균 출력전압이 증가하게 된다. 따라서 "DF를 제거 시, 출력전압 Vo의 평균값이 증가한다."가 옳은 설명이다.
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20. 동기전동기가 동기속도로 운전되기 위한 기동법으로 옳지 않은 것은? (단, 계자 권선에는 전원이 인가되어 있다)

  1. 주파수 제어에 의한 기동법
  2. 원동기에 의한 기동법
  3. 제동권선에 의한 기동법
  4. 전압 증가에 의한 기동법
(정답률: 49%)
  • 전압 증가에 의한 기동법은 동기전동기의 회전자에 인가되는 전압을 증가시켜 회전자의 자기장과 계자 권선의 자기장이 일치하도록 만들어 동기속도로 운전시키는 방법입니다. 따라서 이 방법은 계자 권선에 전원이 인가되어 있을 때에만 가능하며, 다른 방법들과는 달리 회전자와 계자 권선의 자기장을 일치시키는 과정이 필요하지 않습니다.
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