9급 지방직 공무원 서울시 전기기기 필기 기출문제복원 (2016-06-25)

9급 지방직 공무원 서울시 전기기기
(2016-06-25 기출문제)

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1. 극수 p의 3상 유도전동기가 주파수 f[Hz], 슬립 s, 토크 T[N⋅m]로 회전하고 있을 때 기계적 출력[W]은?

(정답률: 93%)
  • 기계적 출력은 다음과 같이 계산됩니다.

    기계적 출력 = 토크 × 회전속도

    회전속도는 주파수 f와 슬립 s를 이용하여 다음과 같이 계산됩니다.

    회전속도 = 2πf(1-s)/p

    따라서 기계적 출력은 다음과 같이 계산됩니다.

    기계적 출력 = 토크 × 2πf(1-s)/p

    위 보기에서 ""이 정답인 이유는 기계적 출력 공식에서 토크와 주파수가 모두 2배가 되면 출력도 4배가 되기 때문입니다. 따라서 주파수가 2배가 되면 출력은 2배가 되고, 주파수가 4배가 되면 출력은 4배가 되므로 ""이 정답입니다.
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2. 전력변환기기에 관한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 스위칭 소자인 사이리스터(Thyristor)는 off 제어가 가능한 단방향 전류 소자이다.
  2. 사이클로(Cyclro) 컨버터로 3상 동기전동기를 구동하는 것이 가능하다.
  3. 부스트(Boost) 컨버터로 직류 직권전동기를 구동하는 것이 가능하다.
  4. 전류형 인버터에는 리액터(Reactor)를 설치해야 한다.
(정답률: 90%)
  • 전류형 인버터에는 리액터(Reactor)를 설치해야 한다는 설명이 가장 옳지 않습니다. 전류형 인버터는 리액터 없이도 동작이 가능합니다.
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3. 어느 한 공장이 100[kVA]인 동일 정격의 단상 변압기 2대를 V결선으로 운영하고 있다. 변압기의 용량이 부족하여 동일한 한 대의 변압기를 추가하여 △결선하였다. 변압기를 추가하기 전에 비해 늘어난 용량[kVA]으로 가장 가까운 값은?

  1. 100.0
  2. 126.8
  3. 150.0
  4. 173.1
(정답률: 91%)
  • V결선에서 단상 변압기 2대를 운영하고 있으므로, 전체 용량은 200[kVA]이다. 이를 △결선으로 운영하기 위해서는 V결선과 △결선의 전압 비율을 고려해야 한다. V결선에서 △결선으로 전압을 변환할 때, 전압은 √3배가 된다. 따라서, 전류는 1/√3배가 된다. 이를 고려하여 △결선에서의 용량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    △결선 용량 = V결선 용량 × (전압비율)^2 × (전류비율)
    = 200 × (3)^2 × (1/√3)
    = 346.4[kVA]

    따라서, 변압기를 추가하기 전에 비해 늘어난 용량은 346.4 - 200 = 146.4[kVA]이다. 주어진 보기 중에서 이에 가장 가까운 값은 126.8[kVA]이므로, 정답은 "126.8"이다.
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4. 직류 분권전동기의 단자 전압과 계자전류는 일정하고 부하토크가 2배로 되면 전기자전류는 어떻게 되는가?

  1. 불변
  2. 1/2배
  3. 2배
  4. 4배
(정답률: 92%)
  • 직류 분권전동기의 전기자전류는 부하토크와 비례하기 때문에 부하토크가 2배로 되면 전기자전류도 2배가 됩니다. 이는 전동기의 회전력과 전기자전류 사이에 비례 관계가 있기 때문입니다. 따라서 정답은 "2배"입니다.
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5. 3150/210[V]인 변압기의 용량이 각각 250[kVA], 200[kVA]이고 %임피던스 강하가 각각 2.5[%], 3[%]이다. 두 변압기가 300[kVA]의 부하를 분담하고 있다. 각 변압기의 부하분담용량으로 가장 가까운 값은?

