1. 교류 회로의 기초
☞ 직류(direct current) : 시간의 변화에 따라 크기와 방향이 일정한 전압· 전류
☞ 교류(alternating current) : 시간의 변화에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전압·전류
◆장점
①변압기를 이용하여 쉽게 전압의 크기를 올릴 수도 내릴 수도 있다.
②전력손실을 줄임.
③정류장치를 이용하여 교류로부터 직류를 얻을 수 있다.
④증폭이 쉽다.
[1] 파형과 사인파 교류
① 파형 : 전압, 전류 등이 시간의 흐름에 따라 변화하는 모양.
② 사인파 교류 :
③ 비사인파 교류 : 사인파 교류 이외의 교류
[2]사인파 교류의 발생
① 코일에 발생하는 전압 : v=2Blu sin θ=Vm sinθ[V]
② 호도법 : 각도를 라디안[rad]으로 나타냄. θ=l/r [rad]
③ 각도 : 180°=π [rad]
④ 회전각 : θ=ωt [rad]
(각속도 : 회전체가 1초 동안에 회전한 각도, 기호는 ω, 단위는[rad/s])
[3] 주기와 주파수
① 주기 : 1사이클의 변화에 요하는 시간, 기호는 T, 단위는 [s], T=2π/ω=1/f[s]
② 주파수 : 1초 동안에 반복되는 사이클의 수. 기호는 f, 단위는 헤르츠[㎐], f=1/T[㎐], ω=2π/T=2πf[㎐]
[4] 위상과 위상차
① 위상 : 주파수가 동일한 2개 이상의 교류가 존재할 때 상호간의 시간적인 차이. 각속도로 표현, θ=ωt [rad]
② 위상차 : 2개 이상의 교류 사이에서 발생하는 위상의 차.
③ 동상 : 동일한 주파수에서 위상차가 없는 경우.
④ 위상차와 교류 표시 --> 뒤진교류 : v=Vm sin(ωt -θ)[V], 앞선교류 : v=Vm sin(ωt +θ)[V]
[1] 순시값과 최대값
① 순시값 : 순간순간 변하는 교류의 임의의 시간에 있어서 값.
v =Vm sinωt [V](v:전압의 순시값[V], Vm:전압의 최대값, ω:각속도[rad/s], t:주기[s])
② 최대값 : 순시값 중에서 가장 큰 값.
③ 피크-피크값 : 파형의 양의 최대값과 음의 최대값 사이의 값 Vp-p
[2] 실효값
① 실효값 : 교류의 크기를 교류와 동일한 일을 하는 직류의 크기로 바꿔 나타낸 값.,
② 실효값과 최대값의 관계 :
[3] 평균값
① 평균값 : 교류 순시값의 1주기 동안의 평균을 취하여 교류의 크기를 나타낸 값.
② 실효값과 평균값의 관계 :
[1] 스칼라와 벡터
① 스칼라 : 길이나 온도 등과 같이 크기라는 하나의 양만으로 표시되는 물리량.
② 벡터 : 힘과 속도와 같이 크기와 방향 등으로 2개 이상의 양으로 표시되는 물리량.
*벡터 표시 : (V 도트, 벡터 V), 벡터의 크기만 표시 : 절대값(V)
[2] 사인파 교류의 벡터 표시
(가) 사인파 교류의 요소 :
최대값 Im(또는 실효값 I), 주파수 f(또는 각주파수 ω), 위상각 θ
(나) 회전 벡터와 정지 벡터 :
(다) 사인파 교류의 순시값과 벡터 표시
① 순시값 표시 :
② 벡터 표시 :
[3] 사인파 교류의 합성
(가) 벡터 그림에 의한 방법 : 2개의 교류의 합은 벡터 합에 대한 평행사변형 법칙에 의해 계산.
☞ 기호법 : 사인파 교류를 복소수로 나타내어 교류 회로를 계산하는 방법.
