전기기능사 개념 정리

개요

직류회로 단원은 전압·전류·저항 세 가지가 어떻게 맞물려 움직이는지 배우는 곳입니다. 전기이론의 거의 모든 계산이 이 단원의 공식에서 출발하므로, 여기서 익힌 옴의 법칙과 합성저항 계산은 교류회로와 전기기기 과목까지 계속 쓰입니다.

가장 먼저 나오는 것은 옴의 법칙입니다. 전류는 전압을 저항으로 나눈 값이라서, 전압이 높을수록 그리고 저항이 작을수록 전류가 많이 흐릅니다. 저항을 여러 개 이을 때 직렬은 값을 그대로 더하고, 병렬은 역수를 더한 뒤 다시 뒤집습니다. 저항 두 개를 병렬로 이으면 두 값의 곱을 합으로 나누면 됩니다.

다음으로 전력과 전력량을 배웁니다. 전력은 전압과 전류를 곱한 값이고, 전류의 제곱에 저항을 곱하거나 전압의 제곱을 저항으로 나누어도 같은 값이 나옵니다. 전력에 시간을 곱하면 전력량이 됩니다. 마지막으로 전지 안에도 내부저항이 있어 실제 단자전압이 기전력보다 낮아진다는 점과, 복잡한 회로를 푸는 키르히호프 법칙을 익힙니다.

개요

정전기와 콘덴서 단원은 흐르지 않고 머물러 있는 전기, 즉 전하가 만드는 힘과 그 전하를 모아 두는 콘덴서를 다룹니다. 공식 수는 많지 않지만 저항 계산과 헷갈리게 만드는 문제가 자주 나옵니다.

두 전하 사이에는 힘이 작용합니다. 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고 다른 종류끼리는 끌어당기며, 그 힘은 두 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례합니다. 이것이 쿨롱의 법칙입니다.

콘덴서는 전하를 저장하는 장치로, 저장되는 전하량은 정전용량과 전압의 곱입니다. 정전용량의 단위는 패럿입니다. 콘덴서를 여러 개 이을 때는 저항과 반대로 병렬은 그대로 더하고 직렬은 곱을 합으로 나눕니다. 콘덴서에 저장되는 에너지는 정전용량에 전압의 제곱을 곱하고 절반을 취한 값입니다.

개요

자기와 전자유도 단원은 전류와 자기장이 서로를 만들어 내는 관계를 다룹니다. 전류가 흐르면 주변에 자기장이 생기고, 자기장 속의 도체는 힘을 받으며, 자속이 변하면 전압이 생깁니다. 전동기와 발전기가 바로 이 원리로 움직입니다.

전류가 만드는 자기장의 방향은 앙페르의 오른나사 법칙으로 찾습니다. 자기장 속에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 알 수 있고 이것이 전동기의 원리입니다. 반대로 도체를 움직여 생기는 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙으로 찾으며 이것이 발전기의 원리입니다.

자속이 변할 때 생기는 유도기전력의 크기는 패러데이 법칙으로, 방향은 렌츠의 법칙으로 정합니다. 코일에도 에너지가 저장되는데, 그 양은 인덕턴스에 전류의 제곱을 곱하고 절반을 취한 값입니다.

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교류회로 단원은 방향과 크기가 계속 바뀌는 교류를 저항·코일·콘덴서 회로에서 어떻게 계산하는지 다룹니다. 계산 문제가 많고, 여기서 배우는 임피던스와 역률은 전기기기 과목에서도 계속 쓰입니다.

교류의 크기는 보통 실효값으로 말하며, 가정에서 쓰는 220V도 실효값입니다. 최댓값은 실효값에 √2, 약 1.414를 곱한 값입니다. 주기는 주파수의 역수라서 60Hz 교류는 1초에 60번 반복합니다.

교류회로에서 전류를 막는 정도는 임피던스로 나타냅니다. 저항과 코일이 직렬인 회로의 임피던스는 저항의 제곱과 유도 리액턴스의 제곱을 더해 제곱근을 씌운 값이고, 전류는 전압을 임피던스로 나누어 구합니다. 역률은 유효전력을 피상전력으로 나눈 값이며 R ÷ Z 로도 구합니다. 코일과 콘덴서의 리액턴스가 같아지면 직렬 공진이 일어나 임피던스는 가장 작고 전류는 가장 커집니다.

