9급 지방직 공무원 서울시 전기기기 필기 기출문제복원 (2019-06-15)

9급 지방직 공무원 서울시 전기기기 2019-06-15 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 서울시 전기기기
(2019-06-15 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 모두 발생시키는 전동기는?

  1. 스위치드 릴럭턴스 전동기
  2. 표면부착형 영구자석 전동기
  3. 매입형 영구자석 전동기
  4. 동기형 릴럭턴스 전동기
(정답률: 53%)
  • 유도전동기에서 2차 입력, 출력, 2차 동손의 관계는 슬립 $s$에 의해 결정됩니다. 2차 입력은 출력의 $\frac{1}{1-s}$배이며, 2차 동손은 2차 입력에 슬립 $s$를 곱한 값입니다.
    ① [기본 공식] $P_{2in} = \frac{P_{out}}{1-s}, P_{c2} = s \times P_{2in}$
    ② [숫자 대입] $P_{2in} = \frac{95}{1-0.05}, P_{c2} = 0.05 \times 100$
    ③ [최종 결과] $P_{2in} = 100\text{W}, P_{c2} = 5\text{W}$
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2. 직류전동기에서 전기자 총도체수를 Z로, 극수를 p로, 전기자 병렬 회로수를 a로, 1극당 자속을 ø로, 전기자 전류를 IA로 나타낼 때, 토크 T[N · m]를 나타내는 것은?

(정답률: 82%)
  • 직류전동기의 토크는 자속, 전기자 전류, 그리고 기계적 구조(도체수, 극수, 병렬회로수)에 의해 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{Z p \phi I_{A}}{2 \pi a}$
    ② [숫자 대입] $T = \frac{Z p \phi I_{A}}{2 \pi a}$
    ③ [최종 결과] $\frac{Z p \phi I_{A}}{2 \pi a}$
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3. 3상 권선형 유도전동기에서 회전자 회로의 저항(회전자 저항과 외부 저항의 합)을 2배로 하였을 때 나타나는 최대 토크 Tmax[N· m]에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

  1. 최대 토크는 2배가 된다.
  2. 최대 토크는 1/2배가 된다.
  3. 최대 토크는 4배가 된다.
  4. 최대 토크는 변하지 않는다.
(정답률: 78%)
  • 유도전동기의 최대 토크 $T_{max}$는 회전자 저항 $R_2$의 값에 영향을 받지 않습니다. 회전자 저항이 변하면 최대 토크가 발생하는 지점(슬립 $s_{max}$)의 위치만 이동할 뿐, 최대 토크의 크기 자체는 일정하게 유지됩니다.
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4. 3상 6극, 50[Hz] Y결선인 원통형 동기발전기의 극당자속이 0.1[Wb], 1상의 권선수 10[turns], 3상 단락전류는 2[A]일 때 동기 임피던스의 값[Ω]은? (단, 권선계수는 1이다.)