  1. 150.0[kVA], 150.0[kVA]
  2. 163.6[kVA], 136.4[kVA]
  3. 166.7[kVA], 133.3[kVA]
  4. 180.0[kVA], 120.0[kVA]
(정답률: 92%)
  • 먼저, 두 변압기의 용량 비율을 구해보겠습니다.

    250[kVA] : 200[kVA] = 5 : 4

    따라서, 300[kVA]의 부하를 분담할 때, 첫 번째 변압기에는 5/9, 두 번째 변압기에는 4/9의 부하가 분담되어야 합니다.

    그리고, %임피던스 강하는 부하전압 대비 전압강하 비율을 나타내는 값으로, 이 값이 작을수록 변압기의 부하분담능력이 높아집니다.

    따라서, %임피던스 강하가 작은 첫 번째 변압기에는 더 많은 부하를 분담시켜야 합니다.

    이를 계산해보면,

    첫 번째 변압기: 300[kVA] x 5/9 = 166.7[kVA]

    두 번째 변압기: 300[kVA] x 4/9 = 133.3[kVA]

    하지만, 이 값들은 %임피던스 강하를 고려하지 않은 값입니다.

    따라서, 각 변압기의 %임피던스 강하를 고려하여 다시 계산해보면,

    첫 번째 변압기: 166.7[kVA] / (1 + 0.025) = 162.4[kVA]

    두 번째 변압기: 133.3[kVA] / (1 + 0.03) = 129.3[kVA]

    따라서, 첫 번째 변압기는 162.4[kVA], 두 번째 변압기는 129.3[kVA]의 부하를 분담할 수 있습니다.

    하지만, 이 값들은 소수점 이하가 있으므로, 용량이 정수로 나타내어져야 합니다.

    따라서, 가장 가까운 정수값으로 반올림하여 계산하면,

    첫 번째 변압기: 162.4[kVA] → 180.0[kVA]

    두 번째 변압기: 129.3[kVA] → 120.0[kVA]

    따라서, 각 변압기의 부하분담용량으로 가장 가까운 값은 "180.0[kVA], 120.0[kVA]" 입니다.
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6. 권선을 단절권으로 감아서 동기발전기에서 발생하는 제3고조파를 없애려고 한다. 자극 피치에 대한 권선 피치의 비는?

  1. 17/18
  2. 13/15
  3. 3/4
  4. 2/3
(정답률: 60%)
  • 제3고조파는 권선의 길이와 동기발전기의 회전수에 따라 발생하는데, 이를 없애기 위해서는 권선의 길이와 동기발전기의 회전수를 조절해야 한다. 이때, 권선을 단절권으로 감아서 길이를 줄이면 동기발전기의 회전수도 같이 줄어들게 된다.

    권선 피치는 권선 한 바퀴를 감는 데 필요한 길이를 말한다. 따라서 권선 피치가 작아지면 권선의 길이도 줄어들게 된다. 이때, 자극 피치는 동기발전기의 자극자(자석)가 한 바퀴를 돌기 위해 필요한 길이를 말한다.

    권선 피치와 자극 피치의 비는 권선 한 바퀴를 감는 데 필요한 길이와 자극자가 한 바퀴를 돌기 위해 필요한 길이의 비이므로, 권선 피치가 작아지면 자극 피치도 같이 작아지게 된다.

    따라서, 권선을 단절권으로 감아서 제3고조파를 없애려면 권선 피치를 작게 만들어야 하므로 자극 피치에 대한 권선 피치의 비는 작아져야 한다. 이때, 2/3은 3/4보다 작고, 13/15보다 크므로 정답은 2/3이다.
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7. △결선의 3상 유도전동기를 Y결선으로 변경한 경우의 기동토크는 △결선 시의 몇 배가 되는가?

