9급 지방직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2018-05-19)

9급 지방직 공무원 전기기기 2018-05-19 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 전기기기
(2018-05-19 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 3상 변압기의 결선방법 중 수전단 변전소용 변압기와 같이 고전압을 저전압으로 강압할 때, 주로 사용되는 것은?

  1. Δ－Δ 결선
  2. Y－Y 결선
  3. Y－Δ 결선
  4. Δ－Y 결선
(정답률: 85%)
  • 수전단 변전소와 같이 고전압을 저전압으로 강압하는 경우에는 1차측에 Y결선을 사용하여 중성점을 접지함으로써 절연 레벨을 낮추고, 2차측에 $\Delta$결선을 사용하여 안정적인 전원을 공급하는 Y-$\Delta$ 결선 방식을 주로 사용합니다.
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2. 3상 농형 유도전동기에서 고정자 권선의 결선을 ∆에서 Y로 바꾸면 기동 전류의 변화로 옳은 것은?

  1. 3배로 증가
  2. √3배로 증가
  3. 1/√3배로 감소
  4. 1/3배로 감소
(정답률: 75%)
  • 유도전동기의 결선을 $\Delta$에서 $Y$로 변경하면 상전압이 $\frac{1}{\sqrt{3}}$배로 감소하며, 이로 인해 기동 전류는 $\Delta$ 결선일 때보다 $\frac{1}{3}$배로 감소하게 됩니다.
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3. 극수 8, 동기속도 3,000[rpm]인 동기발전기와 병렬 운전하는 극수가 6인 동기발전기의 회전수[rpm]는?

  1. 3,600
  2. 3,800
  3. 4,000
  4. 4,200
(정답률: 93%)
  • 병렬 운전을 위해서는 두 발전기의 주파수가 반드시 동일해야 합니다. 먼저 첫 번째 발전기의 주파수를 구한 뒤, 이를 이용해 두 번째 발전기의 회전수를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{p N_s}{120}$ , $$N_{s2} = \frac{120 f}{p_2}$$
    ② [숫자 대입] $f = \frac{8 \times 3000}{120} = 200\text{ Hz}$ , $$N_{s2} = \frac{120 \times 200}{6}$$
    ③ [최종 결과] $N_{s2} = 4000$
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4. 동기발전기의 전기자 권선을 단절권으로 하는 이유는?

  1. 절연 증가
  2. 유효 자속 증가
  3. 역률 개선
  4. 고조파 개선
(정답률: 90%)
  • 동기발전기에서 권선을 단절권으로 설계하는 핵심 목적은 기전력의 파형을 개선하여 고조파를 제거하고, 전압의 정현파 성분을 높이기 위함입니다.
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5. 100[W], 220/22[V]의 2권선 변압기를 승압 단권변압기로 결선을 변경하고 저압측에 전압 220[V]를 공급할 때, 고압측 전압[V]은?

  1. 242
  2. 264
  3. 2,200
  4. 2,420
(정답률: 65%)
  • 단권변압기의 승압 전압은 원래의 1차 전압에 권수비에 따른 유도 전압이 더해지는 구조입니다.
    기존 변압기의 권수비 $a = 220 / 22 = 10$이며, 단권 결선 시 저압측에 $220$ V를 공급하면 고압측에는 $220$ V와 $22$ V가 직렬로 연결된 효과가 나타납니다.
    ① [기본 공식] $V_2 = V_1 + V_{ind}$
    ② [숫자 대입] $V_2 = 220 + 22$
    ③ [최종 결과] $V_2 = 242$ V
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6. 그림과 같은 컨버터에서 입력전압 Vin은 200[V], 스위치(S/W)의 듀티비는 0.5, 부하저항 R은 10[Ω]이다. 이 컨버터의 부하저항 R에 흐르는 전류 iR의 평균치[A]는? (단, 커패시턴스 C와 인덕턴스 L은 충분히 크다고 가정한다)

