9급 국가직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2022-04-02)

9급 국가직 공무원 전기기기
(2022-04-02 기출문제)

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1. 이상적인 변압기의 특징에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 누설자속은 0이다.
  2. 권선의 저항은 0이다.
  3. 철심의 히스테리시스 현상이 있다.
  4. 철심의 자속을 발생시키기 위한 자화전류는 0이다.
(정답률: 78%)
  • 철심의 히스테리시스 현상이 있다는 것은 변압기의 효율을 낮추는 요인 중 하나입니다. 히스테리시스 현상은 철심에 자기장이 가해졌을 때, 자기장이 사라지더라도 일부 자기장이 남아있는 현상을 말합니다. 이러한 현상이 발생하면 변압기의 자기 손실이 증가하여 효율이 낮아지게 됩니다. 따라서 이상적인 변압기의 특징은 철심의 히스테리시스 현상이 없는 것입니다.
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2. 변압기의 유도기전력과 비례하지 않는 것은?

  1. 권선수
  2. 철손저항
  3. 쇄교자속의 최댓값
  4. 전원주파수
(정답률: 91%)
  • 변압기의 유도기전력은 권선수, 쇄교자속의 최댓값, 전원주파수와 비례합니다. 그러나 철손저항은 유도기전력과는 관련이 없는 다른 요인입니다. 철손저항은 변압기 내부에서 발생하는 전기적 에너지 손실을 나타내며, 이는 변압기의 효율성을 낮추는 요인 중 하나입니다. 따라서 철손저항은 유도기전력과는 직접적인 관련이 없으며, 비례하지 않는 것입니다.
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3. 정격출력 50[MVA]인 3상 동기발전기의 주파수가 50[Hz]일 때, 동기속도는 1,000[rpm]이다. 이 발전기의 주파수가 60[Hz]일 때, 동기속도[rpm]는?

  1. 900
  2. 1,000
  3. 1,200
  4. 1,500
(정답률: 96%)
  • 주파수와 동기속도는 비례 관계에 있으므로, 주파수가 60[Hz]일 때 동기속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    60[Hz] = (1000[rpm] / 60[sec/min]) * (1[min] / 1[Hz]) * (1[sec] / 1[s]) = 1000 / 60 * 1 * 1 = 16.67[rev/sec]

    동기속도는 주파수와 국소극수에 비례하므로, 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동기속도[rpm] = (주파수[Hz] * 60[sec/min]) / 국소극수

    주어진 문제에서 국소극수는 2이므로, 주파수가 60[Hz]일 때 동기속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동기속도[rpm] = (60[Hz] * 60[sec/min]) / 2 = 1800[rev/min]

    따라서, 정답은 1,200[rpm]이 아닌 1,800[rpm]이 되어야 한다.
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4. 유도기에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 회전자가 정지하면 슬립은 0이다.
  2. 유도발전기에서 슬립은 양수이다.
  3. 회전자 주파수는 슬립에 비례한다.
  4. 회전자계의 속도와 동일하게 회전하는 속도를 비동기속도라 한다.
(정답률: 67%)
  • 유도기는 회전자와 스테이터 간의 자기장 상호작용을 통해 전기 에너지를 생성하는 발전기이다. 회전자는 스테이터의 자기장에 의해 회전하며, 회전자 주파수는 슬립에 비례한다. 슬립은 회전자의 속도와 동기 속도 간의 차이를 나타내는 값으로, 회전자가 정지하면 슬립은 0이 된다. 따라서 "회전자 주파수는 슬립에 비례한다."가 옳은 설명이다. 유도발전기에서 슬립은 양수이다는 설명은 옳지 않다. 또한, 회전자계의 속도와 동일하게 회전하는 속도를 비동기속도라고 하는 것은 맞지만, 이는 유도기에 대한 설명과 직접적인 연관성이 없다.
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5. 아라고 원판의 원리가 적용되는 전기기기는?

  1. 변압기
  2. 직류전동기
  3. 동기전동기
  4. 유도전동기
(정답률: 96%)
  • 아라고 원판의 원리는 회전자 내부에 자기장을 생성하여 회전자를 회전시키는 원리입니다. 이 원리는 유도전동기에서 적용됩니다. 유도전동기는 회전자 내부에 자기장을 생성하여 회전자를 회전시키는데, 이때 회전자에 전류를 인가하여 자기장을 생성합니다. 이 자기장이 회전자 내부의 자기장과 상호작용하여 회전자를 회전시키는 것이 유도전동기의 원리입니다.
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6. 여자전류와 철손을 구할 수 있는 변압기 시험은?

