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

9급 국가직 공무원 전기기기 2021-04-17 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기기기
(2021-04-17 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

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: 81%)
  • 직권 직류전동기는 토크가 전기자 전류의 제곱에 비례하며, 속도는 토크의 제곱에 반비례하는 특성을 가집니다. 따라서 토크가 커질수록 속도는 오히려 낮아지게 됩니다.

    오답 노트
    자속 포화 전 토크 비례: $T \propto I^2$ 관계가 성립함
    크레인용 적합: 기동 토크가 매우 커서 적합함
    무부하 운전 금지: 무부하 시 속도가 무한히 상승하여 위험함
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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: 74%)
  • V-V 결선 시 부하용량은 $\Delta-\Delta$ 결선 대비 $57.7\%$로 감소하며, 이용률은 $86.6\%$로 감소합니다. 즉, 부하용량과 이용률의 수치가 서로 바뀌어 설명되었습니다.
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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: 63%)
  • DC-DC 컨버터의 회로 구성과 전압 관계식을 찾는 문제입니다.
    제시된 회로는 스위치(SW), 다이오드(D), 인덕터(L), 커패시터(C)가 구성되어 입력 전압을 낮추어 출력하는 벅(Buck) 컨버터입니다. 벅 컨버터의 출력 전압은 듀티비 $T_D$와 입력 전압의 곱으로 결정됩니다.
    $$V_o = T_D \times V_{in}$$
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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: 69%)
  • 유도전동기의 슬립과 회전자 주파수를 계산하는 문제입니다.
    먼저 동기속도를 구한 뒤 슬립을 통해 회전자 주파수를 산출합니다.
    ① [동기속도 공식] $N_s = \frac{120f}{P}$
    ② [숫자 대입] $N_s = \frac{120 \times 60}{8} = 900$ rpm
    ③ [슬립 공식] $s = \frac{N_s - N}{N_s}$
    ④ [숫자 대입] $s = \frac{900 - 720}{900} = 0.2$
    ⑤ [회전자 주파수 공식] $f_r = s \times f$
    ⑥ [숫자 대입] $f_r = 0.2 \times 60 = 12$ Hz
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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: 53%)
  • 동기기의 벡터도와 전류 방향을 분석하여 동작 상태를 판별하는 문제입니다.
    벡터도에서 유기기전력 $E_a$에서 단자전압 $V_t$ 방향으로 전류 $I_a$가 흐르고 있으므로, 이는 에너지를 외부로 공급하는 발전기로 동작하고 있는 상태입니다.

    오답 노트
    전동기 동작: 전류가 단자전압 $V_t$에서 유기기전력 $E_a$ 방향으로 흘러야 합니다.
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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: 64%)
  • 전력변환시스템의 각 블록 역할에 대한 분석입니다.
    B블록은 커패시터(Capacitor)로 구성되어 있어, A블록(정류기)에서 출력된 맥동 성분이 포함된 직류 전압을 평활하게 만들어 안정적인 직류 전압을 공급하는 역할을 합니다.

    오답 노트
    A블록: 다이오드 6개를 사용한 3상 전파 정류기입니다.
    C블록: 직류를 교류로 변환하는 인버터입니다.
    PWM 주파수: 스위칭 주파수가 높을수록 고조파 제거가 쉬워집니다.
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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: 59%)
  • 유도전동기는 구조적으로 변압기와 유사하지만, 회전자의 슬롯 구조 등으로 인해 변압기보다 일반적으로 누설리액턴스가 더 큽니다.