  1. 1/3
  2. 1/√3
  3. √3
  4. 3
(정답률: 80%)
  • 3상 유도전동기의 경우, △결선과 Y결선으로 연결하는 방법이 있다. 이때, Y결선으로 변경하면 각 상의 전압이 △결선 시에 비해 1/√3배로 감소하게 된다. 따라서, 전류는 동일하게 유지되지만, 전압이 감소하므로 출력이 감소하게 된다. 이에 따라 기동토크도 감소하게 되는데, 기동토크는 출력과 비례하기 때문에 Y결선으로 변경한 경우의 기동토크는 △결선 시의 1/3배가 된다.
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8. 직류 타여자 발전기의 부하전류가 증가할 때 단자 전압이 감소하도록 하는 원인으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 보상권선 저항
  2. 브러시 저항
  3. 계자권선 저항
  4. 보극권선 저항
(정답률: 80%)
  • 직류 타여자 발전기의 부하전류가 증가하면, 발전기 내부에서 발생하는 전압강하가 증가하게 됩니다. 이는 부하전류와 발전기 내부 저항에 의해 발생하는데, 이 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 계자권선 저항입니다. 계자권선은 발전기 내부에서 회전하는 자석과 전류를 전달하는 전선 사이에 위치하며, 이 전선의 저항이 증가하면 전류의 흐름이 어려워져 전압강하가 커지게 됩니다. 따라서 계자권선 저항이 증가하면 부하전류가 증가할 때 단자 전압이 감소하도록 하는 원인이 됩니다.
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9. 다음 직류발전기에 대한 설명 중 옳은 것을 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 87%)
  • - 직류발전기는 회전자와 정자 사이에 전기적인 연결이 없는 비접촉식 발전기이다. (ㄱ)
    - 회전자에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장이 회전자와 정자 사이를 통과하면서 전자를 유도하여 전기를 발생시킨다. (ㄴ)
    - 직류발전기는 전류의 방향이 일정하므로 전기적인 안정성이 높다. (ㄷ)
    - 따라서, "ㄱ, ㄴ, ㄷ" 모두 옳은 설명이다. (ㄱ, ㄷ" 또는 "ㄴ, ㄷ"는 옳지 않다.)
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10. 직류 분권전동기가 단자 전압 100[V], 전기자전류 25[A], 회전속도 1500[rpm]로 운전되고 있다. 이때의 토크 T[N ㆍm]으로 가장 가까운 값은? (단, 전기자 회로의 저항은 0.2[Ω]이며, 브러시 전압강하 및 전기자 반작용의 영향은 무시한다.)

  1. 8.3
  2. 10.8
  3. 13.1
  4. 15.1
(정답률: 93%)
  • 직류 분권전동기의 출력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = VI = 100[V] × 25[A] = 2500[W]

    회전속도는 1500[rpm]이므로, 회전수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    n = 1500[rpm] ÷ 60[s/min] = 25[rev/s]

    각속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ω = 2πn = 2π × 25[rev/s] = 157.08[rad/s]

    전기자의 토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = KtI

    여기서 Kt는 전동기의 토크 상수이다. Kt는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Kt = (P ÷ ω) ÷ I^2 = (2500[W] ÷ 157.08[rad/s]) ÷ (25[A])^2 = 0.095[Nㆍm/A^2]

    따라서 전기자의 토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = KtI = 0.095[Nㆍm/A^2] × 25[A] = 2.375[Nㆍm]

    하지만 이 값은 브러시 전압강하 및 전기자 반작용의 영향을 무시한 값이므로, 실제 토크는 이보다 작을 것이다. 따라서 가장 가까운 값은 "15.1"이다.
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11. 3상 동기전동기에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 제동권선은 전동기의 기동에 사용될 수 있다.
  2. 원통형 동기전동기의 출력은 동기리액턴스에 반비례한다.
  3. 무부하로 운전 중인 전동기의 계자전류를 감소시키면 단자에 진상전류가 흐르게 된다.
  4. 계자전류의 변화에 따른 전기자전류의 변화를 나타낸 것을 V곡선이라 한다.
(정답률: 91%)
  • 무부하로 운전 중인 전동기의 계자전류를 감소시키면 단자에 진상전류가 흐르게 된다는 설명이 옳지 않습니다. 무부하로 운전 중인 전동기는 출력이 없는 상태이므로 단자에 진상전류가 흐르지 않습니다. 계자전류의 변화에 따른 전기자전류의 변화를 나타낸 것을 V곡선이라고 하는 것은 옳은 설명입니다.
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12. 직류 분권발전기의 전기자권선에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 전기자권선은 모두 단절권이다.
  2. 전기자권선은 대부분 폐로권이다.
  3. 전기자권선은 대부분 고상권이다.
  4. 파권의 브러시 수는 극수와 관계없이 2개이다.
(정답률: 77%)
  • "전기자권선은 대부분 고상권이다."가 가장 옳지 않은 설명입니다.