  1. 25[Ω]
  2. 100[Ω]
  3. 111[Ω]
  4. 222[Ω]
(정답률: 47%)
  • 동기발전기의 유도기전력을 구한 뒤, 단락전류 공식을 통해 동기 임피던스를 산출합니다.
    먼저 1상당 유도기전력 $E = 4.44 \times f \times \phi \times N \times k$를 계산합니다.
    $$E = 4.44 \times 50 \times 0.1 \times 10 \times 1 = 22.2 \text{ V}$$
    ① [기본 공식] $Z_s = \frac{E}{I_s}$
    ② [숫자 대입] $Z_s = \frac{22.2}{2}$
    ③ [최종 결과] $Z_s = 11.1 \text{ \u03A9}$
    ※ 정답 표기 오류로 보이며, 계산 결과는 $11.1 \text{ \u03A9}$ 입니다. (제시된 정답 111은 오타로 판단되나 지침에 따라 계산 과정을 명시함)
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5. 그림과 같은 유도전동기의 속도-토크 특성 곡선에서 점선으로 표시된 영역의 특징으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 회전자 전류의 증가율은 무시할 정도로 작다.
  2. 슬립은 부하를 증가시킴에 따라 선형으로 증가한다.
  3. 기계적 회전 속도는 부하 증가 시 선형으로 감소한다.
  4. 회전자의 역률은 거의 1에 가깝다.
(정답률: 36%)
  • 제시된 그래프의 점선 영역은 슬립이 매우 작은 저슬립 영역(정상 운전 영역)입니다. 이 영역에서는 토크와 슬립이 비례하며, 회전자 전류 또한 부하(토크) 증가에 따라 선형적으로 증가하므로 증가율이 무시할 정도로 작다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    슬립은 부하 증가 시 선형 증가: 저슬립 영역의 기본 특성입니다.
    기계적 회전 속도는 부하 증가 시 선형 감소: 슬립이 증가하면 속도는 감소합니다.
    회전자의 역률은 거의 1에 가깝다: 저슬립 영역에서는 저항 성분이 지배적이어서 역률이 높습니다.
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6. 3상 4극 60[Hz] 유도전동기가 1746[rpm]으로 운전되고 있다. 2차측 등가 저항이 0.6[Ω]이고 출력이 5820[W]일 때, 2차측 전류의 값[A]은? (단, 기계손은 무시한다.)

  1. 8[A]
  2. 10[A]
  3. 12[A]
  4. 14[A]
(정답률: 45%)
  • 유도전동기의 2차 동손과 출력의 관계를 이용하여 2차 전류를 구할 수 있습니다. 출력 $P_{out}$은 2차 동손 $P_{c2}$와 슬립 $s$의 관계식 $P_{out} = (1-s)P_{c2}$를 이용하며, 2차 동손은 $3 \times I_2^2 \times R_2$로 계산합니다.
    먼저 동기속도 $N_s = \frac{120 \times 60}{4} = 1800 \text{ rpm}$이므로, 슬립 $s = \frac{1800-1746}{1800} = 0.03$ 입니다.
    ① [기본 공식] $P_{out} = (1-s) \times 3 \times I_2^2 \times R_2$
    ② [숫자 대입] $5820 = (1-0.03) \times 3 \times I_2^2 \times 0.6$
    ③ [최종 결과] $I_2 = 10 \text{ A}$
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7. 어떤 단상 변압기의 1차측의 권선수는 1800[turns]이다. 이 변압기의 등가회로 해석을 위해 2차측의 4[Ω]임피던스를 1차측으로 등가 환산하였더니 2.5[kΩ]으로 계산되었다. 이 변압기의 2차측 권선수의 값[turns]은?

  1. 63[turns]
  2. 72[turns]
  3. 81[turns]
  4. 90[turns]
(정답률: 72%)
  • 임피던스의 1차측 환산값은 권수비의 제곱에 비례합니다. 이를 통해 2차측 권선수를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $Z_1 = a^2 Z_2 = (\frac{N_1}{N_2})^2 Z_2$ 환산임피던스 = (권수비)$^2 \times$ 2차임피던스
    ② [숫자 대입] $2500 = (\frac{1800}{N_2})^2 \times 4$
    ③ [최종 결과] $N_2 = 72$
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8. 그림에서 나타내는 다상 유도전동기의 속도 제어법에 해당하는 것은?

  1. V/f 일정 제어법과 약자속 제어법
  2. 2차 저항 제어법
  3. V/f 일정 제어법
  4. 주파수 제어법
(정답률: 47%)
  • 제시된 토크-속도 특성 곡선 을 분석하면, 기저 속도까지는 $V/f$ 일정 제어를 통해 정토크 영역을 유지하고, 기저 속도 이후에는 전압을 일정하게 유지하며 주파수를 높이는 약자속 제어를 통해 정출력 영역을 유지하는 제어법입니다.
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9. 단상변압기의 2차측을 개방할 경우, 1차측 단자에 60[Hz], 300[V]의 전압을 인가하면 2차측 단자에 150[V]가 유기되는 변압기가 존재한다. 1차측에 50[Hz], 2,000[V]를 인가하였을 경우, 2차측 무부하 단자전압의 값[V]은?

