9급 지방직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2016-06-18)

9급 지방직 공무원 전기기기 2016-06-18 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 전기기기
(2016-06-18 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 보극이 없는 직류전동기의 브러시 위치를 무부하 중성점으로부터 이동시키는 이유와 이동 방향은?

  1. 정류작용이 잘 되게 하기 위하여 전동기 회전 방향으로 브러시를 이동한다.
  2. 정류작용이 잘 되게 하기 위하여 전동기 회전 반대 방향으로 브러시를 이동한다.
  3. 유기기전력을 증가시키기 위하여 전동기 회전 방향으로 브러시를 이동한다.
  4. 유기기전력을 증가시키기 위하여 전동기 회전 반대 방향으로 브러시를 이동한다.
(정답률: 70%)
  • 보극이 없는 직류전동기에서는 전기자 반작용으로 인해 중성점이 이동합니다. 이때 정류 작용을 원활하게 하여 불꽃 발생을 억제하기 위해 브러시를 전동기의 회전 반대 방향으로 이동시켜야 합니다.
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2. 직류기 손실 중 기계손이 아닌 것은?

  1. 베어링손
  2. 와전류손
  3. 브러시 마찰손
  4. 풍손
(정답률: 84%)
  • 와전류손은 철심 내부에서 발생하는 전기적 손실로, 기계적 마찰이나 공기 저항에 의한 손실이 아닌 전기적 손실(철손)에 해당합니다.

    오답 노트
    베어링손, 브러시 마찰손, 풍손: 모두 회전 시 발생하는 물리적 마찰이나 공기 저항에 의한 기계손입니다.
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3. 무부하로 회전하고 있는 3상 동기전동기를 과여자로 운전하는 경우에 발생하는 현상으로 옳은 것은? (단, 전동기의 손실은 무시한다)

  1. 증자작용이 일어난다.
  2. 공급전압보다 위상이 90° 앞선 전류가 흐른다.
  3. 탈조가 발생한다.
  4. 유효전력이 증가한다.
(정답률: 78%)
  • 동기전동기를 과여자로 운전하면 계자 전류가 증가하여 내부 유기기전력이 공급전압보다 커지게 됩니다. 이때 전동기는 콘덴서처럼 동작하여 공급전압보다 위상이 $90^{\circ}$ 앞선 진상 전류(무효전력 공급)가 흐르게 됩니다.
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4. 변압기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전압변동률은 누설 리액턴스와 권선 저항에 의해 영향을 받으며, 일반적으로 클수록 좋다.
  2. 변압기의 동손은 전류의 제곱에 비례하고, 철손은 전압의 제곱에 거의 비례한다.
  3. 자화 전류는 인가된 전압과 90° 위상차를 가지고, 철손 전류는 인가된 전압과 동상이다.
  4. 철심의 저항률을 높이고 적층된 철심을 사용하면 와전류손을 줄일 수 있다.
(정답률: 82%)
  • 전압변동률은 부하의 변화에 따라 단자 전압이 변하는 비율을 의미하며, 전압이 일정하게 유지될수록 안정적이므로 일반적으로 작을수록 좋습니다.

    오답 노트
    동손과 철손의 특성: 동손은 $I^{2}R$에 비례하고, 철손은 전압의 제곱에 비례하는 것이 맞습니다.
    자화 및 철손 전류: 자화 전류는 무효 성분으로 전압보다 $90^{\circ}$ 늦고, 철손 전류는 유효 성분으로 전압과 동상입니다.
    와전류손 저감: 저항률을 높이거나 성층 철심을 사용하면 와전류 경로를 차단하여 손실을 줄일 수 있습니다.
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5. 다음 ㉠, ㉡, ㉢에 들어갈 용어를 바르게 나열한 것은? (순서대로 ㉠, ㉡, ㉢)

  1. 자화, 여자, 철손
  2. 여자, 자화, 철손
  3. 자화, 철손, 동손
  4. 동손, 자화, 철손
(정답률: 84%)
  • 변압기의 무부하 전류에 대한 정의를 묻는 문제입니다. 변압기의 무부하 전류는 여자 전류라고 하며, 이는 자속을 생성하는 자화 전류와 철심에서 발생하는 손실(히스테리시스손, 와전류손)을 보충하는 철손 전류의 벡터 합으로 구성됩니다.
    따라서 ㉠ 여자, ㉡ 자화, ㉢ 철손 순으로 나열하는 것이 옳습니다.
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6. 85[%] 부하에서 최대 효율을 가지는 직류발전기가 전부하로 운전될 때, 고정손과 부하손의 비율은? (순서대로 고정손 : 부하손)