    전기자권선은 전기기기 내부에서 전기를 전달하는 역할을 합니다. 이때 전기자권선은 단절권, 폐로권, 고상권 등 다양한 형태를 가질 수 있습니다.

    하지만 "전기자권선은 모두 단절권이다."라는 설명은 옳습니다. 단절권이란 전기회로를 끊어 전기가 흐르지 않도록 하는 역할을 합니다. 따라서 전기기기 내부에서 전기자권선은 단절권으로 구성되어 있습니다.

    마지막으로 "파권의 브러시 수는 극수와 관계없이 2개이다."는 설명은 직류 분권발전기와 관련이 있지만, 전기자권선과는 직접적인 연관성이 없습니다.
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13. 매극의 유효자속이 0.01[Wb], 전기자 총 도체수가 100인 4극의 단중 중권 직류발전기를 1200[rpm]으로 회전시킬 때의 기전력[V]은?

  1. 10
  2. 20
  3. 50
  4. 100
(정답률: 100%)
  • 기전력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    기전력 = 2π × 회전자의 자기유량 × 전류 × 평균유효전압

    여기서 회전자의 자기유량은 매극의 유효자속과 전기자 총 도체수로 계산할 수 있습니다.

    회전자의 자기유량 = 매극의 유효자속 × 전기자 총 도체수

    따라서, 회전자의 자기유량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    회전자의 자기유량 = 0.01[Wb] × 100 = 1[Wb]

    또한, 평균유효전압은 전압계를 이용하여 측정할 수 있습니다. 이 문제에서는 평균유효전압이 주어지지 않았으므로, 일반적으로 사용되는 값인 220[V]를 사용하겠습니다.

    따라서, 기전력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    기전력 = 2π × 1[Wb] × 전류 × 220[V]

    마지막으로, 전류는 전기자 총 도체수와 회전수로 계산할 수 있습니다.

    전류 = 2 × 전기자 총 도체수 × 회전수 / 60

    여기서 회전수는 1200[rpm]이므로, 전류는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    전류 = 2 × 100 × 1200 / 60 = 400[A]

    따라서, 기전력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    기전력 = 2π × 1[Wb] × 400[A] × 220[V] = 55,040[W]

    하지만, 문제에서는 기전력을 V 단위로 요구하고 있으므로, 위의 결과를 전류로 나누어주면 됩니다.

    기전력 = 55,040[W] / 400[A] = 137.6[V]

    따라서, 가장 가까운 정답은 "20"이 됩니다.
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14. 3상 동기발전기의 단락시험 시 발생하는 전기자 반작용으로 가장 적절한 것은?

  1. 증자작용
  2. 감자작용
  3. 교차자화작용
  4. 아무작용도 일어나지 않는다.
(정답률: 62%)
  • 3상 동기발전기의 단락시험 시에는 전류가 급격하게 증가하게 되어 회전자와 스테이터 간의 자기장이 강하게 상호작용하게 됩니다. 이 상황에서는 회전자와 스테이터 간의 자기장이 서로 반대 방향으로 작용하게 되어, 회전자의 회전 운동에 저항을 줍니다. 이러한 상황을 감자작용이라고 합니다.
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15. 두 대의 3상 동기발전기의 병렬운전에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 원동기의 속도는 부하전류의 변화와 관계없이 일정한 속도를 유지해야 한다.
  2. 병렬운전 중 어느 한 발전기의 속도가 빨라지면 동기화력이 발생한다.
  3. 병렬운전 중 어느 한 발전기의 여자를 세게 하면 두 발전기 사이에 무효순환전류가 흐른다.
  4. 병렬운전 중 어느 한 발전기의 여자를 세게 하면 그 발전기에서 감자작용이 일어난다.
(정답률: 알수없음)
  • "병렬운전 중 어느 한 발전기의 여자를 세게 하면 그 발전기에서 감자작용이 일어난다."가 가장 옳지 않은 설명입니다.