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3상 교류 단원은 공장과 큰 건물에서 쓰는 3상 전원을 Y결선과 Δ결선으로 연결했을 때 전압과 전류가 어떻게 달라지는지를 다룹니다. 문항 수는 많지 않지만 √3 이 어디에 붙는지만 알면 쉽게 풀립니다.

Y결선에서는 선간전압이 상전압의 √3 배이고 선전류와 상전류는 같습니다. Δ결선은 반대로 선간전압과 상전압이 같고 선전류가 상전류의 √3 배입니다. √3 은 약 1.732 로 외워 두면 계산이 빨라집니다.

3상 전력은 √3 에 선간전압, 선전류, 역률을 곱해서 구합니다. 결선 방식과 관계없이 선간전압과 선전류를 넣으면 같은 공식으로 계산할 수 있습니다.

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전류의 열작용과 화학작용 단원은 전류가 흐를 때 생기는 열, 전기로 물질을 분해하는 현상, 금속 접합부에서 열과 전기가 서로 바뀌는 현상을 다룹니다. 출제 비중은 작지만 공식이나 이름 하나만 알면 풀리는 문제가 대부분입니다.

전류가 저항을 지나면 열이 나는데, 그 열량은 전류의 제곱과 저항과 시간을 곱한 값입니다. 이것이 줄의 법칙이며 칼로리로 바꿀 때는 0.24 를 곱합니다. 전기분해에서는 석출되는 물질의 양이 통과한 전기량에 비례한다는 패러데이의 전기분해 법칙이 나옵니다.

두 종류의 금속을 붙인 접합부에서는 열과 전기가 서로 바뀝니다. 온도 차를 주면 전기가 생기는 제베크 효과는 열전대 온도계에 쓰이고, 전류를 흘리면 열을 흡수하거나 내놓는 펠티에 효과는 전자 냉동에 쓰입니다.

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직류기 단원은 직류 발전기와 직류 전동기의 구조와 종류별 성질을 다룹니다. 직류기는 계자, 전기자, 정류자 세 부분으로 이루어지며, 각 부분이 하는 일을 묻는 문제부터 전동기 종류별 특성까지 고르게 나옵니다.

직류 전동기 가운데 직권전동기는 기동 토크가 크지만 부하가 없으면 속도가 위험할 만큼 올라가므로 벨트로 운전하지 않습니다. 분권전동기는 부하가 바뀌어도 속도가 거의 일정합니다.

전기자에 흐르는 전류가 계자의 자속을 흐트러뜨리는 현상을 전기자 반작용이라 하며, 가장 효과적인 대책은 보상권선이고 보극도 함께 씁니다. 유도기전력은 극수, 도체 수, 자속, 회전수를 곱하고 60과 병렬회로 수를 곱한 값으로 나누어 구하며, 병렬회로 수는 파권이 2, 중권이 극수와 같습니다.

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동기기 단원은 발전소에서 전기를 만드는 동기발전기와 속도가 일정한 동기전동기를 다룹니다. 동기속도 공식과 발전기 병렬운전 조건이 가장 자주 나옵니다.

동기기는 동기속도로 돌아가며, 동기속도는 주파수에 120을 곱하고 극수로 나눈 값입니다. 60Hz에 4극이면 1800rpm 입니다. 발전기 여러 대를 함께 돌리는 병렬운전을 하려면 기전력의 크기·위상·주파수·파형이 같아야 하며, 용량은 달라도 됩니다.

동기전동기는 속도가 일정하고 역률을 조정할 수 있지만 스스로 기동하지 못합니다. 동기전동기를 무부하로 돌려 역률 조정에만 쓰는 것이 동기조상기로, 과여자로 운전하면 콘덴서처럼, 부족여자로 운전하면 리액터처럼 동작합니다.

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변압기 단원은 전압을 올리고 내리는 변압기의 원리, 손실과 효율, 절연유, 결선 방법을 다룹니다. 전기기기 과목에서 가장 많이 출제되는 단원입니다.

변압기는 전자유도 작용으로 동작합니다. 1차와 2차의 감은 횟수 비율을 권수비라 하며, 전압은 권수비대로, 전류는 그 반대로 바뀝니다. 손실은 부하와 상관없이 일정한 철손과 부하 전류의 제곱에 비례하는 동손으로 나뉩니다. 철심을 얇은 규소강판으로 겹쳐 만드는 것은 철손을 줄이기 위해서입니다.

