[전기기기] 국가직 7급 해설 2014년

 

답 (A 책형) : ③ ③ ① ④ ② / ② ③ ② ① ③ / ② ② ④ ④ ① / ① ③ ④ ④ ③

 

 

 

문 1. 일반 농형 유도전동기에 비해 이중 농형 유도전동기의 특징으로 옳은 것은?

기동전류 / 기동토크

① 크다 / 크다

② 크다 / 작다

③ 작다 / 크다

④ 작다 / 작다

정답: ③

 

이중 농형 유도전동기는 기동 특성을 개선하기 위해 고안된 구조입니다.

[해설 핵심]

• 이중 농형 구조: 상부 바(기동용)는 저항이 크고 리액턴스가 작으며, 하부 바(운전용)는 저항이 작고 리액턴스가 큽니다.
• 기동 시: 전류가 저항이 큰 상부 바에 집중되어 기동 전류는 작아지고 기동 토크는 커지는 효과(심구 농형과 유사한 원리)를 얻습니다.

 

 

문 2. 3상 동기전동기의 기동법에 해당하지 않는 것은?

① 원동기 기동

② 제동권선 기동

③ 전전압 기동

④ 주파수 제어 기동

정답: ③

 

동기전동기는 정지 상태에서 스스로 회전력을 만들 수 없으므로(기동 토크 = 0) 별도의 기동 방법이 필요합니다.

[해설 핵심]

오답 분석: ③ 전전압 기동은 주로 소용량 유도전동기에서 사용하며, 동기전동기에는 적용하지 않습니다. (동기 인입이 불가능함)

보기 분석: ① 원동기(다른 모터 등)로 돌리기, ② 제동권선을 유도기처럼 사용하여 기동, ④ 인버터를 이용해 낮은 주파수부터 서서히 올리는 방식 등이 사용됩니다.

 

 

 

문 3. 직류분권발전기에서 회전 방향을 반대로 할 경우 직류분권발전기의 동작으로 옳은 것은?

① 발전하지 않는다.

② 동일하게 발전한다.

③ 반대극성으로 발전한다.

④ 과전압이 유기된다.

정답: ①

 

자가 여자 방식인 분권발전기의 특성을 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 회전 방향을 반대로 하면 유기 기전력의 극성이 바뀝니다.
2. 바뀐 극성에 의해 계자 권선에 흐르는 전류의 방향도 반대가 됩니다.
3. 이로 인해 발생하는 자속이 기존의 잔류 자기를 소멸시키게 되어 전압 확립이 불가능해집니다.

 

 

 

문 4. 3상 유도전동기의 속도제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 공급전압/주파수가 일정하도록 주파수를 변화시켜서 속도를 제어하는 방법은 공극자속이 거의 일정하다.

② 2차 저항을 가변하여 속도를 제어하는 방법은 권선형 유도전동기에만 적용할 수 있다.

③ 극수를 변환하여 속도를 제어하는 방법은 소형 유도전동기에 주로 적용된다.

④ 토크는 공급전압에 정비례하므로 전압을 감소시키면 속도가 감소한다.

정답: ④

 

유도전동기 제어 이론의 기초를 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

오답 분석: ④ 유도전동기의 토크는 공급전압의 제곱($V^2$)에 비례합니다. 따라서 전압 변화에 따른 토크 변화폭이 매우 큽니다. 보기 분석: ① V/f 일정 제어의 핵심 목적은 자속 포화 방지입니다. ② 2차 저항 제어(비례추이)는 슬립링이 있는 권선형 모터의 특징입니다.

 

 

 

문 5. 직류직권전동기에 교류전압을 인가하였을 경우 직류직권전동기의 동작으로 옳은 것은?

① 정․역 방향으로 진동한다.

② 직류전압을 인가한 경우와 같은 방향으로 회전한다.

③ 직류전압을 인가한 경우와 반대 방향으로 회전한다.

④ 동작하지 않는다.

정답: ②

 

직권전동기의 구조적 특징(유니버설 모터)을 묻는 문제입니다.

