2025년 3회 전기기사 필기 전기기기 문제 풀이

1. 직류 분권 전동기에서 정격전압 200V, 정격전류 52A, 전기자 저항 및 계자 저항이 각각 0.1Ω, 50Ω일 때, 기동 전류를 정격전류의 150%로 하기 위한 기동 저항은 약 몇 Ω인가?

   1. 2.46

   2. 3.54

   3. 4.28

   4. 5.12

   해설:

   1. 기동 전류(Is) 계산: 기동 전류는 정격전류의 150%이므로, Is = 52A * 1.5 = 78A이다.

   2. 계자 전류(If) 계산: If = 정격전압 / 계자 저항 = 200V / 50Ω = 4A이다.

   3. 기동 시 전기자 전류(Ias) 계산: 기동 전류는 계자 전류와 전기자 전류의 합이므로, Ias = Is - If = 78A - 4A = 74A이다.

   4. 기동 저항(Rs) 계산: 기동 시 전압 방정식 V = Ias * (Ra + Rs)를 이용한다. 여기서 Ra는 전기자 저항이다.

      200V = 74A * (0.1Ω + Rs)

      200 / 74 = 0.1 + Rs

      2.7 ≈ 0.1 + Rs

      Rs ≈ 2.6Ω 이다. 계산 결과와 보기가 일치하지 않으나, 가장 가까운 값은 2.46이다. 이는 계자전류를 무시하고 Is = Ias 로 가정했을 때의 풀이와 유사하다.

      200V = 78A * (0.1Ω + Rs) -> 2.56 = 0.1 + Rs -> Rs = 2.46Ω

   답: 1

2. 변압기에서 1차측을 여자할 때, 여자 전류에 제3고조파가 포함되어 있어도 2차측 유기기전력에 제3고조파가 나타나지 않는 결선 방식은?

   1. Y-Y

   2. Y-Δ

   3. Δ-Δ

   4. V-V

   해설:

   Δ(델타) 결선은 선로가 폐회로를 형성하므로 제3고조파 전류가 결선 내부를 순환하여 외부로 유출되지 않는다. 따라서 Δ결선이 포함된 Y-Δ 또는 Δ-Δ 결선 방식에서는 2차측 유기기전력에 제3고조파가 나타나지 않아 파형이 개선된다. Y-Y 결선은 제3고조파가 순환할 경로가 없어 중성선을 접지하지 않으면 유기기전력이 왜곡된다.

   답: 2

3. 동기 발전기에서 무부하 포화곡선과 3상 단락곡선이 주어졌을 때 알 수 없는 것은?

   1. 단락비

   2. 동기 임피던스

   3. 전압 변동률

   4. 철손

   해설:

   • 동기 임피던스(Zs): 무부하 포화곡선에서 얻은 정격 전압에 해당하는 계자 전류와, 3상 단락곡선에서 얻은 정격 전류에 해당하는 계자 전류를 이용하여 구할 수 있다.

   • 단락비(K): 3상 단락곡선에서 정격 전류를 흘리는 데 필요한 계자 전류에 대한, 무부하 포화곡선에서 정격 전압을 유기하는 데 필요한 계자 전류의 비로 정의된다.

   • 전압 변동률(ε): 동기 임피던스와 부하의 역률을 알아야 계산할 수 있다. 두 곡선만으로는 부하의 역률을 알 수 없으므로 전압 변동률을 직접 구할 수 없다.

   • 철손: 무부하 시험(무부하 포화곡선 시험)을 통해 철손을 측정할 수 있다.

   답: 3

4. 단상 유도 전동기 중 기동 토크가 가장 큰 것은?

   1. 반발 기동형

   2. 콘덴서 기동형

   3. 분상 기동형

   4. 셰이딩 코일형

   해설:

   단상 유도 전동기의 기동 토크 크기는 일반적으로 다음과 같은 순서를 따른다.

   반발 기동형 > 반발 유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 > 셰이딩 코일형

   따라서 반발 기동형이 기동 토크가 가장 크다.

   답: 1

5. 정격 출력 50kW, 4극, 200V, 60Hz인 3상 유도 전동기가 있다. 전부하 시 슬립이 4%일 때, 회전자 동손은 약 몇 W인가?