변압기 안을 채우는 변압기유는 절연내력이 크고, 인화점은 높고, 응고점은 낮고, 냉각 효과가 커야 합니다. 결선 가운데 변압기 두 대로 3상을 공급하는 V결선은 출력이 변압기 한 대 용량의 √3 배입니다.

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유도전동기 단원은 현장에서 가장 많이 쓰는 3상 유도전동기의 슬립, 회전 방향, 기동 방법과 단상 유도전동기의 종류를 다룹니다. 슬립 계산과 Y-Δ 기동은 거의 매회 나옵니다.

유도전동기는 동기속도보다 조금 느리게 도는데, 그 늦은 정도를 동기속도로 나눈 값이 슬립입니다. 회전속도는 1에서 슬립을 뺀 값에 동기속도를 곱해 구합니다. 2차 입력 가운데 슬립만큼은 2차 동손이 되고, 나머지가 기계적 출력이 됩니다. 회전 방향을 바꾸려면 전원 세 선 가운데 두 선을 서로 바꿔 연결합니다.

기동할 때 큰 전류를 줄이려고 쓰는 Y-Δ 기동은 기동 전류와 기동 토크를 모두 직접 기동의 1/3 로 줄입니다. 단상 유도전동기는 기동 방식에 따라 기동 토크가 다르며, 반발 기동형이 가장 크고 셰이딩 코일형이 가장 작습니다.

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정류기와 전력용 반도체 단원은 교류와 직류를 서로 바꾸는 장치와 그 안에 쓰이는 반도체 소자를 다룹니다. 장치 이름과 역할을 짝짓는 문제, 정류 방식별 출력 전압을 묻는 문제가 많습니다.

교류를 직류로 바꾸는 것은 컨버터(정류기), 직류를 교류로 바꾸는 것은 인버터, 직류의 크기를 바꾸는 것은 초퍼입니다. 정류 방식에 따라 출력 직류 전압이 달라지는데, 교류 실효값 E에 대해 단상 반파는 0.45배, 단상 전파는 0.9배, 3상 반파는 1.17배, 3상 전파는 1.35배입니다.

SCR(사이리스터)은 게이트 신호로 켜는 한쪽 방향 3단자 소자입니다. 트라이액은 양방향 3단자, 다이액은 양방향 2단자 소자입니다.

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배선 재료와 공구 단원은 전선의 색상 구분, 전기 공사에 쓰는 공구, 측정 계기를 다룹니다. 현장에서 직접 써 본 분에게는 익숙한 내용이 많아 점수를 얻기 쉬운 단원입니다.

한국전기설비규정(KEC)에서는 전선 색상을 L1 갈색, L2 흑색, L3 회색, 중성선 청색, 보호도체 녹색-노란색으로 정합니다. KEC 시행 이후 바뀐 기준이므로 예전 교재의 색상과 헷갈리지 않아야 합니다.

공구는 하는 일과 이름을 짝지어 외웁니다. 와이어 스트리퍼는 피복을 벗기고, 리머는 금속관 끝을 다듬고, 오스터는 금속관에 나사를 내고, 벤더(히키)는 금속관을 구부리고, 녹아웃 펀치는 박스에 구멍을 뚫습니다. 측정 계기로는 절연저항을 재는 메거와 접지저항을 재는 어스 테스터가 자주 나옵니다.

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전선의 접속 단원은 전선을 이을 때 꼭 지켜야 할 조건과 전선 굵기·장소에 따른 접속 방법을 다룹니다. 조건 가운데 '전선의 세기를 20% 이상 줄이지 말 것'은 거의 빠지지 않고 나옵니다.

전선을 이으면 접속 부분의 전기저항이 늘어나지 않아야 하고, 전선의 세기를 20% 이상 줄여서는 안 됩니다. 즉 원래 세기의 80% 이상을 유지해야 합니다. 접속 부분은 원래 절연물과 같은 수준 이상으로 절연 처리합니다.

접속 방법은 전선 굵기와 장소에 따라 고릅니다. 6mm² 이하의 가는 단선은 트위스트 접속, 10mm² 이상의 굵은 단선은 브리타니아 접속을 쓰고, 박스 안에서 가는 전선끼리 이을 때는 쥐꼬리 접속을 씁니다.