[해설 핵심] 직권전동기는 전기자와 계자가 직렬로 연결되어 있습니다.

1. 교류의 극성이 바뀌면 전기자 전류와 계자 전류의 방향이 동시에 바뀝니다.
2. 토크의 방향은 전류와 자속의 곱에 비례하므로($\tau \propto \phi I_a$), 둘 다 바뀌면 토크의 방향은 항상 일정하게 유지됩니다.

 

 

문 6. 정격출력 10[kW], 정격전압 200[V], 정격회전수 1500[rpm]인 직류직권발전기가 있다. 회전수를 1200[rpm]으로 감속하고 같은 크기의 부하전류를 흘렸을 경우, 단자전압[V]은? (단, 전기자 저항과 계자 저항의 합은 0.1[$\Omega$]이다)

① 150

② 159

③ 164

④ 205

정답: ②

 

발전기 기전력 공식($E = V + IR$)과 회전수 비례 관계를 묻는 계산 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 정격 전류 $I = 10,000 / 200 = 50 [A]$
2. 초기 기전력 $E_1 = 200 + (50 \times 0.1) = 205 [V]$
3. 회전수 변화에 따른 기전력 $E_2 = 205 \times (1,200 / 1,500) = 164 [V]$
4. 나중 단자전압 $V_2 = E_2 - (50 \times 0.1) = 164 - 5 = 159 [V]$

 

 

문 7. 동기기에서는 고정자의 회전자계 자축이 회전자의 회전자계 자축보다 앞설 수도 있고 뒤질 수도 있다. 고정자의 회전자계 자축이 회전자의 회전자계 자축보다 앞설 경우(a)와 뒤질 경우(b) 동기기의 동작으로 옳은 것은?

(a) / (b)

① 발전기 / 전동기

② 발전기 / 제동기

③ 전동기 / 발전기

④ 제동기 / 전동기

정답: ③

 

부하각(전력각)에 따른 동기기의 동작 모드 구분 문제입니다.

[해설 핵심]

• (a) 고정자(전원 측)가 앞섬: 전원이 회전자를 끌고 가는 형상이므로 전동기 동작입니다.
• (b) 고정자(전원 측)가 뒤짐: 회전자가 외부 동력으로 전원을 앞질러 가는 형상이므로 발전기 동작입니다.

 

 

 

문 8. 다음 그림 중 동기전동기의 V곡선으로 옳은 것은?

정답: ②

 

동기전동기의 계자 전류($I_f$)와 전기자 전류($I_a$) 사이의 관계를 나타낸 V곡선 문제입니다.

[해설 핵심]

역률 1.0인 지점을 기준으로 삼습니다.

• 계자 전류가 작으면(부족여자): 지상 전류(L 성분)가 흐릅니다. (왼쪽)
• 계자 전류가 크면(과여자): 진상 전류(C 성분)가 흐릅니다. (오른쪽)
• 위 조건에 부합하는 것은 ②번 그래프입니다.

 

 

문 9. 변압기 1차 코일의 권수와 1차 인가전압의 주파수를 2배로 하였을 경우, 변압기의 여자전류와 최대자속은? (단, 1차 인가전압의 크기는 변화가 없으며, 자기포화는 무시한다)

① 여자전류가 1/8배로 감소하고, 최대자속이 1/4배로 감소한다.

② 여자전류가 1/8배로 감소하고, 최대자속이 1/2배로 감소한다.

③ 여자전류가 1/4배로 감소하고, 최대자속이 1/4배로 감소한다.

④ 여자전류가 1/4배로 감소하고, 최대자속이 1/2배로 감소한다.

정답: ①

 

변압기 유기기전력 공식($E = 4.44 f N \Phi_m$)과 여자 리액턴스 관계를 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 자속($\Phi_m$): $E \propto f N \Phi_m \rightarrow \Phi_m \propto \frac{E}{f N}$. 전압($E$)이 일정할 때 $f$와 $N$이 각각 2배가 되면 자속은 1/4배가 됩니다.
2. 여자전류($I_0$): $I_0 \approx \frac{E}{X_L} \propto \frac{E}{f L}$. 여기서 인덕턴스 $L \propto N^2$이므로 $I_0 \propto \frac{E}{f N^2}$. 분모가 $2 \times 2^2 = 8$이 되어 여자전류는 1/8배가 됩니다.