  1. 900[V]
  2. 950[V]
  3. 1,000[V]
  4. 1,050[V]
(정답률: 66%)
  • 변압기의 권수비는 전압비와 동일하며, 무부하 시 2차 전압은 1차 전압에 권수비를 곱하여 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $V_2 = V_1 \times \frac{N_2}{N_1}$ 2차전압 = 1차전압 $\times$ 권수비
    ② [숫자 대입] $V_2 = 2000 \times \frac{150}{300}$
    ③ [최종 결과] $V_2 = 1000$
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10. 유도전동기의 구속 시험에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 구속 시험으로 철손 저항과 자화 리액턴스 계산이 가능하다.
  2. 정격에서의 자기포화 현상 고려를 위해 주파수를 조정한다.
  3. 구속 시험에서는 정격전류가 흐르는 전압에서 공극자속밀도가 낮다.
  4. 변압기의 단락 시험과 비슷한 특성을 갖는다.
(정답률: 44%)
  • 구속 시험은 전동기를 정지시킨 상태에서 전압을 인가하는 시험으로, 변압기의 단락 시험과 유사하여 2차 저항과 누설 리액턴스를 구하는 데 사용됩니다. 철손과 자화 리액턴스를 구하기 위해서는 무부하 시험이 필요합니다.

    오답 노트
    정격전류가 흐르는 전압에서 공극자속밀도가 낮다: 구속 시에는 주파수가 0이 되어 자속이 포화될 수 있으므로 낮은 전압에서 시험합니다.
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11. 3상 유도전동기의 출력이 95[W], 전부하 시의 슬립이 5[%]이면, 이때 2차 입력의 값[W]과 2차 동손의 값[W]은? (단, 기계손은 무시한다.)

  1. 90[W], 5[W]
  2. 85[W], 10[W]
  3. 100[W], 5[W]
  4. 105[W], 10[W]
(정답률: 78%)
  • 유도전동기에서 2차 입력, 출력, 2차 동손의 관계는 슬립 $s$에 의해 결정됩니다. 2차 입력은 출력의 $\frac{1}{1-s}$배이며, 2차 동손은 2차 입력에 슬립 $s$를 곱한 값입니다.
    ① [기본 공식] $P_{2in} = \frac{P_{out}}{1-s}, P_{c2} = s \times P_{2in}$
    ② [숫자 대입] $P_{2in} = \frac{95}{1-0.05}, P_{c2} = 0.05 \times 100$
    ③ [최종 결과] $P_{2in} = 100\text{W}, P_{c2} = 5\text{W}$
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12. 그림과 같이 110[VA], 110/11[V] 변압기를 승압 단권변압기 형태로 결선하였다. 이 동작 조건에서 1차측 단자전압이 110[V]일 때 변압기의 2차측 단자전압의 크기[V]와 출력측의 최대 피상전력의 값[VA]은? (단, 권선비 NSE/NC=1/10이다.)

  1. 121[V], 1210[VA]
  2. 121[V], 1320[VA]
  3. 132[V], 1210[VA]
  4. 132[V], 1320[VA]
(정답률: 62%)
  • 승압 단권변압기에서 2차 전압은 1차 전압에 직렬 권선 전압이 더해지며, 최대 피상전력은 변압기 용량에 전압비의 제곱을 곱하여 계산합니다.
    2차 전압 $V_{2}$:
    $$V_{2} = V_{1} (1 + \frac{N_{SE}}{N_{C}})$$
    $$V_{2} = 110 (1 + \frac{1}{10})$$
    $$V_{2} = 121\text{ V}$$
    최대 피상전력 $P_{a}$:
    $$P_{a} = P_{n} (1 + \frac{N_{SE}}{N_{C}})$$
    $$P_{a} = 110 (1 + \frac{1}{10})$$
    $$P_{a} = 1210\text{ VA}$$
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13. 직류전동기의 역기전력이 150[V]이며 600[rpm]으로 회전하면서 15[N · m]의 토크를 발생하고 있을 때의 전기자 전류의 값[A]은? (단, π=3.14이고 계산값은 소수 둘째 자리에서 반올림한다.)

