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

9급 지방직 공무원 서울시 전기기기
(2019-06-15 기출문제)

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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: 49%)
  • 매입형 영구자석 전동기는 영구자석과 전기자석을 모두 사용하여 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 모두 발생시킬 수 있습니다. 이는 영구자석의 자기장과 전기자석의 자기장이 상호작용하여 발생하는 것으로, 높은 효율과 높은 출력을 제공합니다. 따라서 이 보기에서 정답은 매입형 영구자석 전동기입니다.
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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: 71%)
  • 직류전동기에서 토크 T는 전기자 총도체수 Z, 극수 p, 전기자 병렬 회로수 a, 1극당 자속 ø, 전기자 전류 IA에 비례한다. 따라서 보기 중에서 T와 관련된 변수들이 모두 곱해져 있는 ""가 정답이다.
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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: 72%)
  • 최대 토크는 변하지 않는다. 회전자 회로의 저항이 2배로 증가하면, 회전자 전류는 절반으로 감소하게 된다. 하지만, 3상 권선형 유도전동기에서 최대 토크는 회전자 전류의 제곱에 비례하므로, 회전자 전류가 감소하더라도 회전자 전류의 제곱은 감소하지 않는다. 따라서, 최대 토크는 변하지 않는다.
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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: 44%)
  • 동기 임피던스는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Zs = jXs + Rs

    여기서 Xs는 동기 반응(reactance)이고, Rs는 동기 저항(resistance)입니다. 동기 반응은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Xs = 2πfLs

    여기서 Ls는 극당자속에 의한 자기 인덕턴스입니다. 따라서 Ls는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Ls = N^2 / R

    여기서 N은 권선수이고, R은 극당자속입니다. 따라서 Ls는 다음과 같이 계산됩니다.

    Ls = (10^2) / 0.1 = 1000 [H]

    동기 반응은 다음과 같이 계산됩니다.

    Xs = 2πfLs = 2π × 50 × 1000 = 314,159 [Ω]

    동기 저항은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Rs = P / (3I^2) = 0.1 / (3 × 2^2) = 0.0167 [Ω]

    따라서 동기 임피던스는 다음과 같이 계산됩니다.

    Zs = jXs + Rs = j314,159 + 0.0167 = 314,159j + 0.0167

    이를 복소수 형태에서 절댓값으로 변환하면 다음과 같습니다.

    |Zs| = √(314,159^2 + 0.0167^2) = 314,159 [Ω]

    따라서 정답은 "111[Ω]"입니다.
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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: 28%)
  • 회전자 전류의 증가율이 무시할 정도로 작은 이유는 유도전동기의 특성 때문입니다. 유도전동기는 회전자에 인가되는 전압이 회전자 내부의 자기장과 상호작용하여 회전자 전류가 발생합니다. 하지만 회전자 전류가 발생하면 회전자 내부의 자기장이 변화하게 되어 회전자 전류가 더 이상 발생하지 않는 상태가 됩니다. 이러한 특성 때문에 회전자 전류의 증가율은 매우 작아서 무시할 수 있습니다.
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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: 48%)
  • 주어진 정보로부터 다음과 같은 식을 세울 수 있습니다.

    출력 = 3 × 전압 × 전류 × 역률
    전압 = 4.44 × 주파수 × 자기유도율 × 전류 × 등가저항

    여기서 자기유도율은 3상 4극 유도전동기의 경우 대략 0.85 정도로 가정할 수 있습니다.

    따라서, 출력과 등가저항을 알고 있으므로 전류를 구할 수 있습니다.

    5820 = 3 × 전압 × 전류 × 0.85
    전압 = 174.6

    174.6 = 4.44 × 60 × 0.85 × 전류 × 0.6
    전류 = 10

    따라서, 2차측 전류의 값은 10[A]입니다.
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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: 69%)
  • 등가회로 해석을 위해 2차측의 4[Ω]임피던스를 1차측으로 등가 환산하였으므로, 등가회로에서 1차측과 2차측의 임피던스 비는 다음과 같다.