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 42%)
  • 제시된 회로는 전압을 높이는 부스트 컨버터입니다. 듀티비 $D$를 이용하여 출력 전압 $V_o$를 구한 뒤, 옴의 법칙으로 전류를 계산합니다.
    ① [출력 전압] $V_o = \frac{V_{in}}{1 - D} = \frac{200}{1 - 0.5} = 400$ V
    ② [평균 전류] $i_R = \frac{V_o}{R} = \frac{400}{10}$
    ③ [최종 결과] $i_R = 40$ A
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7. 변압기의 각종 전류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 1차측 전류는 자속 생성을 위한 여자전류와 2차측으로 공급되는 부하전류로 구성된다.
  2. 무부하 전류는 철손전류와 자화전류로 구성되며, 두 전류의 위상은 같다.
  3. 정현파 전압을 인가하더라도 무부하 전류는 고조파 성분을 갖는 경우가 많다.
  4. 1차측 전류에서 여자전류를 제외한다면, 1차측과 2차측 권선 기자력의 크기는 동일하다.
(정답률: 67%)
  • 무부하 전류(여자전류)는 자속을 만드는 자화전류와 철심에서 손실되는 철손전류의 벡터 합으로 구성됩니다.
    철손전류는 저항 성분이고 자화전류는 리액턴스 성분이므로, 두 전류의 위상은 $90^{\circ}$ 차이가 납니다.

    오답 노트
    1차측 전류는 여자전류와 부하전류의 합이 맞습니다.
    무부하 전류는 비선형 특성으로 인해 고조파를 포함하는 경우가 많습니다.
    여자전류를 제외한 부하전류 성분만 고려하면 1, 2차측 기자력은 동일합니다.
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8. 1,200[rpm]에서 정격출력 16[kW]인 전동기에 축 반경 40[cm]인 벨트가 연결되어 있을 때, 정격 조건에서 이 벨트에 작용하는 힘[N]은?

  1. 1000/π
  2. 1200/π
  3. 1400/π
  4. 1600/π
(정답률: 53%)
  • 벨트에 작용하는 힘은 전동기의 토크를 반지름으로 나누어 구할 수 있습니다.
    출력 $P$와 회전수 $n$을 이용하여 토크를 구한 뒤, 축 반경 $r$을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $F = \frac{P}{2 \pi n r}$
    ② [숫자 대입] $F = \frac{16000}{2 \pi \times \frac{1200}{60} \times 0.4}$
    ③ [최종 결과] $F = \frac{1000}{\pi}$ N
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9. 3,300[V], 60[Hz], 10극, 170[kW]의 3상 유도전동기가 전부하에서 회전자 동손이 5[kW], 기계손이 5[kW]일 때, 회전수[rpm]는?

  1. 694
  2. 700
  3. 706
  4. 712
(정답률: 68%)
  • 유도전동기의 회전수는 동기 속도에서 슬립에 의한 감소분을 제외하여 계산합니다.
    먼저 전동기의 입력 $P_2$는 출력, 동손, 기계손의 합이며, 슬립 $s$는 동기 와트(입력)에 대한 회전자 동손의 비율로 구합니다.
    ① [동기 속도] $N_s = \frac{120 f}{P} = \frac{120 \times 60}{10} = 720$ rpm
    ② [슬립] $s = \frac{P_{cu}}{P_2} = \frac{5}{170 + 5 + 5} = \frac{5}{180} = \frac{1}{36}$
    ③ [회전수] $N = N_s(1 - s) = 720(1 - \frac{1}{36}) = 700$ rpm
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10. 그림은 직류 분권전동기의 속도와 토크의 관계를 나타낸다. 점선으로 나타낸 기준 특성으로부터 ㉠과 ㉡의 속도－토크 특성으로 변경하려고 할 때, 각각의 제어 방법으로 옳은 것은? (순서대로 ㉠, ㉡)

  1. 전기자전압 증가, 계자저항 감소
  2. 전기자전압 감소, 계자저항 감소
  3. 전기자전압 증가, 계자저항 증가
  4. 전기자전압 감소, 계자저항 증가
(정답률: 50%)
  • 직류 분권전동기의 속도-토크 특성 곡선에서 속도를 높이려면 전기자 전압을 증가시키거나 계자 자속을 감소시켜야 합니다.
    ㉠은 기준선보다 속도가 전체적으로 상승한 형태이므로 전기자전압 증가가 필요하며, ㉡은 기울기가 완만해지며 무부하 속도가 증가한 형태이므로 계자저항 증가(자속 감소)를 통해 제어합니다.
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11. 정격에서 백분율 저항강하 2[%], 백분율 리액턴스 강하 4[%]의 단상 변압기를 역률 80[%]의 전부하로 운전할 때, 전압변동률[%]은?