[1] 복소수에 의한 벡터 표시
(가) 복소수
① 복소수의 성질
a. 복소수=실수 + 허수
b. (허수)2=음수
c. 허수의 단위는 j 또는 i 로 표시. . 허수=jb(b는 실수)
d. 복소수 : (a는 실수부, b는 허수부)
e. 절대값 : 복소수의 크기를 나타내는 값.
f. 공액 복소수 : 실수부는 같고, 허수부의 부호만이 다른 2개의 복소수. 서로 공액인 복소수를 곱하면 항상 실수가 됨. ,
(나) 복소수에 의한 벡터 표시 :
(다) 복소수에 의한 사인파 교류의 표시 :
[2] 복소수의 계산
(가) 복소수의 곱셈 :
(나) 복소수의 나눗셈 :
2. 교류 전류에 대한 R L C의 동작
[1] 저항의 동작
전류와 전압은 동상이다.
[2] 전압과 전류의 관계
I=V/R [A]
[1] 코일의 동작
전류는 전압보다 π/2[rad] 만큼 늦다.
[2] 전압과 전류의 관계
① V=ωLI[V] 에서
② 유도 리액턴스 : XL=ωL=2πfL [Ω]
[3] 유도 리액턴스의 주파수 특성
: 유도 리액턴스 XL은 자체 인덕턴스 L과 주파수 f 에 정비례한다.
[1] 콘덴서의 동작
전류가 전압보다 π/2[rad] 만큼 빠르다.
[2] 전압, 전류의 관계
① 에서
② 용량 리액턴스 :
③ 용량 리액턴스의 주파수 특성
: 용량 리액턴스 Xc 는 정전 용량 C와 주파수 f 에 반비례한다.
3. R L C의 직 병렬 회로
[1] RL 직렬 회로
① R 양단 전압 : VR=RI, VR은 전류 I와 동상
② L 양단 전압 : VL=XLI=ωLI, VL은 전류 I보다 π/2[rad]만큼 앞선 위상
③ 전압 :
④ 전류 :
⑤ 위상차 :
⑥ 임피던스 : 교류에서 전류의 흐름을 방해하는 R, L, C의 벡터적인 합.
⑦ 전류는 전압보다 θ[rad]만큼 위상이 뒤진다.
① R 양단 전압 : VR=RI, VR은 전류 I와 동상
② C 양단 전압 : , V C는 I보다 π/2[rad]만큼 뒤진 위상
③ 전압 :
④ 전류 :
⑤ 위상차 :
⑥ 임피던스 :
⑦ 전류는 전압보다 θ[rad]만큼 위상이 앞선다.
[1] LC 직렬회로
① 전압 :
② 전류 :
[2] RLC 직렬회로
① R, L, C 양단 전압
-전체 전압 : V=VR+VL+VC [V]
-R 양단 전압 : VR=RI, VR은 전류 I와 동상
-L 양단 전압 : VL=XLI=ωLI, VL은 전류 I보다 π/2[rad]만큼 앞선 위상
-C 양단 전압 : , V C는 I보다 π/2[rad]만큼 뒤진 위상
② RLC 직렬회로의 관계 ( 의 경우)
-전압 :
-전류 :
③ 위상차 :
④ 임피던스 :
[3] 임피던스의 유도성과 용량성
① 일 때 :전류는 전압에 비해 뒤진 위상(유도성)
② 일 때 : 전류는 전압에 비해 앞선 위상(용량성)
③ 일 때 : 전류와 전압이 같은 위상(공진)
[4] 직렬공진
① 공진 조건 :
② 공진 임피던스 : Z=R[Ω]
③ 공진시 전류 : I0=V/R [A]
④ 직렬공진일 때 임피던스 Z=R 이 되어 임피던스는 최소, 전류는 최대가 된다.
⑤ 공진 주파수 :
⑥ 공진 곡선 : 공진회로에서 주파수에 대한 전류변화를 나타낸 곡선.
⑦ 선택도 : 회로에서 원하는 주파수와 원하지 않는 주파수를 분리하는 것.
