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1. 전기자기학 — 정전기·자기
쿨롱의 법칙
F = (1/4πε₀) × (Q₁Q₂/r²) [N], k = 9×10⁹ N·m²/C²
전기장·전위
- 전기장 E = F/Q [V/m]
- 전위 V = W/Q [V] (전기장 내 단위전하 일)
- 전기장과 전위 관계: E = -dV/dx
- 가우스 법칙: ∮E·dS = Q/ε₀ (폐곡면 내 전하)
커패시턴스
- C = Q/V [F]
- 평행판: C = ε₀ε_r·A/d
- 구형: C = 4πε₀·R
- 직렬: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + ... (저항 병렬과 같음)
- 병렬: C = C₁ + C₂ + ...
- 축적 에너지: W = (1/2)CV² = (1/2)QV = Q²/(2C)
자계·자기 인덕턴스
- 비오·사바르: dB = (μ₀I/4π) × (dl×r̂/r²)
- 앙페르: ∮H·dl = I (폐곡선 둘레 자계)
- 패러데이: e = -N·dΦ/dt (전자유도 기전력)
- 인덕턴스 L: V = L·di/dt
- 축적 에너지: W = (1/2)LI²
전자력·로런츠
- 전선 전자력: F = BIl·sinθ [N]
- 로런츠 힘: F = qE + qv×B
📌 출제: 커패시터 직병렬 + 가우스 법칙 매년.
2. 전력공학 — 송전·배전·발전
발전 방식
| 방식 | 특징 |
|---|---|
| 화력 | 석탄·LNG·석유. 효율 35~50% |
| 원자력 | 핵분열. 효율 30~35%. 가동률 ↑ |
| 수력 | 유수·양수·조력 |
| 신재생 | 태양광·풍력·바이오·연료전지·지열 |
송전 (장거리 + 고압)
- 전압: 154kV·345kV·765kV (한국)
- 장점 (직류 송전 HVDC): 손실 ↓·역률 영향 X·제어 용이·계통 분리
- 장점 (교류 송전): 변압 쉬움·기존 인프라
- 3상 평형: 위상차 120°. P = √3·V·I·cosθ
송전 손실·코로나
- 손실 = I²R (전류 제곱에 비례). 고압화로 전류 ↓ → 손실 ↓
- 코로나 방전: 표면 전계가 임계값 초과 → 전리
- 방지: 굵은 전선·복도체·연선·전선 표면 평활
전력 계통 보호
- 차단기 (CB): 사고 시 회로 차단. OCB·VCB·SF6·GIS·ACB
- 단로기 (DS): 무전류 시 회로 분리 (점검용)
- 피뢰기 (LA): 이상전압 보호
- 변성기: 변압기·CT(전류)·PT(전압)·ZCT(영상전류)
- 계전기: 과전류·차동·거리·방향·접지
접지·뇌해
- 계통접지: TN·TT·IT
- 피뢰침: 보호각·보호반경
- SPD: 서지보호기
📌 출제: 차단기 종류 + 코로나 방지 매년.
3. 전기기기 — 변압기·전동기·발전기
변압기 (Transformer)
- 권수비: a = N₁/N₂ = V₁/V₂ = I₂/I₁
- 등가회로: 1차·2차 환산. 누설 리액턴스·여자전류
- 손실: 무부하손 (철손, 히스테리시스 + 와류) + 부하손 (동손)
- 효율: η = 출력/(출력+손실). 최대효율 = 철손 = 동손 시
- 결선: Y-Y, Δ-Δ, Y-Δ, Δ-Y, V-V (3상 4종 + V결선)
- 병렬운전 조건: 극성·권수비·임피던스·내부저항·% 임피던스 같아야
유도전동기
- 슬립 s = (Ns - N)/Ns (동기속도 vs 회전속도)
- Ns = 120f/P (동기속도, p=극수)
- 토크: T = (P/4πf)·(s·R₂'/(R₂'² + (s·X₂')²))·... 비례추이
- 기동법: 직입·Y-Δ·리액터·기동보상기·인버터
- 속도제어: 슬립·극수·주파수 제어 (인버터 VVVF)
동기기 (발전기·전동기)
- 동기속도 Ns = 120f/P
- 동기 임피던스: 전기자 반작용 + 누설 리액턴스
- 위상: 부하 시 진상·지상 (V곡선)
- 난조: 부하 변동에 의한 진동. 제동권선으로 방지
직류기
- 발전기 분류: 타려·자려 (분권·직권·복권)
- 전동기 분류: 분권 (정속도)·직권 (가변)·복권
- 전기자 반작용: 자속 감소·중성축 이동. 보상권선·보극으로 보정
📌 출제: 변압기 효율·유도전동기 슬립 매년.
