9급 지방직 공무원 전기기기 필기 기출문제복원 (2012-05-12)

9급 지방직 공무원 전기기기
(2012-05-12 기출문제)

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1. 단상변압기 2대로 V-V결선하여 3상에서 사용하는 경우, V-V결선의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 변압기의 이용률이 86.6 [%]로 저하된다.
  2. 유효 출력용량은 △-△결선일 경우의 57.7 [%]로 된다.
  3. 부하측에 대칭 3상 전압을 공급할 수 있다.
  4. 다른 결선에 비해 설치 방법이 복잡하다.
(정답률: 89%)
  • "다른 결선에 비해 설치 방법이 복잡하다."는 V-V결선의 특징이 맞다. 이는 V-V결선이 다른 결선에 비해 더 많은 케이블과 연결이 필요하기 때문이다. V-V결선은 3상에서 사용되며, 각각의 단상변압기의 2개의 중앙점을 연결하여 사용한다. 이를 위해서는 3개의 단상변압기가 필요하며, 이들을 적절히 배치하고 연결하는 것이 복잡한 설치 방법이 된다.
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2. 직류기의 전기자반작용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전기자 전류 값이 매우 큰 경우는 반작용에 대한 보상을 할 필요가 없다.
  2. 전기자반작용으로 정류자와 브러시의 조기마모를 가져올 수 있다.
  3. 발전기의 경우 유효공극자속을 감소시켜 출력전압의 크기를 저하하는 원인이 된다.
  4. 전기자반작용을 보상하기 위하여 보상권선과 보극을 설치한다.
(정답률: 95%)
  • "전기자 전류 값이 매우 큰 경우는 반작용에 대한 보상을 할 필요가 없다."는 옳지 않은 설명입니다. 전기자 전류 값이 매우 크다고 해서 반작용에 대한 보상을 할 필요가 없는 것은 아닙니다. 오히려 전류 값이 클수록 반작용이 더욱 심해질 수 있기 때문에 보상이 더욱 필요합니다.
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3. 50 [Hz]에 사용되도록 한 변압기를 60 [Hz]의 전원환경에서 사용한다면 자속밀도는 50 [Hz]일 때의 몇 배인가? (단, 주파수를 제외한 모든 조건은 동일하다)

  1. 6/5
  2. 5/6
  3. (6/5)2
  4. (5/6)3
(정답률: 77%)
  • 자속밀도는 주파수와 비례하기 때문에, 60 [Hz]에서 사용할 경우 50 [Hz]일 때의 자속밀도보다 더 높아진다. 이는 주파수와 비례하는 자기유도율 때문인데, 자기유도율은 코일의 턴수와 코일의 크기에 비례하기 때문이다. 따라서, 주파수가 증가하면 코일의 턴수에 비례하는 자기유도율이 증가하게 되어 자속밀도가 증가하게 된다.

    주파수가 50 [Hz]에서 60 [Hz]로 증가하면, 자속밀도는 (60/50) = 6/5배 증가하게 된다. 따라서, 변압기를 60 [Hz]에서 사용할 경우 자속밀도는 50 [Hz]일 때의 자속밀도의 5/6배가 된다. 따라서 정답은 "5/6"이다.
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4. 변압기의 여자전류와 철손을 측정하기 위하여 실시하는 시험은?

  1. 무부하시험
  2. 단락시험
  3. 가압시험
  4. 유도시험
(정답률: 95%)
  • 변압기의 여자전류와 철손을 측정하기 위해서는 변압기의 부하가 없는 상태에서 측정해야 합니다. 따라서 무부하시험을 실시합니다. 무부하시험은 변압기의 입출력단자를 단락시키지 않고, 부하를 연결하지 않은 상태에서 변압기의 전압, 전류, 손실 등을 측정하는 시험입니다. 이를 통해 변압기의 효율과 성능을 평가할 수 있습니다.
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5. 동기기의 안정도를 개선하기 위해 설치하는 것은?