[1] RL 병렬 회로
① 전류 :
② 임피던스 :
③ 위상차 :
[2] RC 병렬 회로
① 전류 :
② 임피던스 :
③ 위상차 :
[3] LC 병렬 회로
① 의 경우 전류 :
② 의 경우 전류 :
[4] RLC 병렬 회로 ( 인 경우)
① 전류 :
② 임피던스 :
③ 위상차 :
[5] 임피던스의 유도성과 용량성
① 일 때 : 전류는 전압에 비해 앞선 위상(용량성)
② 일 때 : 전류는 전압에 비해 뒤진 위상(유도성)
③ 일 때 : 전류와 전압이 같은 위상(공진)
* 기호법 : 복소수를 이용하여 회로 계산을 하는 방법.
[1] 기본 회로
① R 만의 회로 :
② L 만의 회로 : 전압이 전류보다 π/2[rad] 만큼 앞선다.
③ C 만의 회로 : 전압이 전류보다 π/2[rad] 만큼 뒤진다.
[2] 복소 임피던스
① 복소 임피던스 : Z=(저항성분) + j(리액턴스 성분) =R+ jX [Ω]
[3] 직렬회로
① RL 직렬 →
② RC 직렬 →
③ RLC 직렬 →
④ 임피던스 직렬 접속 :
[4] 병렬회로
① 복소 어드미턴스 : =(컨덕턴스 성분) + j(서셉턴스 성분) =G + jB [
]
② 임피던스와 어드미턴스 비교
회로 |
임피던스 |
어드미턴스 |
저항 회로 |
R[Ω](저항) |
1/R[ |
유도성 회로 |
jωL[Ω](양의 리액턴스) |
|
용량성 회로 |
|
jωC[ |
③ RL 병렬 → [
]
④ RC 병렬 → [
]
⑤ RLC 병렬 → [
]
⑥ 병렬 공진 회로
-병렬 공진 : =G + jB[
]
-공진 조건 :
-공진 주파수 :
-공진시 어드미턴스 : Y=CR/L []
-공진시 임피던스 :
- 병렬 공진시 Z(임피던스):최대, I(전류):최소
- 임피던스의 병렬 접속 :
- 어드미턴스 병렬 접속 : [
]
4. 교류 전력
[1] 저항 부하의 전력
① 교류 전력 : 순시 전력 p의 1주기에 대한 평균값. P=VI[W]
② 저항 부하인 경우 → 전압과 전류는 같은 위상
[2] 리액턴스 부하의 전력
① 콘덴서 부하인 경우 → 전압은 전류보다 π/2[rad] 만큼 뒤진다.
- 정전 에너지()로 축적되어도 소비되는 전력은 없다.
- 순시 전력 : p=VI sin 2ωt [VA]
- 평균 전력(1주기 평균값) P=0[W]
② 인덕턴스 부하인 경우 → 전압은 전류보다 π/2[rad] 만큼 빠르다.
- 전자 에너지()로 축적되어도 소비되는 전력은 없다.
- 순시 전력 : p=-VI sin 2ωt [VA]
- 평균 전력(1주기 평균값) P=0[W]
[3] 임피던스 부하(일반 부하)의 전력
① 순시 전력 : p=VI cos θ - VI cos(2ωt-θ) [VA]
② 평균 전력 : P=VI cos θ [W]
[4] 역률(power factor)
① 역률 : 전원에서 공급된 전력이 부하에서 유효하게 이용되는 비율로서 cos θ 로 나타낸 것. 0∼1(0∼100[%])
② R만의 회로의 역률 : 1
③ L만의 회로의 역률 : 0
④ C만의 회로의 역률 : 0
⑤ RC 직렬 회로의 역률 :
[1] 피상 전력, 유효 전력, 무효 전력
① 피상 전력 : 교류의 부하 또는 전원의 용량을 표시하는 전력, 전원에서 공급되는 전력.
- 단위 : [VA]
- 피상 전력의 표현 : Pa=VI=I2Z [VA]
② 유효 전력 : 전원에서 공급되어 부하에서 유효하게 이용되는 전력, 전원에서 부하로 실제 소비되는 전력.
- 단위 : [W]
- 유효 전력의 표현 : P=VI cos θ=I2 R [W]
③ 무효 전력 : 실제로는 아무런 일을 하지 않아 부하에서는 전력으로 이용될 수 없는 전력, 실제로 아무런 일도 할 수 없는 전력.