4. 회로이론 — 직류·교류·과도
직류 회로
- 옴 법칙: V = IR
- 키르히호프 법칙: KCL (전류 합 0)·KVL (전압 합 0)
- 저항 직병렬: 직렬 R = R₁+R₂..., 병렬 1/R = 1/R₁+1/R₂...
- 전력: P = VI = I²R = V²/R [W]
교류 회로
- 주기 T = 1/f, 각주파수 ω = 2πf
- 실효값: 정현파 V_rms = Vm/√2
- 임피던스: Z = R + jX. |Z| = √(R²+X²)
- 유도성 X_L = ωL / 용량성 X_C = 1/(ωC)
- 역률: cosθ = R/|Z|
- 유효·무효·피상전력: P=VI·cosθ, Q=VI·sinθ, S=VI
공진
- RLC 직렬 공진: ω₀L = 1/(ω₀C) → f₀ = 1/(2π√(LC))
- 공진 시 |Z| = R (최소), I 최대
- Q 인자: Q = ω₀L/R = 1/(ω₀CR). 선택도 (좁을수록 Q ↑)
과도현상
- RC 회로 충전: V_C(t) = V(1 - e^(-t/RC))
- RL 회로 전류: I(t) = (V/R)(1 - e^(-Rt/L))
- 시정수: τ_RC = RC, τ_RL = L/R
3상 회로
- Y결선: V_L = √3·V_P (선간/상). I_L = I_P
- Δ결선: V_L = V_P. I_L = √3·I_P
- 3상 전력: P = √3·V_L·I_L·cosθ = 3·V_P·I_P·cosθ
📌 출제: 임피던스·공진 주파수 매년.
5. 제어공학 — 라플라스·블록선도·시스템
라플라스 변환
| f(t) | F(s) |
|---|---|
| 1 (단위계단) | 1/s |
| t | 1/s² |
| e^(-at) | 1/(s+a) |
| sin(ωt) | ω/(s²+ω²) |
| cos(ωt) | s/(s²+ω²) |
| δ(t) (임펄스) | 1 |
전달함수 G(s)
- G(s) = Y(s)/X(s) (출력/입력 비)
- 1차 시스템: G(s) = K/(τs+1). 시정수 τ
- 2차 시스템: G(s) = ωn²/(s² + 2ζωn·s + ωn²). 감쇠비 ζ
블록선도·신호흐름
- 직렬: G₁G₂
- 병렬: G₁+G₂
- 피드백: G/(1±GH)
- 메이슨 공식: 신호흐름선도
안정성·근궤적
- 특성방정식 근: 좌반평면 → 안정 / 우반평면 → 불안정 / 허수축 → 임계
- 루스-허위츠: 표 작성, 첫 열 부호 변화 = 우반평면 근 수
- 나이퀴스트: 개루프 → 폐루프 안정성
- 보드선도: 이득여유·위상여유
제어 종류
- PID 제어: 비례+적분+미분
- P: 빠른 응답, 정상편차 X 제거 / I: 정상편차 0 / D: 오버슈트 ↓·진동 ↓
- 샘플 데이터 제어: 이산 시스템·z-변환
📌 출제: 라플라스 + 전달함수 + 안정성.
6. 전기설비 — 한국전기설비규정 (KEC)
저압·고압·특고압 (KEC)
- 저압: 교류 1,000V 이하 / 직류 1,500V 이하
- 고압: 1,000V 초과 ~ 7,000V (교류) / 1,500V 초과 ~ 7,000V (직류)
- 특고압: 7,000V 초과
접지 (KEC 140)
- 접지목적: 인체 보호·기기 보호·계통 운용
- 저압 계통접지방식: TN(TN-S·TN-C·TN-C-S)·TT·IT
- 접지저항 측정: 콜라우슈 브리지·어스 테스터
전선·케이블
- 전선 굵기: 단면적 [mm²] 또는 AWG. 허용전류·전압강하 고려
- 전선 식별: 상도체 (R/S/T 또는 L1/L2/L3)·중성선 (N, 청색)·보호도체 (PE, 녹색-노란색)
- 절연저항: 메가옴미터 (메거)로 측정. 1MΩ 이상 (저압)
전압강하·허용전류
- 전압강하: e = (2·I·L·R)/(1000·V) × 100 [%]
- 표준 허용범위: 인입선 1%·간선 1%·분기 2%·총 5% 이내
- 허용전류: 전선 굵기·온도·포설 방법별 표
배전·수변전 설비
- 수전 방식: CB·LBS·ASS
- 변압기 설치 방법: 옥내·옥외 (오일·몰드·건식·아몰파스)
- 역률 개선: 콘덴서 (진상). 무효전력 보상
📌 출제: 저압·고압·특고압 구분 + 접지방식 매년.