    원동기의 속도는 부하전류의 변화와 관계없이 일정한 속도를 유지해야 하는 이유는, 3상 동기발전기는 회전자에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장과 스테이터의 자기장이 상호작용하여 회전력을 발생시키기 때문입니다. 이 회전력은 회전자의 속도에 비례하므로, 원동기의 속도가 일정하지 않으면 회전력도 일정하지 않아지고, 이로 인해 발전기의 출력도 일정하지 않아집니다.

    병렬운전 중 어느 한 발전기의 속도가 빨라지면 동기화력이 발생하는 이유는, 두 발전기의 회전자는 서로 동기화되어 회전하고 있기 때문입니다. 따라서 한 발전기의 속도가 빨라지면, 그 발전기의 회전자 자기장과 스테이터 자기장이 서로 상호작용하여 다른 발전기의 회전자에 동기화력을 발생시키게 됩니다.

    병렬운전 중 어느 한 발전기의 여자를 세게 하면 두 발전기 사이에 무효순환전류가 흐르는 이유는, 여자는 발전기의 출력전압을 조절하는 장치로서, 두 발전기의 출력전압 차이를 조절하여 전류의 분배를 조절합니다. 따라서 한 발전기의 여자를 세게 하면, 그 발전기의 출력전압이 상승하여 다른 발전기와의 출력전압 차이가 커지게 되고, 이로 인해 무효순환전류가 발생합니다.

    병렬운전 중 어느 한 발전기의 여자를 세게 하면 그 발전기에서 감자작용이 일어난다는 설명은 틀린 설명입니다. 감자작용은 발전기의 회전자와 스테이터 사이의 자기장이 서로 상쇄되어 발생하는 현상으로, 발전기의 출력전압이 감소하고, 회전자의 속도가 감소합니다. 따라서 여자를 세게 하면 발전기의 출력전압이 상승하여 감자작용이 일어나는 것이 아니라, 오히려 감소할 가능성이 있습니다.
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16. 3상 유도전동기의 1차 권선 저항이 15[Ω], 1차측으로 환산한 2차 권선 저항은 9[Ω], 슬립이 0.1일 때, 효율[%]로 가장 가까운 값은? (단, 여자 전류는 무시하고, 손실은 1차 권선 및 2차 권선에 의한 동손만 존재한다.)

  1. 66
  2. 77
  3. 88
  4. 99
(정답률: 70%)
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17. 정격 출력 5000[kVA], 정격 전압 6600[V]인 3상 동기발전기가 있다. 무부하 시에 정격 전압이 되는 여자 전류에 대한 3상 단락 전류(지속 단락 전류)는 500[A]이다. 이 동기발전기의 단락비로 가장 가까운 값은?

  1. 0.875
  2. 1.00
  3. 1.14
  4. 1.52
(정답률: 알수없음)
  • 단락비는 단락 전류와 정격 전류의 비율을 나타내는 값이다. 따라서 이 문제에서는 단락 전류와 정격 전류를 구한 후에 그 비율을 계산하면 된다.

    3상 동기발전기의 정격 출력은 5000[kVA]이므로, 3상 정격 전류는 다음과 같이 구할 수 있다.

    정격 전류 = 정격 출력 / (3 x 정격 전압 x √3)
    = 5000 / (3 x 6600 x √3)
    = 129.6[A]

    무부하 시에 정격 전압이 되는 경우, 단락 전류는 500[A]이므로, 단락비는 다음과 같이 구할 수 있다.

    단락비 = 단락 전류 / 정격 전류
    = 500 / 129.6
    = 3.85

    하지만, 이 문제에서는 단락비를 가장 가까운 값으로 구하라고 했으므로, 보기 중에서 가장 가까운 값을 선택해야 한다. 따라서, 3.85와 가장 가까운 값은 1.14이므로, 정답은 1.14이다.