 

 

 

문 10. 출력 30[kW], 80[Hz]인 권선형 4극 3상 유도전동기의 전부하 시 회전수는 2000[rpm]이다. 동일 토크에서 1600[rpm]으로 회전시키기 위해 2차 회로에 삽입해야 할 외부저항[$\Omega$]은? (단, 2차 회로는 Y결선이고, 각 상의 저항은 $r_2$이다)

① $r_2/3$

② $r_2/2$

③ $r_2$

④ $2r_2$

정답: ③

 

권선형 유도전동기의 비례추이 원리를 이용한 계산 문제입니다.

[해설 핵심]

비례추이 조건: $\frac{r_2}{s_1} = \frac{r_2 + R}{s_2}$

1. 동기속도 $N_s = \frac{120 \times 80}{4} = 2,400 [rpm]$
2. 초기 슬립 $s_1 = \frac{2400 - 2000}{2400} = \frac{400}{2400} = 1/6$
3. 나중 슬립 $s_2 = \frac{2400 - 1600}{2400} = \frac{800}{2400} = 1/3$
4. 대입: $\frac{r_2}{1/6} = \frac{r_2 + R}{1/3} \rightarrow 6 r_2 = 3(r_2 + R)$
5. $2 r_2 = r_2 + R \rightarrow R = r_2$

 

 

 

문 11. 펄스폭 변조(PWM) 방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 듀티비가 클수록 부하로 흐르는 전류의 크기가 커진다.

② 오프(off) 시간이 길어지면 듀티비가 커진다.

③ 듀티비는 온(on) 시간을 PWM 주기로 나눈 값이다.

④ PWM 주기를 고정하고 주기 내에서 온(on)/오프(off) 시간을 변조하는 방식이다.

정답 : ②

 

전력전자 제어의 핵심인 PWM(Pulse Width Modulation)의 정의와 듀티비(Duty Ratio)의 수식적 관계를 이해하고 있는지 묻는 문제입니다. 임베디드 제어에서도 모터 속도나 LED 밝기를 조절할 때 가장 먼저 접하게 되는 기초 개념입니다.

[해설 핵심]

• 듀티비($D$)의 정의: $D = \frac{T_{on}}{T_{on} + T_{off}}$
• 오프(off) 시간이 길어지면 분모가 커지므로 전체적인 듀티비는 작아집니다.
• 듀티비가 클수록 평균 출력 전압이 높아져 부하 전류가 커지는 것은 맞습니다.

 

 

 

문 12. 유니버설전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 직류전원과 교류전원에서 모두 사용할 수 있는 전동기이다.

② 직류분권전동기와 같은 구조를 가지고 있다.

③ 같은 정격의 유도전동기에 비해 높은 토크를 갖는다.

④ 60[Hz] 교류전원을 인가하더라도 무부하에서 12000[rpm] 이상으로 운전 가능하다.

정답 : ②

 

AC와 DC 양쪽에서 모두 구동 가능한 '유니버설 전동기(교류 직권 전동기)'의 구조적 특징과 장점을 파악하고 있는지 확인하는 문제입니다. 청소기나 믹서기처럼 고속 회전이 필요한 가전에 왜 이 모터가 쓰이는지 알 수 있습니다.

[해설 핵심]

• 유니버설 전동기는 전류의 극성이 바뀌어도 토크 방향이 일정해야 하므로, 전기자와 계자가 직렬로 연결된 직류직권전동기와 구조가 같습니다.
• 분권 구조는 교류를 가했을 때 위상 차이 등으로 인해 정상적인 토크를 내기 어렵습니다.