   1. 1,960

   2. 2,080

   3. 2,150

   4. 2,230

   해설:

   유도 전동기에서 기계적 출력(P_out), 2차 동손(Pc2), 2차 입력(P2) 사이에는 다음과 같은 비례 관계가 성립한다.

   P2 : P_out : Pc2 = 1 : (1-s) : s

   여기서 s는 슬립이다.

   따라서 Pc2 = P_out * (s / (1-s)) 이다.

   Pc2 = 50,000W * (0.04 / (1 - 0.04)) = 50,000 * (0.04 / 0.96) ≈ 2,083W

   답: 2

6. 변압기에서 퍼센트 저항 강하 2%, 퍼센트 리액턴스 강하 3%일 때, 최대 전압 변동률이 나타나는 부하의 역률은 약 얼마인가?

   1. 0.56

   2. 0.68

   3. 0.72

   4. 0.83

   해설:

   최대 전압 변동률은 부하의 역률각(θ)과 변압기의 임피던스각(φ)이 같을 때 발생한다.

   임피던스각의 코사인 값, 즉 역률 cos(φ)는 다음과 같이 계산한다.

   cos(φ) = (퍼센트 저항 강하) / (퍼센트 임피던스)

   퍼센트 임피던스 Z = sqrt((퍼센트 저항 강하)^2 + (퍼센트 리액턴스 강하)^2)

   Z = sqrt(2^2 + 3^2) = sqrt(4 + 9) = sqrt(13) ≈ 3.6

   cos(φ) = 2 / 3.6 ≈ 0.555

   답: 1

7. 3상 동기 발전기를 병렬 운전하는 경우, 고려하지 않아도 되는 조건은?

   1. 기전력의 크기가 같을 것

   2. 기전력의 위상이 같을 것

   3. 기전력의 주파수가 같을 것

   4. 회전수가 같을 것

   해설:

   동기 발전기의 병렬 운전 조건은 '크-위-주-파-상'으로 암기할 수 있다.

   • 기전력의 크기가 같을 것

   • 기전력의 위상이 같을 것

   • 기전력의 주파수가 같을 것

   • 기전력의 파형이 같을 것

   • 상회전 방향이 같을 것

     회전수는 주파수와 극수에 의해 결정(Ns = 120f/p)되므로, 주파수가 같다는 조건에 포함된다. 따라서 별도로 고려할 필요가 없다.

   답: 4

8. 정격전압 6000V, 용량 5000kVA, 동기 임피던스가 7.8Ω인 동기 발전기의 단락비는?

   1. 0.78

   2. 0.85

   3. 0.92

   4. 1.15

   해설:

   1. 정격 전류(In) 계산: 용량 P = sqrt(3) * V * I 이므로,

      In = 5,000,000VA / (sqrt(3) * 6000V) ≈ 481.1A

   2. 퍼센트 동기 임피던스(%Zs) 계산:

      %Zs = (In * Zs / (Vp)) * 100

      여기서 Vp는 상전압이므로 Vp = 6000V / sqrt(3) ≈ 3464V 이다.

      %Zs = (481.1A * 7.8Ω / 3464V) * 100 ≈ 108.3%

   3. 단락비(K) 계산: 단락비는 퍼센트 동기 임피던스의 역수이다.

      K = 100 / %Zs = 100 / 108.3 ≈ 0.923

   답: 3

9. 단상 변압기 3대를 Δ결선하여 운전하던 중 1대가 고장나 V결선으로 운전할 경우, 고장 전 Δ결선에 대한 V결선의 출력비는 약 몇 %인가?

   1. 50

   2. 57.7

   3. 66.7

   4. 86.6

   해설:

   • 출력비: V결선 시의 출력과 원래 Δ결선 시의 출력의 비율이다.

     Δ결선 출력 = 3 * (단상 변압기 1대 용량)

     V결선 출력 = sqrt(3) * (단상 변압기 1대 용량)

     출력비 = (V결선 출력 / Δ결선 출력) = (sqrt(3) * P₁) / (3 * P₁) = 1 / sqrt(3) ≈ 0.577, 즉 57.7%이다.

   • 이용률: V결선 시 실제 출력과 V결선에 사용된 변압기 설비 용량의 비율이다.

     이용률 = (sqrt(3) * P₁) / (2 * P₁) = sqrt(3) / 2 ≈ 0.866, 즉 86.6%이다.

   답: 2

10. 직류 발전기에서 계자 권선이 전기자와 병렬로 연결된 발전기는?