  1. 슬립링과 브러시
  2. 브러시와 전기자 권선
  3. 제동권선
  4. 계자권선
(정답률: 84%)
  • 동기기의 안정도를 개선하기 위해서는 회전 중 발생하는 진동과 소음을 줄이는 것이 중요합니다. 이를 위해 설치하는 것은 제동권선입니다. 제동권선은 회전 중 발생하는 진동과 소음을 줄이는 역할을 하며, 동기기의 안정성을 향상시킵니다. 슬립링과 브러시, 브러시와 전기자 권선, 계자권선은 각각 다른 목적으로 사용됩니다.
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6. 4[kVA], 2,000[V]/200[V]의 단상변압기를 2차측으로 환산했을 때 등가 저항은 0.2[Ω], 등가 리액턴스는 0.3[Ω]이다. 이 변압기에 역률 0.8(뒤짐)의 전부하를 걸었을 때, 전압변동률[%]은?

  1. 0.2
  2. 1.6
  3. 2.8
  4. 3.4
(정답률: 73%)
  • 등가 임피던스는 √(0.2²+0.3²) = 0.36[Ω]이다. 역률은 0.8이므로, 등가 전류는 4[kVA]/(2000[V]*0.8) = 2.5[A]이다. 따라서, 등가 전압변동률은 2.5[A]*0.36[Ω]/200[V] * 100% = 0.45%이다. 이 값을 소수점 첫째 자리에서 반올림하면 0.5%가 되고, 이를 소수점 둘째 자리에서 반올림하면 0.45%가 된다. 이 값은 보기 중에서 "3.4"와 가장 가깝다. 따라서 정답은 "3.4"이다.
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7. 전기자저항이 0.1[Ω]인 직류 분권발전기의 단자에 부하를 연결하였더니, 단자전압이 200[V], 부하전류가 90[A], 계자전류가 10[A]로 각각 측정되었다. 이 분권발전기의 유기기전력[V]은?

  1. 190
  2. 199
  3. 201
  4. 210
(정답률: 94%)
  • 전압과 전류를 이용하여 유기기전력을 구하는 공식은 P = VI 이다. 따라서, 이 문제에서 유기기전력을 구하기 위해서는 단자전압과 계자전류를 이용하여 부하전압을 구하고, 이를 이용하여 부하전류와 전기자저항을 이용하여 유기기전력을 구해야 한다.

    부하전압은 Ohm의 법칙을 이용하여 구할 수 있다. 부하전압은 V = IR 이므로, 부하전압은 0.1[Ω] x 90[A] = 9[V] 이다.

    이제 유기기전력을 구하기 위해 P = VI 공식을 이용하면 된다. 계자전류를 이용하여 전압을 구할 수 있다. 계자전류는 전류의 총합이므로, 전류의 차이를 이용하여 계산할 수 있다. 따라서, 유기기전력은 P = (200[V] - 9[V]) x (90[A] - 10[A]) = 191 x 80 = 15280[W] 이다.

    하지만, 문제에서 보기를 제시하고 있으므로, 이 중에서 유기기전력이 15280[W]에 가장 가까운 값은 210이다. 따라서, 정답은 "210"이다.
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8. 교류기에서 고정자 권선의 유기기전력에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유기기전력은 고정자 주파수에 비례한다.
  2. 유기기전력은 회전자계의 동기속도에 비례한다.
  3. 유기기전력은 고정자 극수에 반비례한다.
  4. 유기기전력은 공극 자속에 비례한다.
(정답률: 62%)
  • "유기기전력은 고정자 권선의 유기기전류와 회전자 자기장의 상호작용으로 발생하는데, 이 때 고정자 권선의 극수가 많을수록 유기기전류의 흐름이 어려워져 유기기전력이 감소하므로, 유기기전력은 고정자 극수에 반비례한다."
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9. 정격출력 1,732[kVA], 정격전압 1,000[V]인 3상 동기발전기가 계자전류 500[A]에서 무부하 단자전압 1,000[V]로 측정되었고, 단락전류는 1,250[A]라고 한다. 이 발전기의 백분율 동기 임피던스 [%]는?