  1. 3.2
  2. 4.0
  3. 4.8
  4. 5.4
(정답률: 88%)
  • 변압기의 전압변동률은 백분율 저항강하와 리액턴스강하, 그리고 부하의 역률과 무효율을 이용하여 계산합니다.
    역률이 $80\%$이므로 무효율은 $\sqrt{1-0.8^2} = 0.6$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = p \cos \theta + q \sin \theta$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = 2 \times 0.8 + 4 \times 0.6$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 4.0$
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12. 다음 직류발전기의 종류 중 정전압 특성이 가장 좋은 것은?

  1. 직권발전기
  2. 분권발전기
  3. 타여자발전기
  4. 차동복권발전기
(정답률: 60%)
  • 타여자발전기는 계자 권선이 외부 전원에 의해 독립적으로 여자되므로, 부하 전류의 변화에 관계없이 자속이 일정하게 유지되어 정전압 특성이 가장 우수합니다.

    오답 노트
    차동복권발전기: 정전류 특성
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13. 6극, 60[Hz]의 3상 권선형 유도전동기의 회전자 저항이 r2이고 전부하 슬립이 5[%]일 때, 1,080[rpm]에서 전부하와 동일한 토크로 운전하려면, 회전자에 직렬로 추가해야 할 저항은?

  1. 0.5r2
  2. r2
  3. 1.5r2
  4. 2r2
(정답률: 71%)
  • 동일한 토크를 유지하기 위해서는 슬립과 회전자 저항의 곱이 일정해야 한다는 원리를 이용합니다.
    먼저 동기속도 $N_s = \frac{120 \times 60}{6} = 1200$ rpm이며, $1080$ rpm일 때의 슬립 $s' = \frac{1200-1080}{1200} = 0.1$ 입니다.
    ① [기본 공식] $s r_2 = s' (r_2 + R)$
    ② [숫자 대입] $0.05 r_2 = 0.1 (r_2 + R)$
    ③ [최종 결과] $R = r_2$
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14. 태양전지(Solar-cell)를 이용한 태양광 발전으로부터 얻은 전력으로 220[V]의 유도전동기를 사용한 펌프를 운전하려고 할 때, 필요한 전력변환장치를 순서대로 바르게 나열한 것은?

  1. 태양전지 → 인버터 → 다이오드정류기 → 유도전동기
  2. 태양전지 → DC/DC 컨버터 → 다이오드정류기 → 유도전동기
  3. 태양전지 → 다이오드정류기 → DC/DC 컨버터 → 유도전동기
  4. 태양전지 → DC/DC 컨버터 → 인버터 → 유도전동기
(정답률: 68%)
  • 태양전지에서 생성된 전력은 직류(DC)이며, 이를 유도전동기(AC)에 공급하기 위해서는 전압을 조정하는 DC/DC 컨버터와 직류를 교류로 변환하는 인버터가 순서대로 필요합니다.
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15. 전기자저항 0.2[Ω], 단자전압 100[V]인 타여자 직류발전기의 전부하전류가 100[A]일 때, 전압변동률[%]은? (단, 브러시의 전압강하와 전기자반작용은 무시한다)