- 단위 : [Var]
- 무효 전력의 표현 : Pr=VI sin θ =I2 X [Var]
④ 역률 : 피상 전력 중에서 유효전력으로 사용되는 비율.
- 역률의 표현 :
- 역률 개선 : 부하의 역률을 1에 가깝게 높이는 것.
- 역률 개선 방법 : 소자에 흐르는 전류의 위상이 소자에 걸리는 전압보다 앞서는 용량성 부하인 콘덴서를 부하에 첨가.
- 유효·무효·피상 전력 사이의 관계 :
[2] 전압과 전류의 유효 성분과 무효 성분
① 전류의 성분
- 유효 성분 : Ip=I cos θ [A]
- 무효 성분 : Ir=I sin θ [A]
② 전압의 성분
- 유효 성분 : Vp=V cos θ [V]
- 무효 성분 : Vr=V sin θ [V]
5. 3상 교류
[1] 3상 교류의 발생
① 3상 교류 : 주파수가 동일하고 위상이 2π/3[rad] 만큼씩 다른 3개의 파형.
② 상(phase) : 3상 교류를 구성하는 각 단상 교류.
③ 상순 : 3상 교류에서 발생하는 전압들이 최대값에 도달하는 순서.
[2] 3상 교류의 순시값 표시
① 3상 교류의 순시값
② 대칭 3상 교류 : 크기가 같고 서로 2π/3[rad] 만큼의 위상차를 가지는 3상 교류.
[3] 3상 교류의 벡터 표시
① 벡터 표시
② 전압의 벡터 합 :
[1] 기호법에 의한 표시
① 기호법에 의한 표시
-기호법 : 사인파 교류를 복소수로 나타내어 교류 회로를 계산하는 방법.
② 극좌표 표시 :
[2] 3상 교류의 결선법
(가) 결선 방법
① Y 결선 : 전원과 부하를 Y형으로 접속하는 방법. 성형 결선.
② 결선 : 전원과 부하를 ?형으로 접속하는 방법. 삼각 결선.
(나) Y결선과 전압
① 상전압 : 각 상에 걸리는 전압.
② 선간 전압 : 부하에 전력을 공급하는 선들 사이의 전압.
③ 상전압과 선간전압의 관계 : 선간전압이 상전압보다 π/6(30°) 앞선다.
④ 선간 전압의 크기 :
(다) △결선과 전압
① 상 전압과 선간 전압의 관계 : 선간 전압과 상 전압은 동상(phase)이다.
② 선간 전압의 크기 : Vl=Vp[V]
☞평형 3상 회로 : 전원이 대칭이고 부하가 평형을 이루고 있는 회로.
[1] Y-Y 회로
① Y-Y 회로 : 전원의 접속 및 부하의 접속이 모두 Y결선인 회로.
② 상전류와 선전류의 관계 : 선전류와 상전류는 동상이다.
③ 선전류의 크기 : Il=Ip[A]
④ 선간 전압과 선전류의 관계 :
[2] △-△ 회로
① △-△ 회로 : 전원의 접속 및 부하의 접속이 모두 △결선인 회로.
② 상전류와 선전류의 관계 : 선전류는 상전류보다 30°뒤진다.
③ 선전류의 크기 :
④ 선간전압과 선전류의 관계 :
[3] Y부하와 △부하의 변환
① Y→△ 변환
-평형 부하인 경우 :
② △→Y 변환
-평형 부하인 경우 :
[4] V결선
① V결선 : △결선된 전원 중 1상을 제거하여 결선한 방식.
② V결선의 경우 유효 전력 Pv :
③ △결선의 경우 유효 전력 P△ :
④ 출력비 : 57.7[%]
⑤ 이용률 : 86.6[%]
⑥ V결선은 변압기 사고시 응급조치 등의 용도로 사용된다.