 

 

 

문 13. 공급전압이 V이며, 부하 $T_L$을 인가하여 N[rpm]의 속도로 회전하는 직류분권전동기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 전기자권선에 연결된 직렬저항을 증가시키면 속도가 감소한다.

② 계자권선에 연결된 직렬저항을 감소시키면 속도가 감소한다.

③ 공급전압을 V 이하로 감소시키면 역기전력이 감소한다.

④ 부하를 $T_L$ 이상으로 증가시키면 전기자전류가 감소한다.

정답 : ④

 

직류 분권 전동기의 속도 제어 특성과 부하 변화에 따른 전기적 응답을 묻는 문제입니다. 전압, 자속, 저항이 속도($N$)와 전류($I_a$)에 미치는 물리적 영향을 공식으로 해석해야 합니다.

[해설 핵심]

• 모터 토크 공식: $\tau = k \phi I_a$
• 부하($T_L$)가 증가하면 모터는 이를 감당하기 위해 더 큰 토크를 발생시켜야 하며, 따라서 전기자 전류($I_a$)는 증가하게 됩니다.
• 계자 저항을 감소시키면 계자 전류가 늘어나 자속($\phi$)이 증가하고, 이는 속도 감소로 이어집니다.

 

 

 

문 14. SRM(Switched Reluctance Motor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 회전자의 위치를 알기 위한 센서가 필요하다.

② 회전자와 고정자는 모두 돌극 구조이며 철심으로 이루어져 있다.

③ 회전각에 따른 인덕턴스의 변화율은 토크와 비례한다.

④ 고정자와 회전자에 모두 권선이 되어 있다.

정답 : ④

 

비교적 구조가 단순하고 고속 운전에 유리한 SRM의 물리적 구성과 구동 원리를 묻는 문제입니다. 영구자석이나 회전자 권선이 없는 특수성을 이해하는 것이 핵심입니다.

[해설 핵심]

• SRM은 고정자에만 집중권 권선이 있고, 회전자는 권선이나 영구자석이 없는 단순한 철심(돌극) 구조입니다.
• 자기 저항(Reluctance)이 최소가 되려는 방향으로 발생하는 힘을 이용하므로 회전자의 위치를 파악하는 센서가 필수적입니다.

 

 

 

문 15. 다음은 단상전파 정류회로와 이 회로의 출력전압 파형이다. 이때 출력전압의 리플을 감소시키는 방법으로 옳지 않은 것은? ① 전원전압의 크기를 증가시킨다.

② 전원주파수를 증가시킨다.

③ 커패시터의 용량을 증가시킨다.

④ 시정수를 크게 한다.

정답 : ①

 

AC-DC 정류 과정에서 발생하는 리플(Ripple) 전압의 원인과 이를 억제하기 위한 필터링 설계 변수(f, R, C)들의 상관관계를 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

• 리플 전압($\Delta v_o$) 근사식: $\Delta v_o \approx \frac{V_m}{2fRC}$
• 공식에서 보듯 전원 전압($V_m$)이 커지면 리플의 진폭도 비례해서 커지므로, 리플을 줄이는 방법으로는 틀린 설명입니다.
• 주파수($f$)나 정전용량($C$)을 키우는 것이 리플 감소의 정석입니다.

 

 

문 16. 정격용량 900[kVA], 정격전압 $1000\sqrt{3}$ [V], 60[Hz]인 8극 3상 동기발전기의 단락비가 1.2이고, 여자전류 150[A]에서 무부하 유기기전력이 $1000\sqrt{3}$ [V]라면 단락전류[A]는?

① 360

② 480

③ 600

④ 720

정답 : ①

 

동기발전기의 안정성과 특성을 나타내는 단락비($K$)를 통해 실제 사고 시 흐를 수 있는 단락전류를 계산할 수 있는지 평가하는 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 정격 전류 $I_n = \frac{P}{\sqrt{3}V} = \frac{900,000}{\sqrt{3} \times 1000\sqrt{3}} = 300 [A]$
2. 단락 전류 $I_s = K \times I_n$
3. $1.2 \times 300 = \mathbf{360 [A]}$

 

 

 

문 17. 권선비가 1 : 3인 이상적인 변압기의 2차 출력단에 브리지 정류회로를 연결하였을 때, 100[Vrms]의 입력전압을 변압기 1차측에 인가하면 정류회로의 평균출력전압[V]은?