    1. 직권 발전기

    2. 분권 발전기

    3. 복권 발전기

    4. 타여자 발전기

    해설:

    직류 발전기는 계자 권선과 전기자 권선의 연결 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.

    • 타여자 발전기: 계자 권선이 외부의 독립된 전원에 연결된다.

    • 자여자 발전기:

      • 직권: 계자와 전기자가 직렬로 연결된다.

      • 분권: 계자와 전기자가 병렬로 연결된다.

      • 복권: 직권 계자와 분권 계자를 모두 가지고 있다.

    답: 2

11. 유도 전동기의 속도 제어 방법 중 인버터를 이용하여 전원의 주파수를 변화시키는 방법은?

    1. 극수 변환법

    2. 전압 제어법

    3. 2차 저항법

    4. 주파수 제어법

    해설:

    유도 전동기의 동기 속도 Ns는 120 * f / p (f: 주파수, p: 극수)이다. 회전자 속도는 동기 속도에 (1-s)를 곱한 값이므로, 주파수(f)를 제어하면 속도를 제어할 수 있다. 인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치로, 이때 교류의 주파수와 전압을 가변시켜 전동기의 속도를 정밀하게 제어할 수 있다. 이를 **주파수 제어법(VVVF: 가변 전압 가변 주파수 제어)**이라고 한다.

    답: 4

12. 동기 전동기의 위상 특성 곡선(V곡선)에 대한 설명으로 옳은 것은?

    1. 부하가 일정할 때, 계자 전류와 전기자 전류의 관계를 나타낸다.

    2. 공급 전압과 전기자 전류의 관계를 나타낸다.

    3. 계자 전류와 역률의 관계를 나타낸다.

    4. 전기자 전류가 최소일 때 역률은 0이다.

    해설:

    V곡선은 동기 전동기의 부하와 공급 전압을 일정하게 유지한 상태에서, 계자 전류(If)를 변화시킬 때 전기자 전류(Ia)가 어떻게 변하는지를 나타낸 그래프이다. 그래프의 모양이 V자 형태를 띤다. 전기자 전류가 최소인 지점에서 역률은 1(100%)이 되며, 이 점을 기준으로 계자 전류를 줄이면(부족 여자) 지상 역률, 계자 전류를 늘리면(과여자) 진상 역률로 운전된다.

    답: 1

13. 변압기의 효율이 가장 좋을 때의 조건은?

    1. 무부하손 = 동손

    2. 무부하손 = 0

    3. 동손 = 0

    4. 철손 = 0

    해설:

    변압기의 효율은 부하가 변함에 따라 달라진다. 효율이 최대가 되는 조건은 고정손과 부하손이 같을 때이다. 변압기에서 고정손은 부하의 크기와 관계없이 일정한 손실인 **철손(무부하손)**이고, 부하손은 부하 전류의 제곱에 비례하는 동손이다. 따라서 철손과 동손이 같아질 때 변압기의 효율은 최대가 된다.

    답: 1

14. 단상 반파 정류회로에서 직류 전압 100V를 얻기 위해 필요한 교류 입력 전압은 약 몇 V인가?

    1. 111

    2. 157

    3. 222

    4. 314

    해설:

    단상 반파 정류회로에서 출력되는 직류 전압(Vdc)과 입력되는 교류 전압의 실효값(Vac) 사이의 관계는 다음과 같다.

    Vdc = 0.45 * Vac

    따라서 필요한 교류 입력 전압 Vac는,

    Vac = Vdc / 0.45 = 100V / 0.45 ≈ 222.2V 이다.

    답: 3

15. 직류기의 전기자 반작용을 방지하기 위한 보상 권선에 흐르는 전류의 방향은?

    1. 전기자 전류와 같은 방향

    2. 전기자 전류와 반대 방향

    3. 계자 전류와 같은 방향

    4. 계자 전류와 반대 방향

    해설:

    전기자 반작용은 전기자에 전류가 흐르면서 발생하는 자속이 주자속에 영향을 주어 자속을 왜곡시키거나 감소시키는 현상이다. 이를 방지하기 위해 설치하는 보상 권선은 자극편(pole face)에 슬롯을 파서 설치하며, 해당 자극편 아래에 있는 전기자 도체의 전류 방향과 반대 방향으로 전류를 흘려주어 전기자 자속을 직접 상쇄시킨다.