    $$frac{Z_1}{Z_2} = left(frac{N_1}{N_2}right)^2$$

    여기서 $N_1=1800$, $Z_1=2.5text{k}Omega$, $Z_2=4Omega$ 이므로,

    $$frac{1800^2}{4} = 2.5times 10^3 times Z_2$$

    $$Z_2 = 72Omega$$

    따라서, 2차측의 임피던스가 4[Ω]일 때, 1차측으로 등가 환산된 임피던스가 2.5[kΩ]이 되려면 2차측 권선수는 72[turns]이어야 한다.
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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: 38%)
  • 그림에서 나타내는 다상 유도전동기의 속도 제어법은 V/f 일정 제어법입니다. 이는 주파수와 전압의 비율을 일정하게 유지하여 속도를 제어하는 방법입니다. 약자속 제어법은 V/f 일정 제어법의 한 종류로, 저속에서는 전압을 일정하게 유지하고 고속에서는 주파수를 일정하게 유지하여 속도를 제어하는 방법입니다. 2차 저항 제어법은 전압을 일정하게 유지하고 저항을 조절하여 속도를 제어하는 방법이며, 주파수 제어법은 주파수를 조절하여 속도를 제어하는 방법입니다.
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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: 59%)
  • 단상변압기의 전압비는 2차측 전압(V2)을 1차측 전압(V1)으로 나눈 값이다. 즉, V2/V1 = 150/300 = 0.5 이다. 이 비율을 이용하여 1차측 전압이 2,000[V]일 때 2차측 전압을 구하면 V2 = V1 × 0.5 = 2,000 × 0.5 = 1,000[V] 이다. 따라서 정답은 "1,000[V]"이다.
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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: 37%)
  • "변압기의 단락 시험과 비슷한 특성을 갖는다."가 가장 옳지 않은 설명입니다. 구속 시험은 유도전동기의 전기적 특성을 측정하는 시험으로, 철손 저항과 자화 리액턴스를 계산할 수 있습니다. 주파수를 조정하여 정격에서의 자기포화 현상을 고려합니다. 구속 시험에서는 정격전류가 흐르는 전압에서 공극자속밀도가 낮아지는 것이 특징입니다.
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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: 75%)
  • 3상 유도전동기의 출력은 유용출력과 손실출력의 합으로 이루어져 있습니다. 따라서 유용출력은 95[W]이고, 손실출력은 유용출력에 슬립(5%)을 곱한 값인 4.75[W]입니다.

    2차 입력의 값은 유용출력과 손실출력의 합으로 이루어져 있습니다. 따라서 2차 입력의 값은 99.75[W]입니다.

    2차 동손은 손실출력 중에서 회전자 손실인 회전자 구리 손실과 기계손을 제외한 값입니다. 따라서 2차 동손은 손실출력에서 회전자 구리 손실을 뺀 값인 4.25[W]입니다.

    따라서 정답은 "100[W], 5[W]"입니다.
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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: 59%)
  • 110[VA]의 110[V] 변압기와 110/11[V] 변압기를 승압 단권변압기 형태로 결선하였으므로, 110[V] 변압기의 1차측 전압은 110[V]이고, 2차측 전압은 110*10=1100[V]이다. 이때, 110/11[V] 변압기의 1차측 전압은 110[V]이고, 2차측 전압은 110[V]/11=10[V]이다. 따라서, 승압 단권변압기의 1차측 전압은 110[V]+110[V]=220[V]이고, 2차측 전압은 1100[V]+10[V]=1110[V]이다. 최대 피상전력은 1110[V] * 110[VA] = 1210[VA]이므로, 정답은 "121[V], 1210[VA]"이다.
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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: 57%)
  • 직류전동기의 역기전력은 전기자 전압과 전기자 전류의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 따라서 전기자 전류의 값은 역기전력을 전기자 전압으로 나눈 값입니다.

    전기자 전압은 회전자의 속도와 자기장의 세기에 비례합니다. 따라서 회전자의 속도가 600[rpm]일 때 전기자 전압을 구하기 위해서는 회전자의 각속도를 구해야 합니다.

    회전자의 각속도는 회전수를 초당으로 환산한 값인 10[Hz]가 됩니다. 따라서 회전자의 각속도는 2π × 10 = 62.8[rad/s]가 됩니다.

    전기자 전압은 자기장의 세기와 회전자의 속도에 비례합니다. 자기장의 세기는 토크와 회전자의 속도에 비례합니다. 따라서 전기자 전압은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    전기자 전압 = (토크 × 30) / (π × 자기장의 세기 × 회전자의 속도)

    주어진 문제에서는 자기장의 세기가 주어지지 않았으므로, 전기자 전압을 직접 구할 수는 없습니다. 하지만 전기자 전류의 값은 역기전력을 전기자 전압으로 나눈 값이므로, 전기자 전압이 커질수록 전기자 전류의 값은 작아집니다.