  1. 15
  2. 20
  3. 25
  4. 30
(정답률: 92%)
  • 전압변동률은 무부하 시의 단자전압(유도기전력)과 정격 부하 시의 단자전압의 차이를 정격 단자전압으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = \frac{E - V}{V} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = \frac{(100 + 100 \times 0.2) - 100}{100} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 20$
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16. 전기자저항이 0.2[Ω]인 타여자 직류발전기가 속도 1,000[rpm], 단자전압 480[V]로 100[A]의 부하전류를 공급하고 있다. 이 발전기가 500[rpm]에서 100[A]의 부하전류를 공급한다면 단자전압[V]은? (단, 계자전류는 동일하고, 브러시의 전압강하와 전기자반작용은 무시한다)

  1. 220
  2. 230
  3. 240
  4. 250
(정답률: 63%)
  • 발전기의 유도기전력은 회전 속도에 비례하며, 단자전압은 유도기전력에서 전기자 저항에 의한 전압강하를 뺀 값입니다.
    ① [기본 공식] $V = E - I R$
    ② [숫자 대입] $V = (500 \times \frac{500}{1000}) - (100 \times 0.2)$
    ③ [최종 결과] $V = 230$
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17. 직류전원으로 직류전동기의 속도와 회전방향을 제어하기 위해 가장 적합한 회로는?

  1. H 브리지 초퍼 회로
  2. 휘스톤 브리지 회로
  3. 3상 인버터 회로
  4. 전파정류회로
(정답률: 64%)
  • H 브리지 초퍼 회로는 스위칭 소자의 조합을 통해 전류의 방향을 바꿀 수 있어 직류전동기의 정·역전 제어가 가능하며, 듀티비를 조절하여 속도 제어까지 수행할 수 있는 가장 적합한 회로입니다.
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18. 그림과 같이 30°의 경사면으로 벨트를 이용하여 500[kg]의 물체를 0.1[m/sec]의 속력으로 끌어올리는 전동기를 설계할 때, 요구되는 전동기의 최소한의 출력[W]은? (단, 전동기－벨트 연결부의 효율은 70[%]로 가정하고, 경사면의 마찰은 무시한다)

  1. 330
  2. 340
  3. 350
  4. 360
(정답률: 60%)
  • 경사면에서 물체를 끌어올리기 위해 필요한 힘은 중력의 경사면 성분이며, 전동기의 출력은 이 힘에 속도를 곱한 뒤 효율로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{m g \sin \theta \times v}{\eta}$
    ② [숫자 대입] $P = \frac{500 \times 9.8 \times \sin 30^{\circ} \times 0.1}{0.7}$
    ③ [최종 결과] $P = 350$
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19. 효율 90[%]인 3상 동기발전기가 200[kVA], 역률 90[%]의 전력을 부하에 공급할 때, 이 발전기를 운전하기 위한 원동기의 입력[kW]은? (단, 원동기의 효율은 80[%]이다)

  1. 220
  2. 230
  3. 240
  4. 250
(정답률: 74%)
  • 발전기가 부하에 공급하는 유효전력을 구한 뒤, 발전기 효율과 원동기 효율을 모두 나누어 최종 입력 전력을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P_{in} = \frac{P \times \cos\theta}{\eta_1 \times \eta_2}$
    ② [숫자 대입] $P_{in} = \frac{200 \times 0.9}{0.9 \times 0.8}$
    ③ [최종 결과] $P_{in} = 250$
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20. 3상 유도전동기로 직류 분권발전기를 운전하고 있다. 운전을 멈추고 유도전동기의 고정자 두 상의 결선을 서로 바꿔 운전할 때, 발전기의 출력 전압은?

  1. 출력 전압이 발생하지 않는다.
  2. 출력 전압의 극성은 반대가 되지만, 크기는 상승한다.
  3. 출력 전압의 극성은 반대가 되지만, 크기는 동일하다.
  4. 출력 전압의 극성과 크기는 모두 동일하다.
(정답률: 50%)
  • 3상 유도전동기의 고정자 두 상의 결선을 서로 바꾸면 회전 방향이 반대가 됩니다. 직류 분권발전기를 구동하는 경우, 회전 방향이 바뀌면 계자 전류의 방향과 전기자 유도 기전력의 방향 관계가 어긋나거나 정상적인 자속 형성이 되지 않아 출력 전압이 발생하지 않습니다.
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