[1] Y결선 불평형부하의 회로
① 선전류 : 3상 교류회로에서 단자로부터 유입 또는 유출되는 전류
② 상전류 : 3상 교류회로에서 각 상에 흐르는 전류
[2] △결선 불평형부하의 회로
① 상전류의 크기 : ,
,
[1] 3상 전력
: P=Pa +Pb +Pc [W]
- 평행부하인 경우 P=3Pp[W]
[2] 평형 3상회로의 전력
① 3상 전력 :
② Y결선시의 전력 : 에서
③ △결선시의 전력 : 에서
[3] 피상전력과 무효전력
① 피상, 무효, 유효전력
a. 피상전력 :
b. 무효전력 :
c. 유효전력 :
② 3상전력사이의 관계 : 피상전력 :
[4] 3상전력의 측정
① 1전력계법 : P=3P1 [W]
② 2전력계법 : P=P1 +P2 [W]
③ 3전력계법 : P=P1 +P2 +P3 [W]
평형회로는 물론 불평형 회로도 정확하게 측정이 가능.
[1] 3상교류에 의한 회전자기장
(가) 회전자기장
① 자기장 : 자극에 대하여 자력이 작용하는 공간.
② 자기장의 회전속도 : N=60f [rpm]
③ 합성자기장의 세기 : h=ha +hb +hc =3Hm/2 [AT/m]
(나) 회전자기장의 회전방향
① 회전자기장은 상순의 방향으로 회전.
② 상순을 바꾸면 회전방향이 역으로됨→교류전동기를 역회전시키는 경우에 이용.
[2] 2상교류에 의한 회전자기장
① 2상 교류 : 서로 의 위상차가 나는 2개의 교류전류.
② 합성자기장의 세기 : h=Hm [AT/m]
③ 자기장의 생성 : 콘덴서를 이용해서 위상차가 거의 π/2[rad] 되는 다른 회로에 의해 위상이 다른 2상 교류전류를 만들어 회전자기장을 만든다.
6. 4단자망
[1] 4단자망
① 2단자망 : 2개의 단자를 가진 회로망.
② 4단자망 : 입력과 출력에 각각 2개의 단자를 가진 회로.
a. 능동 4단자망 : 회로망 중에 전원을 포함하는 4단자망.
b. 수동 4단자망 : 회로망 중에 전원을 포함하지 않는 4단자망.
[2] 4단자망의 기본식★
[3] 4단자 상수의 의미 ★
① 출력단자 2-2'를 개방할 경우
② 출력단자 2-2'를 단락할 경우
③ 4단자 상수의 관계:
[4] 입력단자와 출력단자의 교환
① 4단자망의 기본식
[5] 트랜지스터 등가회로
① 4단자 상수
[1] 임피던스 정합★
① 임피던스 정합 : 부하에 최대전력이 전달되도록 회로의 접속점에서 본 좌우의 임피던스의 크기가 같게 되는 것.
② 직류회로의 최대전력
③ 전력 전달 효율 : 전원에서 부하에 공급되는 전력 중에서 부하에 전달되는 전력. 임피던스 정합시 전력 전달 효율 : 50[%]
④ 교류회로의 최대전력
⑤ 최대전력 공급조건 :
[2] 영상임피던스
① 영상임피던스 : 4단자망의 입·출력 단자에 임피던스를 접속하는 경우 좌우에서 본 임피던스값이 거울의 영상과 같은 관계에 있는 임피던스.
②
[3] 영상전달 상수
① 영상전달 상수 : 전력비의 제곱근에 자연대수를 취한 값으로 입력과 출력의 전력전달 효율을 나타내는 상수.
② 영상전달 상수의 표현식
[4] 반사현상과 4단자망의 접속
① 반사현상 : 임피던스 정합이 되지 않으면 전원으로부터 부하로 전송되는 전압 또는 전류의 일부가 전원으로 되돌려지는 현상.
② 개방 및 단락회로의 관계
③ 4단자망의 종속접속 : 2개 이상의 4단자망을 접속하는 방법.
7. 비사인파 교류의 기초
[1] 비사인파 교류 ★
① 비사인파 교류 : 부하의 성질에 따라 파형이 일그러져 비사인파형으로 되는 교류. (기본파+고조파+직류분)
② 기본파 : 비사인파형에서 기본이 되는 파형.
③ 고조파 : 기본파보다 높은 주파수.