    오답 노트
    2차측 누설리액턴스: 기동 시 슬립 $s=1$로 최대가 되며, 운전 시($0 < s < 1$)에는 이보다 작아집니다.
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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: 65%)
  • 직류전동기 기동 시에는 역기전력이 없어 매우 큰 기동전류가 흐르므로, 이를 제한하기 위해 전기자 저항을 크게 설정해야 합니다. 동시에 토크를 크게 하여 빠르게 가속시키기 위해 계자 저항은 최소로 하여 자속을 최대화해야 합니다.
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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: 59%)
  • 전압변동률은 정격전압과 무부하전압의 차이를 정격전압으로 나눈 비율이며, 지상역률 부하 시 전압강하를 고려하여 계산합니다.
    먼저 정격전류 $I$를 구합니다.
    $$I = \frac{P}{V \times S} = \frac{10000}{200} = 50\text{ A}$$
    전압변동률 $\epsilon$ 공식에 대입합니다. (1차측 무시, $R=0.16\Omega, X=0.12\Omega, \cos\theta=0.8, \sin\theta=0.6$)
    ① [기본 공식]
    $$\epsilon = \frac{I(R\cos\theta + X\sin\theta)}{V} \times 100$$
    ② [숫자 대입]
    $$\epsilon = \frac{50(0.16 \times 0.8 + 0.12 \times 0.6)}{200} \times 100$$
    ③ [최종 결과]
    $$\epsilon = 5$$
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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.)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 76%)
  • 타여자 발전기의 병렬운전 시 각 발전기의 분담전류는 전기자 저항에 반비례하여 분배됩니다. 전체 부하전류 $130\text{A}$를 각 저항의 역수 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $I_A = I \times \frac{\frac{1}{R_A}}{\frac{1}{R_A} + \frac{1}{R_B}}$
    ② [숫자 대입] $I_A = 130 \times \frac{\frac{1}{0.2}}{\frac{1}{0.2} + \frac{1}{0.3}}$
    ③ [최종 결과] $I_A = 78\text{A}, I_B = 130 - 78 = 52\text{A}$
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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: 62%)
  • 유도전동기의 토크-속도 곡선에서 안정적인 운전이 이루어지는 정상 운전 범위는 최대 토크 $T_m$이후부터 무부하 토크 $T_r$ 사이의 구간인 $T_n-T_r$ 구간입니다.
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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: 84%)
  • 변압기유는 화재 위험을 방지하기 위해 불이 붙는 온도인 인화점이 충분히 높아야 안전합니다.
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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: 71%)
  • 농형 유도전동기는 회전자가 구리 막대로 단락된 구조이므로 2차 저항을 임의로 조절할 수 없습니다. 2차 저항법은 권선형 유도전동기에서만 가능합니다.
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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: 59%)
  • 무부하 전류는 철손 전류와 자화 전류의 벡터 합으로 이루어집니다. 피타고라스 정리를 이용하여 자화 전류를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $I_0^2 = I_i^2 + I_\phi^2$
    ② [숫자 대입] $I_\phi = \sqrt{0.5^2 - (\frac{66}{220})^2}$
    ③ [최종 결과] $I_\phi = 0.4$
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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: 71%)
  • 단절권은 전절권에 비해 유기기전력은 약간 감소하지만, 고조파 성분을 제거하여 전압의 파형을 개선하는 효과가 있습니다.

    오답 노트
    분포권/단절권: 합성 유기기전력은 감소함
    분포권: 코일의 열 분산에 유리함
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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: 55%)
  • 브러시리스 직류전동기는 브러시와 정류자를 제거하여 수명을 늘리고 잡음을 줄인 구조로, 전기자가 고정되어 있고 자석이 부착된 회전자가 회전하는 구조를 가집니다.

    오답 노트
    전기자가 회전하는 구조: 전기자가 고정되고 회전자가 회전하는 구조임
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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: 50%)
  • 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석이 회전자 내부에 매입되어 있어, 자석에 의한 마그네틱 토크와 회전자의 돌극성으로 인한 릴럭턴스 토크를 모두 발생시켜 효율적인 운전이 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?

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 73%)
  • 분권 발전기에서 단자전압은 계자회로의 전압과 같으며, 유기기전력은 단자전압에 전기자 전압강하를 더한 값입니다.
    단자전압 $V_t$ 계산:
    ① [기본 공식] $V_t = I_f R_f$
    ② [숫자 대입] $V_t = 1.5 \times 80$
    ③ [최종 결과] $V_t = 120$
    유기기전력 $E$ 계산 (무부하 시 $I_a = I_f$):
    ① [기본 공식] $E = V_t + I_a R_a$
    ② [숫자 대입] $E = 120 + 1.5 \times 2$
    ③ [최종 결과] $E = 123$
    따라서 $V_t = 120\text{ V}$, $E = 123\text{ V}$인 의 ③번 행이 정답입니다.
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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: 54%)
  • 프리휠링 다이오드 $D_F$는 인덕터에 축적된 에너지를 방출시켜 전류를 연속적으로 흐르게 함으로써 출력전압의 평균값을 높이는 역할을 합니다. 따라서 $D_F$를 제거하면 에너지 방출 경로가 사라져 출력전압 $V_o$의 평균값은 감소하게 됩니다.
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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%)
  • 동기전동기의 기동 특성과 기동법에 관한 문제입니다.
    동기전동기는 스스로 기동할 수 없는 기동 토크 0의 특성을 가집니다. 따라서 주파수 제어, 원동기 이용, 제동권선 이용 등의 방법으로 동기 속도 근처까지 가속시켜야 합니다. 단순히 전압을 증가시키는 것은 동기 속도로 운전시키기 위한 적절한 기동법이 아닙니다.
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