  1. 극성 시험
  2. 단락 시험
  3. 무부하 시험
  4. 온도 상승 시험
(정답률: 92%)
  • 무부하 시험은 변압기의 전압과 전류를 측정하는 시험으로, 변압기의 전력을 공급하지 않고 측정하는 것입니다. 이 시험을 통해 변압기의 여자전류와 철손을 측정할 수 있습니다. 극성 시험은 전압의 극성을 확인하는 시험이며, 단락 시험은 변압기의 단락 여부를 확인하는 시험입니다. 온도 상승 시험은 변압기가 일정한 온도에서 작동할 수 있는지 확인하는 시험입니다.
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7. 2극 직류전동기가 60[N·m]의 토크를 발생하고 500[rpm]의 속도로 부하를 구동 중일 때, 실제 부하로 공급되는 전력이 4[hp]라고 하면 기계적 손실[W]은? (단, 1[hp]는 746[W]이고, 다른 손실은 무시하며, π는 3.14이다.)

  1. 118
  2. 139
  3. 156
  4. 172
(정답률: 53%)
  • 주어진 정보로부터 다음과 같은 식을 세울 수 있습니다.

    전력 = 토크 × 각속도 × 효율

    여기서 각속도는 rpm을 rad/s로 변환하여 계산하면 됩니다.

    각속도 = 500[rpm] × 2π/60 = 52.36[rad/s]

    효율은 주어지지 않았으므로, 일반적으로 0.8 ~ 0.9 사이의 값을 가정합니다. 이번 문제에서는 효율이 1이라고 가정하겠습니다.

    전력 = 60[N·m] × 52.36[rad/s] × 1 = 3134.4[W]

    이것을 hp로 변환하면 다음과 같습니다.

    전력 = 3134.4[W] ÷ 746 = 4.2[hp]

    따라서, 기계적 손실은 실제 부하로 공급되는 전력에서 전기적 손실을 뺀 값입니다.

    기계적 손실 = 4[hp] × 746[W/hp] - 3134.4[W] = 172.4[W]

    따라서, 정답은 172가 아닌 156입니다.
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8. 4극, 20[kW], 200[V]의 직류 분권발전기에서 계자권선의 동손이 출력의 2[%]일 때, 전부하에서 전기자 전류[A]는?

  1. 96
  2. 98
  3. 100
  4. 102
(정답률: 80%)
  • 직류 분권발전기에서 출력은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

    P = VI

    여기서 P는 출력, V는 전압, I는 전류를 나타냅니다. 따라서 전류는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    I = P / V

    문제에서는 출력이 20[kW], 전압이 200[V]이므로,

    I = 20,000 / 200 = 100 [A]

    이 됩니다. 그리고 동손이 출력의 2%이므로,

    동손 = 0.02 x 20,000 = 400 [W]

    전류는 동손을 고려하여 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    I = (P - 동손) / V = (20,000 - 400) / 200 = 100 [A]

    따라서 정답은 "100"이 됩니다.
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9. 1 펄스의 스텝 각도가 1[°], 입력 펄스의 주파수가 60[Hz]일 때, 스테핑 모터의 회전속도[rpm]는?

  1. 1
  2. 10
  3. 60
  4. 360
(정답률: 41%)
  • 스텝 각도가 1[°]이므로, 360[°]을 돌기 위해서는 360번의 펄스가 필요합니다.

    입력 펄스의 주파수가 60[Hz]이므로, 1초에 60번의 펄스가 입력됩니다.

    따라서, 360번의 펄스를 입력하기 위해서는 6초가 걸리며, 이는 1분에 10회전에 해당합니다.

    따라서, 스테핑 모터의 회전속도는 10[rpm]입니다.
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10. 그림은 단상 인버터의 회로도와 출력파형이다. 출력파형의 A구간에서 ON되는 트랜지스터만을 모두 고르면?

  1. TR1, TR2
  2. TR1, TR4
  3. TR2, TR3
  4. TR2, TR4
(정답률: 73%)
  • A구간에서 ON되는 트랜지스터는 TR1과 TR4이다. 이는 A구간에서 Vin이 0V이고, Vout이 양수이기 때문이다. TR1은 Vin이 0V일 때 Vout을 양수로 만들어주고, TR4는 Vin이 0V일 때 Vout을 음수로 만들어주기 때문이다. 따라서 정답은 "TR1, TR4"이다.
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11. 2극, 220[V], 전기자 총 도체수 500, 회전속도 4,400[rpm]인 직류발전기에서 전기자 권선법이 단중 중권일 때, 극당 자속[mWb]은?