① $\frac{300\sqrt{2}}{\pi}$

② $\frac{450\sqrt{2}}{\pi}$

③ $\frac{600\sqrt{2}}{\pi}$

④ $\frac{900\sqrt{2}}{\pi}$

정답 : ③

 

변압기를 통한 전압 승압과 브리지 정류기를 거친 후의 직류 평균값($V_{dc}$) 산출 과정을 이해하고 있는지 묻는 복합적인 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 2차측 실효 전압: $100 \times 3 = 300 [V_{rms}]$
2. 2차측 최대 전압: $300\sqrt{2} [V_{peak}]$
3. 전파 정류 시 평균 전압: $V_{avg} = \frac{2V_m}{\pi} = \frac{2 \times 300\sqrt{2}}{\pi} = \mathbf{\frac{600\sqrt{2}}{\pi}}$

 

 

 

 

문 18. 변압기의 철손이 $P_i$, 전부하동손이 $P_c$이다. 정격부하의 $1/m$ 배인 부하를 연결하였을 때 전손실은?

① $\frac{1}{m} P_i + P_c$

② $\frac{1}{m^2} P_i + P_c$

③ $P_i + \frac{1}{m} P_c$

④ $P_i + \frac{1}{m^2} P_c$

정답 : ④

 

변압기 손실의 두 축인 철손(무부하손)과 동손(부하손)이 부하량 변화에 따라 어떻게 변하는지 수식적으로 파악하고 있는지 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

• 철손($P_i$): 전압이 일정하면 부하와 관계없이 일정한 고정손입니다.
• 동손($P_c$): 전류의 제곱에 비례하므로 부하율($1/m$)의 제곱에 비례하여 변합니다.
• 전체 손실 = $P_i + (1/m)^2 P_c$

 

 

문 19. 정격용량 11[kVA], 정격전압 2200/220[V], 60[Hz]인 배전용 변압기가 전부하에서 운전 중에 있다. 이때 2차측 부하 임피던스를 1차측으로 환산한 값[$\Omega$]은? (단, 이상변압기로 가정한다)

① 110

② 220

③ 330

④ 440

정답 : ④

 

변압기의 임피던스 환산 원리($a^2$ 관계)를 실제 전기적 파라미터(용량, 전압)를 통해 계산해낼 수 있는지 묻는 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 권선비 $a = \frac{2200}{220} = 10$
2. 2차측 정격 전류 $I_2 = \frac{11,000}{220} = 50 [A]$
3. 2차측 부하 임피던스 $Z_2 = \frac{220}{50} = 4.4 [\Omega]$
4. 1차측 환산 값 $Z_1 = a^2 \times Z_2 = 100 \times 4.4 = \mathbf{440 [\Omega]}$

 

 

문 20. 출력 7.5[kW], 60[Hz]인 8극 3상 유도전동기의 전부하 운전 시 2차측 동손이 500[W]이다. 이때 2차측 입력[W]과 슬립[%]은? (단, 다른 손실은 무시한다)

① 7000 / 6.67

② 7000 / 7.14

③ 8000 / 6.25

④ 8000 / 6.67

정답 : ③

 

유도전동기 내부의 에너지 변환 비율($P_2 : P_{c2} : P_{out} = 1 : s : 1-s$)을 활용하여 기기의 효율적 운전 상태를 계산할 수 있는지 평가하는 문제입니다.

[해설 핵심]

1. 2차 입력($P_2$) = 출력($P_{out}$) + 2차 동손($P_{c2}$) = $7500 + 500 = \mathbf{8000 [W]}$
2. 슬립($s$) = $\frac{2차 동손}{2차 입력} = \frac{500}{8000} = 0.0625$
3. 퍼센트 환산 시 6.25%가 됩니다.