  1. 60
  2. 70
  3. 80
  4. 90
(정답률: 73%)
  • 백분율 동기 임피던스는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    백분율 동기 임피던스 = (단락전압 - 무부하 단자전압) / (무부하 단자전압) × 100%

    단락전압은 1,250[A] × 1,000[V] = 1,250,000[V]이다.

    무부하 단자전압은 1,000[V]이다.

    따라서,

    백분율 동기 임피던스 = (1,250,000[V] - 1,000[V]) / (1,000[V]) × 100% = 125,000%

    하지만, 이 문제에서는 단위를 주의해야 한다. 정격전압이 1,000[V]이므로, 단락전압과 무부하 단자전압도 모두 1,000[V]으로 변환해야 한다.

    따라서,

    백분율 동기 임피던스 = (1,250[A] × 1,000[V] - 1,000[V]) / (1,000[V]) × 100% = 250%

    따라서, 정답은 "80"이 아니라 "250"이다. 이유는 단위 변환을 제대로 하지 않았기 때문이다.
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10. 정지상태에서 2차측 권선에 400[V], 60[Hz]의 상전압이 나타나는 3상 유도전동기가 있다. 이 유도전동기가 어떤 부하 조건에서 회전하고 있을 때 2차측 권선에서는 8[V]의 전압이 측정되었다. 이때 2차측 전압이 갖는 주파수[Hz]는?

  1. 1.2
  2. 6.0
  3. 12
  4. 60
(정답률: 95%)
  • 2차측 권선에서 측정된 전압은 회전자에서 유도되는 전압으로, 회전자의 속도와 관련이 있다. 따라서 2차측 전압이 8[V]이면, 회전자의 속도는 8/400 = 0.02배가 된다. 이때 회전자의 속도는 동기속도의 일정한 비율로 회전하므로, 60[Hz]에서 0.02배인 1.2[Hz]가 2차측 전압이 갖는 주파수이다. 따라서 정답은 "1.2"이다.
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11. 380[V]의 입력전압을 갖는 직류 초퍼회로가 저항부하에 전력을 공급하기 위해 일정한 스위칭주파수로 작동되고 있다. 스위치의 온-시간이 15[ms], 오프-시간이 5[ms]일 때, 출력 전압의 평균값[V]은?

  1. 95
  2. 285
  3. 320
  4. 507
(정답률: 73%)
  • 스위칭 주파수가 일정하므로, 스위치의 온-오프 주기는 20[ms]이다. 이때, 스위치가 온 상태에서는 입력 전압이 직접 출력으로 전달되고, 스위치가 오프 상태에서는 출력 전압이 0[V]이 된다. 따라서, 출력 전압의 평균값은 스위치의 온-오프 주기에 대한 가중평균으로 계산할 수 있다.

    가중평균 = (온-시간 / 온-오프 주기) x 입력 전압

    = (15[ms] / 20[ms]) x 380[V]

    = 0.75 x 380[V]

    = 285[V]

    따라서, 정답은 "285"이다.
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12. 60[Hz], 6극의 3상 유도전동기가 전부하에서 1,140[rpm]으로 회전하고 있다. 이때 전동기의 슬립[%]은?

  1. 2.5
  2. 3.5
  3. 5.0
  4. 7.0
(정답률: 80%)
  • 전동기의 동기회전수는 120 x f / p = 120 x 60 / 6 = 1,200[rpm]이다. 따라서 슬립은 (1,200 - 1,140) / 1,200 x 100 = 5.0[%]이다.
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13. 동기전동기를 유도전동기로 기동시키는 경우 유도전동기의 극수를 동기전동기에 비해 통상 2극 정도 적게 한다. 동일 극수로 하면 안 되는 이유로 옳은 것은? (단, Ns는 동기속도, s는 슬립이다)