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배선 공사 방법 단원은 금속관, 합성수지관, 케이블, 금속덕트 같은 공사 방법마다 지켜야 할 시설 기준을 다룹니다. 전기설비 과목에서 가장 많이 나오며, 거리나 배수 같은 숫자를 묻는 문제가 대부분입니다.

금속관 공사는 관 안에서 전선을 잇지 않고, 옥외용 비닐 절연전선(OW)을 뺀 절연전선을 씁니다. 콘크리트에 묻는 관은 두께가 1.2mm 이상이어야 합니다. 합성수지관 공사는 지지점 사이를 1.5m 이하로 하고, 관끼리 이을 때 바깥지름의 1.2배 이상, 접착제를 쓰면 0.8배 이상 깊이로 끼웁니다.

케이블을 건물 아랫면이나 옆면에 붙여 시설할 때 지지점 사이는 2m 이하, 캡타이어 케이블은 1m 이하로 합니다. 금속덕트 공사는 덕트에 넣는 전선 단면적의 합을 덕트 안쪽 단면적의 20% 이하로 하고, 지지점 사이를 3m 이하로 합니다.

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접지와 보호 장치 단원은 한국전기설비규정(KEC)의 전압 구분, 접지 시스템, 절연저항, 보호도체 기준을 다룹니다. KEC 시행으로 바뀐 숫자가 집중적으로 출제되므로 예전 기준과 섞이지 않게 공부해야 합니다.

KEC는 전압을 저압·고압·특고압으로 나눕니다. 저압은 교류 1kV 이하, 직류 1.5kV 이하이고, 고압은 그보다 높고 7kV 이하이며, 7kV를 넘으면 특고압입니다. 저압 전로의 절연저항은 사용전압 500V 이하이면 직류 500V로 시험해 1.0MΩ 이상이어야 하고, SELV·PELV 회로는 0.5MΩ 이상입니다.

접지 시스템은 목적에 따라 계통접지, 보호접지, 피뢰시스템 접지로 나뉩니다. 계통접지 방식에는 TN(TN-S, TN-C, TN-C-S), TT, IT가 있습니다. 보호도체의 굵기는 선도체 굵기에 따라 정하며, 접지극은 지하 0.75m 이상 깊이에 묻습니다.

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가공 인입선과 배전선 공사 단원은 전주를 세우고 지선으로 받치며, 전선을 건물까지 끌어오는 옥외 공사의 기준을 다룹니다. 숫자를 묻는 문제가 대부분이므로 높이와 깊이 기준을 정확히 외워야 합니다.

지선은 전주가 기울지 않게 잡아 주는 선으로, 안전율 2.5 이상, 허용 인장하중 최저 4.31kN, 소선 3가닥 이상이어야 하고 도로를 가로지를 때는 지표상 5m 이상 높이에 둡니다. 전주를 땅에 묻는 깊이는 길이 15m 이하이면 전체 길이의 1/6 이상, 15m를 넘으면 2.5m 이상입니다. 전주의 발판 볼트는 지표상 1.8m 이상에 설치합니다.

저압 가공 인입선은 도로를 가로지르면 5m 이상, 철도를 가로지르면 레일면 위 6.5m 이상, 횡단보도교 위에서는 3m 이상 높이에 시설합니다. 이웃 건물로 이어지는 연접 인입선은 분기점에서 100m를 넘는 곳까지 가지 않아야 하고, 폭 5m를 넘는 도로를 가로지르거나 옥내를 통과해서는 안 됩니다.

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특수 장소와 조명 설비 단원은 폭발이나 화재 위험이 있는 먼지가 있는 곳의 공사 방법, 욕실처럼 물기가 있는 곳의 콘센트 보호, 조명에 쓰는 단위를 다룹니다.

마그네슘이나 알루미늄 가루처럼 폭발할 우려가 있는 폭연성 분진이 있는 곳은 금속관 공사나 케이블 공사만 할 수 있습니다. 밀가루나 전분처럼 불이 붙기 쉬운 가연성 분진이 있는 곳은 여기에 합성수지관 공사까지 할 수 있습니다. 욕실에 콘센트를 둘 때는 정격감도전류 15mA 이하, 동작시간 0.03초 이하의 인체감전보호용 누전차단기로 보호합니다.

조명 단위는 이름과 뜻을 짝지어 외웁니다. 광속은 루멘, 광도는 칸델라, 조도는 럭스, 휘도는 니트입니다.