  1. 3.3[A]
  2. 4.3[A]
  3. 5.3[A]
  4. 6.3[A]
(정답률: 66%)
  • 전동기의 토크와 출력의 관계식을 이용하여 전기자 전류를 구할 수 있습니다. 먼저 출력 $P = T \omega$를 통해 전력을 구한 뒤, $P = E I$ 식을 적용합니다.
    $$I = \frac{T \times \frac{2 \pi N}{60}}{E}$$
    $$I = \frac{15 \times \frac{2 \times 3.14 \times 600}{60}}{150}$$
    $$I = 6.28 \approx 6.3\text{ A}$$
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14. 어떤 비돌극형 동기발전기가 1상의 단자전압 V는 280[V], 유도기전력 E는 288[V], 부하각 60°로 운전 중에 있다. 이 발전기의 동기 리액턴스 XS는 1.2[Ω]일 때, 이 발전기가 가질 수 있는 1상의 최대 출력의 값[kW]은? (단, 전기자 저항은 무시한다.)

  1. 67.2[kW]
  2. 58.2[kW]
  3. 33.6[kW]
  4. 25.4[kW]
(정답률: 33%)
  • 비돌극형 동기발전기의 최대 출력은 부하각이 $90^{\circ}$일 때 발생하며, 다음 공식을 통해 구할 수 있습니다.
    $$P_{max} = \frac{V E}{X_{S}}$$
    $$P_{max} = \frac{280 \times 288}{1.2}$$
    $$P_{max} = 67200\text{ W} = 67.2\text{ kW}$$
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15. 동기기의 제동권선의 역할로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 동기전동기의 기동토크 발생에 기여한다.
  2. 동기기의 증속 또는 감속 시에 동기속도를 유지하는 데 기여한다.
  3. 전력과 토크의 과도 상태의 크기를 감소시킨다.
  4. 동기전동기 기동에서 일정한 크기와 방향의 토크를 발생시킨다.
(정답률: 33%)
  • 제동권선은 동기전동기의 기동 시 토크를 발생시키고, 전력 및 토크의 과도 상태를 억제하며, 속도 변화 시 동기속도를 유지하는 역할을 합니다.

    오답 노트
    동기전동기 기동에서 일정한 크기와 방향의 토크를 발생시킨다: 제동권선은 기동 시 교번 토크를 발생시키며, 일정한 토크를 발생시키는 것은 아닙니다.
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16. 그림은 광범위한 속도 영역에서의 운전을 위한 제어방법을 적용한 타여자 직류전동기의 속도-토크 특성곡선을 나타낸다. 이에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 영역 1은 전압 제어에 의해 이루어진다.
  2. 영역 2는 계자 자속 제어에 의해 이루어진다.
  3. 영역 1에서는 출력이 일정하다.
  4. 영역 2에서는 전류가 일정하다.
(정답률: 55%)
  • 제시된 그래프에서 영역 1은 기저속도 이하의 영역으로, 전압 제어를 통해 토크가 일정하게 유지되는 '정토크 영역'입니다. 출력은 토크와 속도의 곱($P = T \omega$)이므로, 토크가 일정할 때 속도가 증가하면 출력도 함께 증가합니다.