④ 고주파 : 3∼30[㎒]의 높은 주파수.
① 선형회로와 비선형회로
② 선형회로 : 출력이 입력에 비례하는 회로. R, L, C등으로 이루어진 회로.
③ 비선형회로 : 출력이 입력에 비례하지 않는 회로.
④ 고조파 일그러짐(비직선 일그러짐) : 비선형회로에서 출력측에 입력신호의 고조파가 발생함으로써 생기는 일그러짐.
① 비사인파의 교류 성분 (조파 분석): 비사인파를 구성하고 있는 여러 사인파들의 주파수와 진폭을 알아내는 것.
② 직사각형파
직사각형파는 홀수 고조파이다.
③ 주파수 스펙트럼 : 비사인파의 고조파의 진폭과 위상이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 나타내는 그림.
④ 파형률과 파고율★
a. 파형률 : 실효값을 평균값으로 나눈 값으로 파의 기울기 정도. (=실효값/평균값)
b. 파고율 : 최대값을 실효값으로 나눈 값으로 파두의 날카로운 정도. (= 최대값/실효값)
★여러 가지 파형의 파형률과 파고율★
8. 교류회로의 표시 발전기 내에 코일이 회전할 때, 각의 이동이 생기고, 각이 회전하는 결과를 낳는다. 각이 이동하는 속도를 각속도라 하며, 각 θ=l/r =ωt [rad]이 되고, 1회전 하면 2π [rad]=360° 이 된다. 발전기의 코일이 한 바퀴도는 것을 "Cycle" 이라 하는데, 1 Cycle-360 ° 를 도는 데 걸리는 시간을 "주기 T"라 한다. Cycle은 반복되는데 1초당 반복되는 사이클의 수를 "주파수"(주기적인 파동의 수)라 한다. 주파수는 주기의 역수가 된다. D까지 걸리는 시간이 0.01초라면 주파수는 100[Hz]가 된다. 파장: 교류신호가 파동을이루면서 진행할때, 위의 그림처럼 원래 위치로 돌아오는 거리를 말하는데 주기동안의 거리를 말한다. 파장은 300,000,000을 주파수로 나눈 값이다.
공진이란 "같이 진동한다." 이런 뜻인데 여기서 같이 진동하는 두개는 코일과 콘덴서이다. 교류회로에서는 회로의 합성저항을 임피던스 라한다. 여기에는 저항과 리액턴스 를 벡터적인 방법으로 합성한다. 임피던스 Z=R+(XL-XC) 이며, 공진 조건은 두개의 리액턴스가 같아지는 공진상태의 특성: 예를 들어, 주파수가 100[MHz]이면
각속도는 ω로 표시하고 t초동안에
각 θ가 이동한 값이다.
ω=θ/t [rad/s]
코일이 한바퀴 도는 데 걸리는 시간을 주기 T라 하며, 주기T는 T=2π/ω=1/f[s]가 된다.
발전기에서 생성되는 교류는 사인함수의 파형을 갖는다.
B는 주기를 뜻하는데 주파수와 역수관계가 있다.예로써, 주기가 0.01[s]리면 주파수는 100[Hz]가 된다.
발전기에서 코일이 자석 내부를 회전하게되는데, 회전 속도를 각의 회전 속도라 하면 표시를 [rad]으로 하고 한 바퀴도는
거리를 2π [rad]이면, 각으로는 360 ° 가 된다. 즉, π[rad]이면 180° 가 된다.
그림에서 "Vm"은 시간에 따라 변하는 순시값 중에서 "최대값"이 된다. 최대값은 실효값에 1.414배이며, 우리가 생활에서 부르는 전압의 값은 실효값이다.
실효값은 교류가 실제로 일을 하는 값이다.
코일은 전자유도의 성질이 있다. 콘덴서는 정전유도의 성질이 있고, 두개의 서로 다른 성질이 만나는 지점이 공진의 조건이 된다.
XL=XC, 즉 X=0 이 된다.
1) 임피던스는 최소: Z0=R+j0 , =R
2) 전류는 최대
파장은 =300,000,000/100,000,000
= 3[m]이다.
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