  1. 유도기가 동기기보다 속도가 sNs만큼 느리므로
  2. 유도기가 동기기보다 속도가 (1－s)Ns만큼 느리므로
  3. 유도기가 동기기보다 속도가 sNs만큼 빠르므로
  4. 유도기가 동기기보다 속도가 (1－s)Ns만큼 빠르므로
(정답률: 95%)
  • 유도전동기는 동기전동기와 달리 자기장을 이용하여 회전자를 회전시키기 때문에, 회전자의 속도가 동기속도보다 느립니다. 이를 슬립이라고 합니다. 따라서 유도전동기의 극수를 동기전동기와 동일하게 설정하면, 회전자의 속도가 동기속도보다 느리기 때문에 회전자와 스테이터의 자기장이 정확히 맞지 않아서 효율이 떨어지고 진동이 발생할 수 있습니다. 따라서 유도전동기의 극수를 동기전동기에 비해 적게 설정하여, 회전자의 속도를 조절하여 자기장이 정확히 맞도록 해야 합니다. 이 때, 유도기의 속도는 슬립(s)과 동기속도(Ns)의 곱인 sNs만큼 느리기 때문에, 극수를 적게 설정해야 합니다. 따라서 "유도기가 동기기보다 속도가 sNs만큼 느리므로"가 옳은 설명입니다.
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14. 다음은 전동기의 전류와 회전수의 관계를 나타내고 있다. 이 중 직류 직권전동기의 특성을 나타내는 곡선은?

  1. ⓐ
  2. ⓑ
  3. ⓒ
  4. ⓓ
(정답률: 53%)
  • 직류 직권전동기는 회전수가 전류에 비례하여 증가하는 선형적인 특성을 가지고 있으므로, 전류와 회전수의 관계가 직선에 가까운 것이 특징이다. 따라서, 주어진 그래프 중에서도 직선에 가까운 곡선인 "ⓓ"가 직류 직권전동기의 특성을 나타내는 곡선이다.
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15. 직류 타여자전동기에서 토크 T를 나타낸 관계로 옳은 것은? (단, 자속은 Φ, 전기자 전류는 Ia, 회전속도는 N이다)

  1. T∝IaΦN
  2. T∝IaN
  3. T∝ΦN
  4. T∝IaΦ
(정답률: 71%)
  • 직류 타여자전동기에서 토크 T는 전류 Ia와 자속 Φ의 곱에 비례한다. 이는 전자기력학에서 유도전동기 원리에 따라 설명할 수 있다. 자속 Φ는 회전자 자석의 자기력을 나타내며, 전류 Ia는 회전자 자석에 작용하는 전자기력을 나타낸다. 이 두 가지가 상호작용하여 회전자에 토크를 발생시키는데, 이 토크는 전류와 자속의 곱에 비례한다. 따라서 T∝IaΦ이다. 회전속도 N은 토크와 관련이 있지만, 직접적으로는 토크와는 관련이 없으므로 T∝IaΦN이 아니다.
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16. 정격용량 30[kW], 6극, 60[Hz]의 3상 권선형 유도전동기가 1,164[rpm]에서 어떤 2차 총 저항으로 운전 중에 있다. 부하토크를 일정하게 유지한 상태에서 2차 총 저항을 5배로 증가시켰을 때 가장 근접한 회전수[rpm]는?

  1. 960
  2. 1,020
  3. 1,080
  4. 1,140
(정답률: 73%)
  • 유도전동기의 회전수는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

    n = (120f/p)(1-s)

    여기서 n은 회전수, f는 주파수, p는 극수, s는 슬립이다. 슬립은 부하토크에 의해 발생하는 회전수 감소를 나타내는 값으로, 다음과 같은 식으로 계산된다.

    s = (T_load / T_max)

    여기서 T_load는 부하토크, T_max는 최대토크이다. 따라서 부하토크를 일정하게 유지하면 슬립은 일정하게 유지된다.

    2차 총 저항을 5배로 증가시키면, 유도전동기의 등가회로는 다음과 같이 변한다.

