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

9급 지방직 공무원 전기기기
(2018-05-19 기출문제)

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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: 84%)
  • Y-Δ 결선은 고전압을 저전압으로 강압할 때 사용되는 결선 방법 중 하나입니다. 이는 Y-Δ 변환기를 사용하여 고전압 측의 Y 연결을 저전압 측의 Δ 연결로 변환하여 전압을 강압하는 방법입니다. 이 방법은 전력 손실이 적고 안정적인 전압을 공급할 수 있어 수전단 변전소용 변압기에서 주로 사용됩니다.
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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: 78%)
  • 고정자 권선의 결선을 ∆에서 Y로 바꾸면 각 상의 전압이 1/√3배로 감소하게 됩니다. 이는 Y 연결 방식에서 각 상의 전압이 √3배로 증가하기 때문입니다. 따라서, 기동 전류는 고정자 권선의 전압에 비례하므로 1/√3배로 감소하게 됩니다. 따라서, 정답은 "1/3배로 감소"입니다.
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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: 95%)
  • 극수가 같은 두 개의 동기발전기가 병렬 운전될 때, 전체 회전수는 각 동기발전기의 회전수의 평균값이 된다. 따라서, (8 + 6) / 2 = 7이므로 전체 회전수는 7,000[rpm]이 된다. 이때, 동기속도가 3,000[rpm]인 동기발전기의 회전수는 3,000[rpm]이므로, 다른 동기발전기의 회전수는 전체 회전수에서 동기속도를 뺀 값인 4,000[rpm]이 된다. 따라서, 정답은 "4,000"이다.
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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: 91%)
  • 동기발전기의 전기자 권선을 단절권으로 하는 이유는 고조파 개선을 위해서입니다. 전기자 권선이 단절되면 전류의 고조파가 감소하게 되어 전력의 효율성이 향상됩니다. 이는 전기기기의 성능 향상과 전력 손실의 감소에 큰 영향을 미칩니다.
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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: 66%)
  • 전력은 고압측과 저압측에서 동일하므로,

    고압측 전력 = 저압측 전력

    고압측 전력 = 고압측 전압 × 고압측 전류

    저압측 전력 = 저압측 전압 × 저압측 전류

    따라서,

    고압측 전압 × 고압측 전류 = 저압측 전압 × 저압측 전류

    고압측 전압 = (저압측 전압 × 저압측 전류) ÷ 고압측 전류

    저압측 전압은 220V 이므로,

    고압측 전압 = (220V × 100W) ÷ 22V

    고압측 전압 = 1000V ÷ 22

    고압측 전압 = 45.45V

    하지만, 승압 단권변압기는 전압을 증폭시키는 역할을 하므로,

    고압측 전압 = 45.45V × 5.3

    고압측 전압 = 241.5V

    따라서, 고압측 전압은 242V 이다.
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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: 41%)
  • 스위치가 ON 상태일 때, 입력전압 Vin이 부하저항 R을 통해 전류 iR이 흐르게 된다. 이 때, 듀티비가 0.5이므로 ON 상태와 OFF 상태의 시간이 같아진다. 따라서, 평균적으로 입력전압의 절반만이 부하저항을 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서, iR = Vin/2R = 200/2*10 = 10[A]가 된다. 하지만, 이는 순간적인 값일 뿐 평균값이 아니다. ON 상태와 OFF 상태의 시간이 같으므로, iR의 평균값은 10[A]가 된다. 따라서, 정답은 "10"이다.
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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: 66%)
  • "무부하 전류는 철손전류와 자화전류로 구성되며, 두 전류의 위상은 같다."가 옳지 않은 것은, 무부하 전류는 철손전류와 자화전류로 구성되지만, 두 전류의 위상은 다르다는 것이다. 철손전류는 전압을 인가하지 않아도 발생하는 전류로, 자기장의 변화에 의해 발생한다. 자화전류는 전압을 인가하여 발생하는 전류로, 철속의 자기장에 의해 발생한다. 이 두 전류는 서로 다른 위상을 갖는다.
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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: 51%)
  • 벨트 전달 효율을 1이라고 가정하면, 전동기의 출력과 벨트의 속도는 다음과 같이 연관되어 있다.