  1. 1.19 : 1
  2. 1 : 1
  3. 0.81 : 1
  4. 0.72 : 1
(정답률: 72%)
  • 최대 효율 조건은 고정손과 부하손이 같을 때 발생합니다. 부하율 $m$에서 최대 효율을 가질 때, 전부하 시의 고정손 $P_i$와 전부하 시의 부하손 $P_{cu}$의 관계는 $P_i = m^2 \times P_{cu}$가 성립합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{P_i}{P_{cu}} = m^2$
    ② [숫자 대입] $\frac{P_i}{P_{cu}} = 0.85^2$
    ③ [최종 결과] $\frac{P_i}{P_{cu}} = 0.7225 \approx 0.72 : 1$
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7. 10,000[kVA], 8,000[V]의 Y결선 3상 동기발전기가 있다. 1상의 동기 임피던스가 4[Ω]이면 이 발전기의 단락비는?

  1. 1.2
  2. 1.4
  3. 1.6
  4. 1.8
(정답률: 78%)
  • 단락비는 동기 임피던스의 역수에 비례하며, Y결선 발전기의 상전압과 정격 전류를 통해 구할 수 있습니다. 먼저 정격 전류 $I_n$을 구합니다.
    $$I_n = \frac{P}{\sqrt{3} \times V} = \frac{10000 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 8000} = 721.7\text{ A}$$
    단락비 $K_s$는 정격 전압을 $\sqrt{3}$으로 나눈 상전압을 동기 임피던스로 나눈 값과 정격 전류의 비로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $K_s = \frac{V_{phase}}{I_n \times Z_s}$
    ② [숫자 대입] $K_s = \frac{8000 / \sqrt{3}}{721.7 \times 4}$
    ③ [최종 결과] $K_s = 1.6$
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8. 20극인 권선형 유도전동기를 60[Hz]의 전원에 접속하고 전부하로 운전할 때, 2차 회로의 주파수가 6[Hz]이다. 이때 2차 동손이 600[W]라면 기계적 출력[kW]은?

  1. 3.4
  2. 4.4
  3. 5.4
  4. 6.4
(정답률: 82%)
  • 권선형 유도전동기에서 기계적 출력은 2차 동손과 슬립의 관계를 이용하여 구할 수 있습니다. 먼저 슬립 $s$는 2차 주파수와 전원 주파수의 비로 구합니다.
    $$s = \frac{f_2}{f_1} = \frac{6}{60} = 0.1$$
    기계적 출력 $P_{out}$은 2차 동손 $P_{c2}$를 이용하여 다음과 같이 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P_{out} = \frac{1-s}{s} \times P_{c2}$
    ② [숫자 대입] $P_{out} = \frac{1-0.1}{0.1} \times 600$
    ③ [최종 결과] $P_{out} = 5400\text{ W} = 5.4\text{ kW}$
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9. 내부 임피던스가 8[Ω]인 앰프에 32[Ω]의 임피던스를 가진 스피커를 연결할 때 임피던스 정합용 변압기를 사용하여 최대 전력을 전달하고자 한다. 이 정합용 변압기의 앰프 측 권선수가 200이라면 스피커 측 권선수는?

  1. 50
  2. 100
  3. 200
  4. 400
(정답률: 60%)
  • 임피던스 정합을 위한 변압기의 권수비는 1차측과 2차측 임피던스의 제곱근 비와 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{N_1}{N_2} = \sqrt{\frac{Z_1}{Z_2}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{200}{N_2} = \sqrt{\frac{8}{32}}$
    ③ [최종 결과] $N_2 = 400$
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10. 그림과 같은 부하 특성을 갖는 팬을 전동기로 운전하고 있다. 부하의 속도가 현재 속도보다 2배 빨라진 경우, 부하를 운전하는 데 요구되는 전동기의 전력은? (단, 전동기의 손실은 무시한다)