    답: 2

16. 동기 발전기의 안정도 향상 대책이 아닌 것은?

    1. 단락비를 크게 한다.

    2. 동기 임피던스를 작게 한다.

    3. 관성 모멘트를 크게 한다.

    4. 여자 방식을 느린 응답 방식으로 한다.

    해설:

    동기 발전기의 안정도를 향상시키기 위한 대책은 다음과 같다.

    • 동기 임피던스(리액턴스)를 작게 한다.

    • 단락비를 크게 한다. (단락비는 동기 임피던스와 반비례 관계)

    • 회전자의 관성 모멘트(GD²)를 크게 하여 속도 변화를 줄인다.

    • **속응 여자 방식(빠른 응답의 여자 방식)**을 채택하여 전압 변동에 신속하게 대응한다.

    • 자동 전압 조정기(AVR)의 성능을 개선한다.

      따라서 여자 방식을 느리게 하는 것은 안정도 저하의 원인이 된다.

    답: 4

17. 변압기유(절연유)가 갖추어야 할 성질이 아닌 것은?

    1. 절연 내력이 클 것

    2. 점도가 높을 것

    3. 인화점이 높을 것

    4. 응고점이 낮을 것

    해설:

    변압기유는 변압기 내부의 절연 및 냉각을 담당하므로 다음의 특성이 요구된다.

    • 절연 내력이 클 것: 전기적으로 절연 성능이 우수해야 한다.

    • 인화점이 높고 응고점이 낮을 것: 화재의 위험이 적어야 하며, 낮은 온도에서도 굳지 않아야 한다.

    • 점도가 낮을 것: 점도가 낮아야 대류 작용이 원활하여 냉각 효과가 커진다.

    • 화학적으로 안정되고 산화되지 않을 것.

      따라서 점도가 높은 것은 요구되는 성질이 아니다.

    답: 2

18. 직류 전동기의 속도 제어 방법 중 정출력 제어에 가장 적합한 방법은?

    1. 계자 제어법

    2. 전압 제어법

    3. 저항 제어법

    4. 직병렬 제어법

    해설:

    • 전압 제어법: 전동기에 공급되는 전압을 바꾸는 방법으로, 토크가 일정한 정토크 제어에 속한다. 광범위하고 안정적인 속도 제어가 가능하다.

    • 계자 제어법: 계자 자속을 조절하는 방법으로, 출력이 일정한 정출력 제어에 적합하다. 속도가 정격 이상으로 올라갈 때 주로 사용된다.

    • 저항 제어법: 전기자 회로에 저항을 삽입하여 속도를 제어하는 방법으로, 효율이 낮다.

    답: 1

19. 3상 권선형 유도 전동기의 기동 방법 중 비례 추이를 이용한 것은?

    1. Y-Δ 기동

    2. 리액터 기동

    3. 기동 보상기법

    4. 2차 저항 기동

    해설:

    비례 추이는 권선형 유도 전동기에서 2차 회로의 저항값에 따라 최대 토크를 발생하는 슬립점이 이동하는 원리이다. 2차 저항 기동법은 이 원리를 이용하여 기동 시 회전자(2차측)에 외부 저항을 삽입하여 큰 기동 토크를 얻고, 속도가 상승함에 따라 저항을 점차 줄여나가는 방법이다.

    답: 4

20. 스테핑 모터의 특징으로 틀린 것은?

    1. 회전각은 펄스 수에 비례한다.

    2. 회전 속도는 펄스 주파수에 비례한다.

    3. 위치 제어 시 피드백 루프가 필요하다.

    4. 정지 시에도 위치 유지 토크가 크다.

    해설:

    스테핑 모터는 입력되는 펄스 신호 하나당 일정한 각도만큼 회전하는 모터이다.

    • 총 회전각은 입력된 펄스의 총 개수에 비례한다.

    • 회전 속도는 단위 시간당 입력되는 펄스의 수, 즉 **펄스 주파수(속도)**에 비례한다.

    • 입력된 펄스 수만큼 정확히 회전하는 개방 루프(Open-loop) 제어가 가능하므로, 별도의 위치 검출 센서나 피드백 루프가 필요 없는 것이 큰 장점이다.

    • 전원이 인가된 상태로 정지해 있을 때도 위치를 유지하려는 힘(정지 토크)이 크다.

    답: 3