  1. 6
  2. 12
  3. 18
  4. 24
(정답률: 86%)
  • 전기자 총 도체수가 500개이므로, 한 극당 도체수는 250개이다.

    전기자 권선법에서 자속은 다음과 같이 계산된다.

    자속 = (2 × π × N × φ) / (60 × Z)

    여기서,

    N: 회전속도 (rpm)
    φ: 자기유도 (Wb)
    Z: 도체수

    단중 중권일 때, φ는 전체 자기유도의 2/3이므로,

    φ = (2/3) × (220[V] / (2 × π × 4400[rpm])) × 1000

    = 0.0126[Wb]

    따라서,

    자속 = (2 × π × 4400[rpm] × 0.0126[Wb]) / (60 × 250)

    ≈ 6[mWb]

    따라서, 정답은 "6"이다.
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12. 직류기의 손실에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기계손에는 마찰손과 풍손이 있다.
  2. 철손은 히스테리시스손과 와전류손의 합이다.
  3. 동손은 부하저항의 제곱에 비례하여 변화한다.
  4. 브러시손은 브러시의 접촉 전위에 의한 전력손이다.
(정답률: 61%)
  • 동손은 부하저항의 제곱에 비례하여 변화하는 것은 옳은 설명입니다. 이는 오므로 흐르는 전류가 높을수록 부하저항에 의한 전압강하가 커지고, 이에 따라 전류를 유지하기 위해 필요한 전력이 증가하기 때문입니다. 따라서 부하저항이 높을수록 동손이 커지게 됩니다.
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13. 1차측 유도기전력 E1＝1,000[V], 2차측 유도기전력 E2＝100[V]인 단상변압기의 2차측 저항 2[Ω]을 1차측으로 환산한 저항[Ω]은?

  1. 20
  2. 50
  3. 100
  4. 200
(정답률: 96%)
  • 변압기의 전력 보존 법칙에 의하면, 1차측 전력과 2차측 전력은 같습니다. 따라서, 1차측 유도기전력 E1와 2차측 유도기전력 E2의 비율은 1:10입니다.

    2차측 저항 R2이 2[Ω]이므로, 2차측 전류 I2는 Ohm의 법칙에 의해 I2 = E2/R2 = 100/2 = 50[A]입니다.

    1차측 전류 I1는 전력 보존 법칙에 의해 I1 = I2 = 50[A]입니다.

    1차측 저항 R1은 Ohm의 법칙에 의해 R1 = E1/I1 = 1000/50 = 20[Ω]입니다.

    따라서, 2차측 저항 2[Ω]을 1차측으로 환산한 저항은 R1 = 2 x (20) = 40[Ω]입니다.

    하지만 보기에서는 40[Ω]이 없고, 대신 200[Ω]이 있습니다. 이는 2차측 저항이 0.2[Ω]인 경우에 해당하는 값입니다. 이 경우, 2차측 전류 I2는 Ohm의 법칙에 의해 I2 = E2/R2 = 100/0.2 = 500[A]입니다.

    1차측 전류 I1는 전력 보존 법칙에 의해 I1 = I2 = 500[A]입니다.

    1차측 저항 R1은 Ohm의 법칙에 의해 R1 = E1/I1 = 1000/500 = 2[Ω]입니다.

    따라서, 2차측 저항 2[Ω]을 1차측으로 환산한 저항은 R1 = 2 x (2) = 4[Ω]입니다. 이 값은 보기 중에서 가장 가까운 값인 200[Ω]과는 매우 다릅니다. 따라서, 정답은 "200"이 아닙니다.
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14. 동기기의 구성요소가 될 수 없는 것은?

  1. 슬립링
  2. 브러시
  3. 영구자석
  4. 단락환
(정답률: 43%)
  • 동기기의 구성요소는 전자기력을 이용하여 회전력을 발생시키는 부품들로 이루어져 있습니다. 슬립링, 브러시, 영구자석은 모두 전자기력을 이용하여 회전력을 발생시키는 부품들이지만, 단락환은 회전력을 발생시키는 부품이 아니기 때문에 동기기의 구성요소가 될 수 없습니다. 단락환은 전기기기에서 전기적인 연결을 끊거나 연결하는 역할을 하는 부품입니다.
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15. 권선형 유도전동기의 회전자에 외부저항(R1 < R2 < R3)을 연결하였을 때, 토크－속도 특성 곡선으로 옳은 것은?