  1. 1/2배가 된다.
  2. 동일하게 유지된다.
  3. 4배가 된다.
  4. 8배가 된다.
(정답률: 69%)
  • 팬 부하의 토크는 속도의 제곱에 비례하며, 전력은 토크와 각속도의 곱으로 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $P = T \times \omega = (k \omega^{2}) \times \omega = k \omega^{3}$
    ② [숫자 대입] $P = k (2\omega_{0})^{3} = 8k \omega_{0}^{3}$
    ③ [최종 결과] $P = 8$ 배
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11. 분권 직류전동기의 속도 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 단자전압을 증가시키면 속도가 증가한다.
  2. 전기자 회로의 직렬저항을 감소시키면 속도가 증가한다.
  3. 계자 회로의 저항을 감소시키면 속도가 증가한다.
  4. 무부하 운전을 하더라도 탈주(runaway)하지 않고, 최대속도에서 안정적으로 운전된다.
(정답률: 55%)
  • 분권 전동기의 속도는 계자 자속에 반비례합니다. 계자 회로의 저항을 감소시키면 계자 전류가 증가하여 자속이 커지므로, 결과적으로 속도는 감소하게 됩니다.

    오답 노트
    단자전압 증가: 역기전력 증가로 속도 증가
    전기자 직렬저항 감소: 전압강하 감소로 속도 증가
    무부하 운전: 분권 전동기는 정속도 특성을 가져 탈주하지 않음
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12. 무한모선(infinite bus)과 병렬로 연결된 동기발전기에서 유효전력 분담을 늘리기 위한 방법은?

  1. 동기발전기의 계자전류를 증가시킨다.
  2. 동기발전기의 계자전류를 감소시킨다.
  3. 동기발전기의 원동기 속도를 증가시킨다.
  4. 동기발전기의 원동기 속도를 감소시킨다.
(정답률: 50%)
  • 무한모선에 병렬 연결된 동기발전기에서 원동기의 입력(속도)을 증가시키면 부하각이 증가하여 계통으로 공급하는 유효전력이 증가하게 됩니다.
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13. 3상 권선형 유도전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 높은 회전자 저항은 유도전동기의 기동 토크를 감소시킨다.
  2. 유도전동기에서 최대 토크가 발생하는 슬립과 속도는 회전자 저항으로 제어할 수 있다.
  3. 유도전동기는 기기의 극수나 주파수 또는 단자전압을 변화시킴으로써 속도를 변화시킬 수 있다.
  4. 유도전동기의 최대 토크값은 회전자 저항과는 무관하다.
(정답률: 66%)
  • 권선형 유도전동기에서 회전자 저항을 높이면 비례적으로 기동 토크가 증가하며, 최대 토크가 발생하는 슬립이 커져 기동 특성이 개선됩니다. 따라서 높은 회전자 저항이 기동 토크를 감소시킨다는 설명은 틀린 것입니다.
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14. 입력 펄스 신호에 대하여 일정한 각도만큼 회전하며 회전 속도는 입력 펄스의 주파수에 비례하는 전동기는?

  1. 스테핑 전동기
  2. 타여자 직류전동기
  3. 유도전동기
  4. 동기전동기
(정답률: 87%)
  • 스테핑 전동기는 입력 펄스 하나당 일정 각도(Step Angle)만큼 회전하는 특성을 가진 전동기입니다. 회전 속도는 입력되는 펄스의 주파수(단위 시간당 펄스 수)에 정비례하므로, 정밀한 위치 제어와 속도 제어에 사용됩니다.
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15. 부하전류와 입력전압이 일정하게 운전되고 있는 변압기의 주파수가 60[Hz]에서 50[Hz]로 낮아질 경우 발생하는 현상으로 옳은 것은?

  1. 철손 증가
  2. 철손 감소
  3. 동손 증가
  4. 동손 감소
(정답률: 70%)
  • 변압기에서 자속 밀도 $B$는 주파수 $f$에 반비례합니다($V \approx 4.44 f N \Phi$). 전압이 일정할 때 주파수가 낮아지면 자속 밀도가 증가하여 철심이 자기 포화 상태에 이르게 되고, 이로 인해 히스테리시스손과 와전류손을 포함한 철손이 증가하게 됩니다.