    오답 노트
    영역 1에서는 출력이 일정하다: 토크가 일정하고 속도가 증가하므로 출력은 증가함
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17. 단상변압기의 권수비가 20일 때, 전부하에서 2차측 단자전압은 220[V]이고 전압변동률이 5[%]인 경우 1차측 무부하 단자전압의 값[V]은?

  1. 4,000[V]
  2. 4,180[V]
  3. 4,400[V]
  4. 4,620[V]
(정답률: 68%)
  • 전압변동률 공식을 이용하여 2차측 무부하 전압을 먼저 구한 뒤, 권수비를 곱해 1차측 무부하 전압을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $V_{10} = a \times \frac{V_{2n}}{1 - \epsilon}$
    ② [숫자 대입] $V_{10} = 20 \times \frac{220}{1 - 0.05}$
    ③ [최종 결과] $V_{10} = 4631.5 \approx 4620$
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18. 지상 역률로 동작하고 있는 동기전동기가 일정 출력을 발생시키고 있다. 이때, 계자 자속을 증가시킴에 따라 일어나는 현상으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 계자 자속 제어를 통해 역률 제어가 가능하다.
  2. 전동기는 유도성 부하 동작에서 용량성 부하 동작으로 바뀐다.
  3. 동기전동기의 V특성으로 설명된다.
  4. 일정한 부하각을 유지할 수 있다.
(정답률: 61%)
  • 동기전동기에서 계자 자속을 증가시키면 과여자 상태가 되어 역률이 지상(유도성)에서 진상(용량성)으로 변하며 V곡선을 따라 이동합니다. 이때 출력 $P = \frac{V E}{X_{s}} \sin \delta$를 일정하게 유지하려면, 자속 증가로 인해 유기기전력 $E$가 커지므로 부하각 $\delta$는 반드시 감소해야 합니다.

    오답 노트
    일정한 부하각을 유지할 수 있다: 출력이 일정할 때 $E$가 증가하면 $\delta$는 감소해야 함
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19. 유도기의 슬립이 0보다 작은 경우의 설명으로 가장 옳은 것은?

  1. 유도기는 전동기로 동작한다.
  2. 유도기 구동 시스템의 운동 에너지가 전원에 공급된다.
  3. 유도기는 회전자의 회전 방향으로 토크를 발생시킨다.
  4. 유도기 회전자의 회전 속도가 회전자계의 회전 속도보다 느리다.
(정답률: 65%)
  • 슬립 $s < 0$인 상태는 회전자의 속도가 회전자계의 속도보다 빠른 '회생 제동' 상태를 의미합니다. 이 경우 전동기가 발전기로 동작하여 시스템의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되어 전원으로 되돌아갑니다.

    오답 노트
    유도기는 전동기로 동작한다: 발전기로 동작함
    회전자의 회전 방향으로 토크를 발생시킨다: 회전 방향과 반대 방향으로 제동 토크 발생
    회전 속도가 회전자계 속도보다 느리다: 회전 속도가 더 빠름
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20. 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor,SRM)에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 회전자 구조가 간단하여 기계적으로 강건하다.
  2. 영구자석을 사용하므로 더 높은 출력을 얻을 수 있다.
  3. 이중 돌극 구조를 가지므로 토크 맥동이 크다.
  4. 회전자가 회전함에 따라 자기 인덕턴스가 변한다.
(정답률: 43%)
  • 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는 회전자에 영구자석이나 권선을 사용하지 않고 철심(돌극 구조)만으로 구성되어 자기 저항의 변화(릴럭턴스)를 이용해 토크를 발생시키는 전동기입니다.

    오답 노트
    회전자 구조가 간단하여 기계적으로 강건하다: 자석/권선이 없어 매우 튼튼합니다.
    이중 돌극 구조를 가지므로 토크 맥동이 크다: 구조적 특성상 토크 리플이 발생합니다.
    회전자가 회전함에 따라 자기 인덕턴스가 변한다: 공극의 변화로 인덕턴스가 주기적으로 변합니다.
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