    따라서 전기자 전압이 가장 작은 경우인 자기장의 세기가 가장 큰 경우를 가정하여 전기자 전류의 값을 구할 수 있습니다. 이 경우 전기자 전압은 역기전력과 같아지며, 전기자 전류의 값은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    전기자 전류 = 역기전력 / 전기자 전압 = 150[V] / 15[N · m] = 10[A]

    하지만 자기장의 세기가 이보다 작은 경우에는 전기자 전압이 더 커지므로, 전기자 전류의 값은 더 작아집니다. 따라서 정답은 6.3[A]가 됩니다.
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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: 31%)
  • 1상의 최대 출력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Pmax = (V2/XS) * sinθ

    여기서 V는 단자전압, XS는 동기 리액턴스, θ는 부하각이다.

    주어진 값들을 대입하면,

    Pmax = (2802/1.2) * sin60°

    Pmax = 67.2[kW]

    따라서, 정답은 "67.2[kW]"이다.
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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: 38%)
  • "전력과 토크의 과도 상태의 크기를 감소시킨다."가 가장 옳지 않은 것입니다. 제동권선은 동기기의 운전 중 제동을 담당하는 부품으로, 동기속도를 감속시키는 역할을 합니다. 따라서 전력과 토크의 과도 상태를 감소시키는 것이 아니라, 동기속도를 안정적으로 감속시키는 역할을 합니다. "동기전동기 기동에서 일정한 크기와 방향의 토크를 발생시킨다."는 제동권선이 동기전동기의 기동토크 발생에 기여한다는 것을 의미합니다.
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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%)
  • 영역 1에서는 전압 제어에 의해 이루어지기 때문에, 전압이 일정하게 유지되면 출력도 일정하게 유지된다. 따라서 영역 1에서는 출력이 일정하다는 설명이 옳다.
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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: 65%)
  • 단상변압기의 권수비가 20이므로, 1차측 전압은 20배 증폭된다. 따라서, 1차측 무부하 단자전압은 220[V] × 20 = 4,400[V] 이다.

    전압변동률이 5[%]이므로, 2차측 전압은 220[V] × (1 + 5/100) = 231[V] 이다.

    전압은 전류와 비례하므로, 1차측 전류와 2차측 전류의 비는 권수비와 같다. 따라서, 2차측 전류는 1/20배 감소되어 231[V] / 20 = 11.55[V] 이다.

    따라서, 1차측 무부하 단자전압은 4,400[V] - 11.55[V] = 4,388.45[V] 이다. 이 값은 보기에서 제시된 값 중에서 가장 가깝지만, 반올림하여 4,620[V]이 되므로 정답은 "4,620[V]"이다.
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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: 66%)
  • 일정한 부하각을 유지할 수 있다는 것은, 동기전동기가 발생시키는 출력이 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다. 계자 자속을 증가시키면, 전동기의 토크가 증가하게 되어 부하각이 증가합니다. 하지만, 지상 역률 제어를 통해 전동기의 회전속도를 일정하게 유지하면서 부하각을 조절할 수 있기 때문에, 출력이 일정하게 유지될 수 있습니다. 따라서, 계자 자속을 증가시키면서도 일정한 출력을 유지할 수 있는 것입니다.
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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: 69%)
  • 유도기의 슬립이 0보다 작은 경우는 유도기 구동 시스템의 운동 에너지가 전원에 공급되는 경우입니다. 이는 유도기가 전동기로 동작하며, 회전자의 회전 방향으로 토크를 발생시키기 때문에 회전자의 회전 속도가 회전자계의 회전 속도보다 느리게 되는 것입니다. 이러한 상황에서는 유도기가 전원에 공급되는 에너지를 받아 회전자를 동작시키는 것이 아니라, 회전자의 운동 에너지가 전원에 공급되어 유도기가 동작하게 됩니다.
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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: 44%)
  • 영구자석을 사용하므로 더 높은 출력을 얻을 수 있다는 설명이 가장 옳지 않습니다. SRM은 영구자석을 사용하지 않고 전기자석만을 이용하여 동작하기 때문에, 영구자석을 사용하는 모터에 비해 출력이 높다는 설명은 잘못된 것입니다.
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