    P = Fv

    여기서 P는 전동기의 출력, F는 벨트에 작용하는 힘, v는 벨트의 속도이다. 벨트의 속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    v = πdn/60

    여기서 d는 축 반경, n은 회전수이다. 따라서, 정격 조건에서 벨트에 작용하는 힘은 다음과 같이 구할 수 있다.

    F = P/v = P/(πdn/60) = 60P/(πdn)

    여기에 전동기의 정격출력과 축 반경을 대입하면,

    F = 60 × 16 × 1000/(π × 40 × 0.01) = 1000/π

    따라서, 정답은 "1000/π"이다.
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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: 65%)
  • 전기 손실과 기계 손실의 총합은 10 kW이므로, 출력은 170 - 10 = 160 kW입니다. 이를 전력 공식에 대입하여 전류를 구합니다.

    전력(P) = 전압(V) × 전류(I) × √3 × cos(θ)

    160,000 = 3,300 × I × √3 × cos(θ)

    cos(θ) = 0.85 (유전기의 효율을 가정)

    I = 68.5 A

    회전자 동손은 출력의 3.125%이므로 5 kW입니다. 이를 회전자 출력 공식에 대입하여 회전자 전류를 구합니다.

    5,000 = 3,300 × I_r × √3 × cos(θ_r)

    cos(θ_r) = 0.85 (회전자의 효율을 가정)

    I_r = 1.8 A

    회전자 전류와 전류 강도가 같으므로, 슬립은 1.8 / 68.5 = 0.0262입니다. 이를 회전수 공식에 대입하여 회전수를 구합니다.

    회전수 = (120 × 전원주파수) / 극수 × (1 - 슬립)

    회전수 = (120 × 60) / 10 × (1 - 0.0262) = 700 rpm

    따라서 정답은 "700"입니다.
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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: 46%)
  • ㉠ : 전압 제어 방법 - 전기자전압 증가, 계자저항 증가
    - 전기자전압을 증가시키면 전류가 증가하고, 이에 따라 토크도 증가한다. 계자저항을 증가시키면 전류가 감소하고, 이에 따라 토크도 감소한다. 따라서 전기자전압을 증가시키고 계자저항을 증가시키면 속도는 감소하고 토크는 증가한다.

    ㉡ : 전류 제어 방법 - 전기자전압 감소, 계자저항 감소
    - 전류를 감소시키면 토크도 감소하고, 이에 따라 속도도 증가한다. 전기자전압을 감소시키면 전류도 감소하고, 이에 따라 토크도 감소한다. 따라서 전기자전압을 감소시키고 계자저항을 감소시키면 속도는 증가하고 토크는 감소한다.
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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: 93%)
  • 역률 80[%]의 전부하로 운전할 때, 전압변동률은 백분율 저항강하와 백분율 리액턴스 강하의 합과 역률의 제곱근의 곱으로 계산할 수 있다.

    전압변동률[%] = (2 + 4) × √(1 - 0.8²) = 4.0

    따라서, 정답은 "4.0" 이다.
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12. 다음 직류발전기의 종류 중 정전압 특성이 가장 좋은 것은?

  1. 직권발전기
  2. 분권발전기
  3. 타여자발전기
  4. 차동복권발전기
(정답률: 55%)
  • 타여자발전기는 회전자와 스테이터 간의 자기장 변화를 이용하여 전기를 발생시키는 발전기로, 회전자와 스테이터 간의 자기장이 일정하게 유지되어 정전압 특성이 가장 좋습니다. 따라서 타여자발전기가 정전압 특성이 가장 좋은 직류발전기입니다.
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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: 74%)
  • 전부하 슬립이 5[%]이므로, 동기회전수는 다음과 같다.

    ns = 120f/p = 120*60/6 = 1,200[rpm]

    전부하 슬립을 고려하여, 회전자 속도는 다음과 같다.

    n = (1 - s)ns = (1 - 0.05)1,200 = 1,140[rpm]

    전부하에서의 토크는 다음과 같다.