7. 조명·전열·전동력 응용
조명
- 광속 [lm]: 광원이 방출하는 빛의 양
- 광도 [cd]: 단위 입체각당 광속
- 조도 [lx]: 단위 면적당 광속 = lm/m²
- 휘도 [cd/m²]: 광원 표면 밝기
- 조명 계산: F = (E·A·D)/(N·U·M) [lm], D=감광보상률, U=조명률, M=보수율
- 광원 종류: 백열·형광·HID(수은·메탈할라이드·고압나트륨)·LED
전열
- 발열량 Q = I²R·t [J] (줄 법칙)
- 1 cal = 4.186 J
- 비열 c, 열용량 = m·c, 온도 변화 Q = mcΔT
전동력 응용
- 펌프·송풍기: 동력 P = (Q·H·ρ·g)/η [W]
- 승강기·엘리베이터: 균형추·로프·기어·인버터 제어
- 전기철도: DC·AC·25kV·교류급전
축전지·UPS
- 1차전지: 망간·알칼리·리튬 (1회용)
- 2차전지: 납축·니카드·니켈수소·리튬이온·리튬폴리머
- UPS: 무정전 전원 공급. 정류·인버터·축전지·바이패스
📌 출제: 조도·광속 + 전열 줄법칙.
8. 전력전자·디지털 회로
반도체 소자
| 소자 | 특징 |
|---|---|
| 다이오드 | 한 방향 전류. 정류·정전압(제너) |
| 트랜지스터 (BJT) | 증폭·스위칭. NPN·PNP |
| FET | 전압 제어. JFET·MOSFET |
| SCR (Thyristor) | 3단자 단방향. 정류·제어 |
| TRIAC | 양방향. 교류 제어 |
| IGBT | 고전압·고전류 스위칭. 인버터 |
정류 회로
- 반파 정류: V_dc = Vm/π = 0.318·Vm
- 전파 정류 (브릿지): V_dc = 2Vm/π = 0.637·Vm
- 리플: 평활 콘덴서로 감소
인버터·컨버터
- DC→AC (인버터): PWM. VVVF (가변전압가변주파)
- AC→DC (컨버터): 정류 + 평활
- DC→DC (초퍼): 강압·승압·강승압
- 주파수 변환: 사이클로컨버터·매트릭스 컨버터
디지털 논리
- 기본 게이트: AND·OR·NOT·NAND·NOR·XOR·XNOR
- 플립플롭: SR·D·JK·T
- 카운터: 동기·비동기. 2진·BCD·링·존슨
- 레지스터·시프트레지스터·디코더·인코더·멀티플렉서·디멀티플렉서
📌 출제: 정류회로 출력값 + 게이트 진리표.
9. 신재생·스마트그리드
태양광 (PV)
- 구성: 태양전지 모듈 + 인버터 + 접속함 + 차단기 + ESS
- 최대전력점추종 (MPPT): 출력 최대화 제어
- 효율: 단결정 18~22% / 다결정 15~18% / 박막 10~15%
풍력
- 출력: P = (1/2)·ρ·A·v³·Cp (베츠 한계 Cp ≤ 0.593)
- 유형: 수평축 (HAWT)·수직축 (VAWT)
- 육상풍력 vs 해상풍력
연료전지·수소
- 종류: PEMFC (고분자전해질)·SOFC (고체산화물)·MCFC (용융탄산염)·PAFC (인산형)·AFC (알카라인)
- 수소 생산: 그레이 (천연가스)·블루 (CCUS)·그린 (재생에너지 전기분해)
스마트그리드·ESS·V2G
- 스마트그리드: 양방향 전력·정보 흐름. AMI (스마트미터)·SCADA·DR (수요반응)
- ESS: 에너지저장시스템 (BESS·PHS·CAES·플라이휠·열저장)
- V2G: Vehicle to Grid. 전기차 배터리 → 전력망
- 마이크로그리드: 자급자족형 소규모 전력망
📌 출제: 태양광·풍력 출력 공식.
10. 전기설비 안전·법규
전기사업법
- 전기사업자: 발전·송전·배전·전기판매·구역전기
- 한국전력공사: 송배전 + 판매
- 한전계열사: 한수원·발전6사 등
전기공사업법
- 전기공사업 등록: 시·도지사
- 업종: 종합·전문
- 전기공사기술자: 자격·등급·경력
안전관리
- 전기안전관리자 선임: 75kW 이상 수전설비·발전설비
- 주기 점검: 격월·매월·격주 (용량별)
- 비상발전기 시험: 매월 1회 무부하·연 1회 부하
전기 사고 응급조치
- 감전 시: 전원 차단 → 인공호흡 → 119
- 전기화재: C급 (전기). CO₂·분말·할론. 물 X
- 접지·누전 점검: 정기 점검
국제 표준·인증
- IEC·IEEE·ANSI·JIS·KS·KC·전기용품안전
- 형식승인·안전인증
📌 출제: 전기안전관리자 선임 기준.