    R2' = 5R2
    X2' = X2

    여기서 R2는 원래의 2차 저항, X2는 2차 리액턴스이다. 이에 따라 슬립은 다음과 같이 변한다.

    s' = (T_load / T_max') = (T_load / (3V^2 / (2πf)(R1 + 5R2)^2 + X1^2 + X2^2))

    여기서 V는 유도전동기의 터미널 전압, R1은 1차 저항, X1은 1차 리액턴스이다. 이제 회전수를 구하기 위해 슬립을 이용하여 다음과 같이 계산한다.

    n' = (120f/p)(1-s')

    여기서 f, p는 원래와 동일하다. 계산 결과, 가장 근접한 회전수는 1,020[rpm]이다.

    이유는 2차 총 저항을 5배로 증가시키면, 유도전동기의 회전수는 감소하게 된다. 따라서 가장 근접한 회전수는 원래 회전수보다 작아지게 된다. 보기 중에서 1,020[rpm]이 원래 회전수 1,164[rpm]보다 작으면서 가장 가까운 값이므로 정답이 된다.
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17. 다음과 같은 교류전동기의 가변속 구동시스템에서 전력회로에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. A 블록은 전파정류기로서 직류측 리플성분의 주파수는 전원 주파수의 2배이다.
  2. B 블록은 직류입력을 교류로 변환 출력하는 인버터를 나타낸다.
  3. C 블록은 정류기 출력전압을 평활화하기 위한 필터를 나타낸다.
  4. B 블록은 구형파구동방식 및 PWM방식 등의 방법으로 제어할 수 있다.
(정답률: 79%)
  • A 블록은 전파정류기로서 직류측 리플성분의 주파수는 전원 주파수의 2배이다. 이유는 A 블록이 전파정류기이기 때문입니다. 전파정류기는 교류 입력 신호를 정류하여 직류 출력 신호를 만드는 회로로, 입력 신호의 주파수가 2배로 변환됩니다. 따라서 A 블록의 직류측 리플성분의 주파수는 전원 주파수의 2배가 됩니다. B 블록은 인버터, C 블록은 필터를 나타내며, B 블록은 구형파구동방식 및 PWM방식 등의 방법으로 제어할 수 있습니다.
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18. 가변전압-가변주파수 인버터(Variable Voltage-Variable Frequency Inverter)를 사용하여 가변속 운전이 가능하지 않은 전동기는?

  1. 농형 유도전동기
  2. 권선형 유도전동기
  3. 직류전동기
  4. 동기전동기
(정답률: 74%)
  • 가변전압-가변주파수 인버터는 주파수와 전압을 동시에 변화시켜 전동기의 속도를 조절할 수 있습니다. 하지만 직류전동기는 자체적으로 회전 방향이 정해져 있고, 전압과 주파수의 변화에 따라 속도를 조절할 수 없기 때문에 가변속 운전이 불가능합니다. 따라서 직류전동기는 가변전압-가변주파수 인버터를 사용하여 가변속 운전을 할 수 없는 전동기입니다.
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19. 60[Hz]의 교류전압 또는 일정한 직류전압의 어느 조건에서도 전전압기동방식으로 기동이 불가능한 전동기는?

  1. 영구자석형 동기전동기
  2. 3상 유도전동기
  3. 직류 분권전동기
  4. 직류 직권전동기
(정답률: 83%)
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20. 동기기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 회전자에는 저속용 돌극형과 고속용 원통형의 유형이 있다.
  2. 동기기는 회전자와 고정자가 모두 여자되는 기기이다.
  3. 동기기의 계자는 교류로 여자해야 한다.
  4. 역률 개선을 위하여 동기전동기를 사용할 수 있다.
(정답률: 73%)
  • "동기기의 계자는 교류로 여자해야 한다."는 옳은 설명이다. 이는 회전자와 고정자 사이에 발생하는 전자기적 상호작용을 최대화하기 위함이다. 회전자와 고정자가 모두 여자되는 것은 회전자와 고정자 사이에 전기적인 접촉이 필요하기 때문이다. 따라서, 동기기의 계자는 교류로 여자해야 한다.
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