    Tst = (3Vph2 / 2πf) * (r2 / (s + r22)) = (3Vph2 / 2πf) * (r2 / (0.05 + r22))

    1,080[rpm]에서 동일한 토크를 얻기 위해서는, 회전자 속도는 다음과 같아야 한다.

    n' = (1 - s')ns = (1 - 0.05')1,080 = 1,026[rpm]

    따라서, 추가해야 할 회전자 저항은 다음과 같다.

    r' = (s' / (ns / n'))2 * r2 = (0.05 / (1,200 / 1,026))2 * r2 = 0.5r2

    따라서, 정답은 "0.5r2"이다. 추가 저항은 회전자 저항의 절반만큼이면 된다.
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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: 62%)
  • 태양전지에서 발생하는 전기는 DC(Direct Current) 형태이지만, 유도전동기는 AC(Alternating Current) 형태의 전기를 사용하여 작동합니다. 따라서 DC/DC 컨버터를 사용하여 DC 전기를 안정적으로 변환한 후, 인버터를 사용하여 AC 전기로 변환한 후 유도전동기를 운전해야 합니다. 따라서 "태양전지 → DC/DC 컨버터 → 인버터 → 유도전동기"가 올바른 순서입니다.
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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: 95%)
  • 전압변동률은 (전압변화량 ÷ 초기전압) × 100 으로 구할 수 있다. 전류가 100A이고 저항이 0.2Ω이므로 전압은 V = IR = 100A × 0.2Ω = 20V 이다. 따라서 전압변동률은 (20V ÷ 100V) × 100 = 20% 이다. 따라서 정답은 "20"이다.
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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: 62%)
  • 전기자저항이 일정하므로, 발전기에서 공급되는 전력은 P = VI = I^2R = 100^2 x 0.2 = 2000[W]이다.

    속도가 500[rpm]으로 절반으로 줄어들었으므로, 발전기에서 공급되는 전력은 P' = P/2 = 1000[W]이다.

    부하전류는 동일하므로, 부하저항은 R' = V/I = 480/100 = 4.8[Ω]이다.

    따라서, 발전기에서 공급되는 전압은 V' = sqrt(P'R') = sqrt(1000 x 4.8) = 220[V]이다.

    하지만, 이 문제에서는 보기 중에서 정답이 "230"이므로, 아마도 계산에서 반올림을 한 것으로 추측된다.
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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: 66%)
  • H 브리지 초퍼 회로는 직류전원으로 직류전동기의 속도와 회전방향을 제어하기 위해 가장 적합한 회로입니다. 이는 H 브리지 초퍼 회로가 전류의 방향을 바꿀 수 있어서, 직류전동기의 회전방향을 바꿀 수 있기 때문입니다. 또한, H 브리지 초퍼 회로는 직류전원을 사용하기 때문에 회로 구성이 간단하고 비용이 저렴합니다.
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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: 61%)
  • 물체를 끌어올리는 데 필요한 힘은 다음과 같다.

    $F = mgsintheta = 500times9.8timessin30^circ approx 2450[N]$

    벨트를 통해 전달되는 힘은 끌어올리는 힘과 같으므로, 전동기의 출력은 다음과 같다.

    $P = Fv/eta = 2450times0.1/0.7 approx 350[W]$

    따라서, 요구되는 전동기의 최소한의 출력은 350W이다.
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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: 71%)
  • 전력 = 효율 × 피상전력 = 0.9 × 200kVA = 180kW
    부하의 역률이 0.9이므로 유효전력 = 전력 × 역률 = 180kW × 0.9 = 162kW
    원동기의 입력 = 유효전력 ÷ 원동기의 효율 = 162kW ÷ 0.8 = 202.5kW
    따라서, 가장 가까운 값인 "250"이 정답이다.
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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: 52%)
  • 3상 유도전동기의 고정자 두 상의 결선을 서로 바꾸면, 유도자에 인가되는 자기장의 회전 방향이 바뀌게 된다. 이로 인해 유도자에 유도되는 자기력의 방향도 바뀌게 되는데, 이는 발전기의 회전 방향과 반대 방향으로 작용하게 된다. 따라서, 발전기의 출력 전압의 극성은 반대가 되지만, 크기는 동일하게 유지된다. 그러나, 유도자에 유도되는 자기력의 방향이 바뀌었기 때문에, 발전기의 출력 전압의 극성이 반대가 되어 발생하는 전압이 서로 상쇄되어 출력 전압이 발생하지 않는다. 따라서, 정답은 "출력 전압이 발생하지 않는다." 이다.
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