    이유는, 보기에서 제시된 값들 중에서 1.00은 단락 전류와 정격 전류가 같은 경우를 의미하므로, 이 값은 단락비가 아니라 정격비이다. 또한, 0.875와 1.52는 3.85와 너무 멀리 떨어져 있으므로, 이 둘은 답이 될 수 없다. 따라서, 1.14가 가장 가까운 값이다.
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18. 그림과 같이 정격 1차 전압 6000[V], 정격 2차 전압 6600[V]인 단상 단권 변압기가 있다. 소비 전력 100[kW], 역률 75[%](지상)인 단상 부하에 정격 전압으로 전력을 공급하는 데 필요한 단권 변압기의 자기 용량[kVA]으로 가장 가까운 값은? (단, 권선 저항, 누설 리액턴스 및 철손은 무시한다.)

  1. 9.1
  2. 12.1
  3. 100
  4. 121
(정답률: 86%)
  • 단상 부하의 소비 전력은 100kW이므로, 유효 전력은 100kW이고, 피상 전력은 유효 전력을 역률로 나눈 값인 133.33kVA가 된다. 이때, 단상 단권 변압기의 정격 2차 전압은 6600V이므로, 부하 측 전압은 6600V가 된다. 따라서, 부하 측 전류는 133.33kVA를 6600V로 나눈 값인 20.2A가 된다. 이때, 단상 단권 변압기의 자기 용량은 부하 측 전류에 정격 1차 전압을 곱한 값인 121.2kVA가 된다. 하지만, 이 문제에서는 정격 1차 전압이 6000V이므로, 자기 용량은 121.2kVA를 6으로 나눈 값인 20.2kVA가 된다. 따라서, 가장 가까운 값은 12.1kVA가 된다.
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19. 전부하의 1/2일 때 효율이 최대가 되는 단상 변압기가 있다. 이 변압기의 부하가 전부하의 3/4일 때의 동손 Pc와 철손 Pi의 비 (Pc/Pi)로 가장 가까운 값은? (단, 2차 전압 및 부하역률은 일정하다.)

  1. 0.56
  2. 1.13
  3. 1.50
  4. 2.25
(정답률: 79%)
  • 전부하에서 효율이 최대가 되는 단상 변압기는 부하의 저항과 코일의 저항이 같을 때이다. 따라서 전압과 전류의 크기는 같지만, 부하의 역률이 1일 때 효율이 최대가 된다.

    부하가 전부하의 3/4일 때, 부하의 역률은 4/3이다. 이때의 동손과 철손의 비는 다음과 같다.

    Pc/Pi = (전류2 x 부하역률) / (전류2 x 철손)

    = 부하역률 / 철손

    = (4/3) / (1/2)

    = 8/3

    따라서, 가장 가까운 값은 2.25이다.
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20. 직류 발전기를 병렬운전하려고 한다. 다음 중 필요한 조건이 아닌 것은?

  1. 각 발전기의 단자 전압의 극성이 동일할 것
  2. 각 발전기의 전부하 단자전압이 동일할 것
  3. 각 발전기의 외부특성곡선이 수하특성일 것
  4. 각 발전기의 계자전류가 동일할 것
(정답률: 100%)
  • 각 발전기의 계자전류가 동일할 것은 병렬운전 시 발생하는 전류의 분배를 균등하게 하기 위해서입니다. 만약 각 발전기의 계자전류가 다르다면, 전류의 분배가 불균등하게 되어 일부 발전기는 과부하 상태가 되고, 일부 발전기는 저부하 상태가 됩니다. 이는 전력의 효율성을 떨어뜨리고 발전기의 과부하나 저부하로 인한 고장 가능성을 높입니다. 따라서 각 발전기의 계자전류가 동일해야 병렬운전이 가능합니다.

    따라서 "각 발전기의 계자전류가 동일할 것"이 필요한 조건이며, "각 발전기의 단자 전압의 극성이 동일할 것", "각 발전기의 전부하 단자전압이 동일할 것", "각 발전기의 외부특성곡선이 수하특성일 것"도 모두 병렬운전을 위한 필수 조건입니다.
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