    오답 노트
    동손 감소/증가: 부하전류가 일정하므로 동손($I^2 R$)은 변하지 않습니다.
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16. 다이오드 1개를 이용한 반파정류회로에 부하저항 R이 연결되어 있다. 이때 교류 입력전압의 실효값을 E[V]라 할 때 전류 I[A]의 평균값은? (단, 정류기의 전압 강하는 무시한다)

  1. E/2R
(정답률: 91%)
  • 반파 정류 회로에서 전류의 평균값은 입력 전압의 최대값을 $\pi$로 나눈 값에 저항의 역수를 곱하여 구합니다. 실효값이 $E$일 때 최대값은 $\sqrt{2}E$가 됩니다.
    ① [기본 공식] $I_{avg} = \frac{V_{max}}{\pi R}$
    ② [숫자 대입] $I_{avg} = \frac{\sqrt{2}E}{\pi R}$
    ③ [최종 결과] $I_{avg} = \frac{\sqrt{2}E}{\pi R}$
    따라서 정답은 입니다.
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17. 교류전원으로부터 전력변환장치를 사용하여 교류전동기를 가변속 운전하려 한다. 이를 위해 필요한 전력변환장치의 종류와 그 연결순서가 바르게 나열된 것은?

  1. 인버터 → 다이오드 정류기
  2. DC/DC 컨버터 → 인버터
  3. 다이오드 정류기 → 인버터
  4. 인버터 → 위상제어 정류기
(정답률: 65%)
  • 교류전동기의 속도를 가변하기 위해서는 교류 $\rightarrow$ 직류 $\rightarrow$ 교류의 변환 과정이 필요합니다. 먼저 다이오드 정류기를 통해 교류 전원을 직류로 바꾸고, 이후 인버터를 통해 원하는 주파수의 교류로 다시 변환하여 전동기에 공급해야 합니다. 따라서 다이오드 정류기 $\rightarrow$ 인버터 순서가 올바른 연결입니다.
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18. 다음 회로에서 교류전압 V0의 파형이 보기와 같을 때, 저항 R에서 측정되는 전압 VR의 파형은?

(정답률: 62%)
  • 제시된 회로는 전파 정류 회로의 일종으로, 입력 전압 $V_0$의 양(+)의 반주기와 음(-)의 반주기 모두를 한 방향의 전류로 변환합니다. 다만, 회로의 다이오드 배치와 저항 $R$에 표시된 전압 $V_R$의 극성($-$에서 $+$ 방향)을 분석하면, 출력 전압은 입력 파형의 절대값에 마이너스 부호를 붙인 형태가 됩니다. 따라서 모든 파형이 아래쪽(음의 영역)으로 솟은 전파 정류 파형인 가 정답입니다.
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19. 3상 460[V], 100[kW], 60[Hz], 4극 유도전동기가 0.05의 슬립으로 운전되고 있다. 회전자 및 고정자에 대한 회전자 자계의 상대속도[rpm]는? (순서대로 회전자에 대한 회전자 자계의 상대속도, 고정자에 대한 회전자 자계의 상대속도)

  1. 90, 1,800
  2. 0, 1,800
  3. 90, 0
  4. 1,710, 0
(정답률: 64%)
  • 회전자 자계의 속도는 항상 동기 속도 $N_{s}$와 같으며, 회전자에 대한 상대속도는 슬립 속도 $sN_{s}$와 같습니다.
    먼저 동기 속도 $N_{s}$를 구합니다.
    $$N_{s} = \frac{120f}{P}$$
    $$N_{s} = \frac{120 \times 60}{4}$$
    $$N_{s} = 1800\text{ rpm}$$
    회전자에 대한 상대속도 $N_{rel}$ 계산:
    $$N_{rel} = s \times N_{s}$$
    $$N_{rel} = 0.05 \times 1800$$
    $$N_{rel} = 90\text{ rpm}$$
    고정자에 대한 회전자 자계의 속도는 곧 동기 속도이므로 $1800\text{ rpm}$입니다.
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20. 4극, 60[Hz]인 3상 유도전동기가 1,750[rpm]으로 회전하고 있을 때, 전원의 a상, b상, c상 중에서 a상과 c상을 서로 바꾸어 접속하면 이때의 슬립은?

  1. 0.028
  2. 1.028
  3. 1.972
  4. 2.029
(정답률: 69%)
  • 상회전 방향을 바꾸면 동기 속도의 방향이 반대가 되어, 회전 방향과 자계 방향이 서로 반대가 됩니다. 이때의 슬립은 기존 슬립에 2를 더한 값과 같습니다.
    먼저 동기 속도 $N_{s}$를 구합니다.
    $$N_{s} = \frac{120f}{P}$$
    $$N_{s} = \frac{120 \times 60}{4}$$
    $$N_{s} = 1800\text{ rpm}$$
    역회전 시 슬립 $s'$ 계산:
    $$s' = \frac{N_{s} - (-N)}{N_{s}}$$
    $$s' = \frac{1800 - (-1750)}{1800}$$
    $$s' = 1.972$$
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