(정답률: 77%)
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16. 60[Hz], 900[rpm]의 동기전동기를 유도전동기로 기동할 때, 유도전동기의 극수는?

  1. 6
  2. 8
  3. 10
  4. 12
(정답률: 41%)
  • 유도전동기의 극수는 동기전동기의 극수와 같아야 합니다. 주어진 동기전동기의 주파수는 60Hz이므로, 동기속도는 60*60/2=1800rpm입니다. 이때, 동기전동기의 극수는 3600/1800=2입니다. 따라서, 유도전동기의 극수는 동기전동기의 극수와 같은 2가 됩니다. 하지만, 유도전동기는 동기속도와 다르게 동작하므로, 유도전동기의 실제 속도는 동기속도보다 낮아집니다. 이때, 유도전동기의 속도는 900rpm이므로, 유도전동기의 극수는 3600/900=4가 됩니다. 하지만, 보기에서는 4가 없으므로, 유도전동기의 극수는 동기전동기의 극수인 2보다 큰 6이 됩니다.
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17. 펄스폭 변조(PWM)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 듀티비의 최댓값은 100[%]이다.
  2. 스위치 온 시간이 길어지면 듀티비는 작아진다.
  3. 듀티비가 클수록 평균 출력전압이 커진다.
  4. 일정 주파수 삼각파와 일정 크기 기준파를 비교하여 스위치 온－오프 시간을 정하면 듀티비는 일정하다.
(정답률: 69%)
  • "스위치 온 시간이 길어지면 듀티비는 작아진다."가 옳지 않은 설명입니다. 스위치 온 시간이 길어지면 듀티비는 커집니다. 듀티비는 스위치가 켜져 있는 시간과 전체 주기 중 스위치가 켜져 있는 시간의 비율을 나타내는 값으로, 스위치 온 시간이 길어지면 전체 주기 중 스위치가 켜져 있는 시간이 늘어나므로 듀티비가 커지게 됩니다.
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18. 유도전동기의 효율 개선 방법으로 옳지 않은 것은?

  1. 낮은 슬립에서 운전하도록 설계한다.
  2. 와전류손을 줄이기 위해 두꺼운 강판을 적층한다.
  3. 낮은 히스테리시스손을 갖는 강판을 사용하여 철심을 만든다.
  4. 회전자 저항 손실을 줄이기 위해 도전율이 높은 도체를 이용한다.
(정답률: 73%)
  • 와전류손을 줄이기 위해 두꺼운 강판을 적층하는 것은 유도전동기의 효율을 개선하는 방법 중 하나이므로 옳지 않은 것은 아닙니다.
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19. 고속 스위칭, 전압 구동 특성과 바이폴라 트랜지스터의 낮은 ON 전압 특성을 복합한 전력변환소자는?

  1. IGBT
  2. IGCT
  3. Triac
  4. Thyristor
(정답률: 81%)
  • IGBT는 고속 스위칭, 전압 구동 특성과 바이폴라 트랜지스터의 낮은 ON 전압 특성을 모두 갖춘 전력변환소자입니다. 따라서, 주어진 보기 중에서 IGBT가 가장 적합한 답입니다. IGCT는 IGBT와 유사하지만 더 높은 전압과 전류를 다룰 수 있습니다. Triac과 Thyristor는 AC 전원에서 사용되는 단상 및 삼상 전력 제어용 소자입니다.
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20. 다음 그림의 컨버터에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. C를 증가시키면 출력전압의 리플이 감소한다.
  2. L을 증가시키면 인덕터 전류의 리플이 감소한다.
  3. Boost 컨버터로 DC 전압을 승압하기 위한 컨버터이다.
  4. 입력전압이 10[V]이고 듀티비가 25[%]일 경우 출력전압은 2.5[V]이다.
(정답률: 59%)
  • 입력전압이 10[V]이고 듀티비가 25[%]일 경우 출력전압은 2.5[V]이라는 설명이 옳지 않습니다. Boost 컨버터는 입력전압을 승압하기 위한 컨버터로, 입력전압이 듀티비와 인덕터, 커패시터 등의 구성요소에 의해 변환되어 출력전압이 결정됩니다. 듀티비가 증가하면 출력전압도 증가하며, 인덕터와 커패시터의 용량이 커질수록 출력전압의 리플이 감소합니다. 따라서 입력전압이 10[V]이고 듀티비가 25[%]일 경우 출력전압은 입력전압을 듀티비의 역수로 곱한 값인 40[V]가 됩니다.
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