114 海巡特考三等 海洋巡護科輪機組 船用電機與自動控制 考古題詳解

核心觀念

並激式直流電動機的電樞電流 $I_a$ 流過電樞導體，與磁場磁通 $\Phi$ 交互作用而產生電磁轉矩：

其中 $k$ 為與電動機結構有關的常數。並激磁場接在電源兩端，磁場電流約為 $I_f=V/R_f$；磁路未飽和時，磁通 $\Phi$ 約與 $I_f$ 成正比。因此，在磁場設定固定時，轉矩與電樞電流近似成正比。

題目要求以「負載電流」為橫軸。若忽略磁場電流相對於電樞電流的影響，可將負載電流視為電樞電流，故轉矩特性為近似通過原點的直線。

解題方法

固定並激磁場電阻時，磁通近似固定，由 $T=k\Phi I_a$ 可知，電流增加，轉矩近似線性增加。依此畫出轉矩對負載電流的特性曲線：

轉矩 T
 ↑
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 │ /
 └────────────────────────→ 負載電流 I_L

核心觀念

感應電動機的同步轉速由電源頻率與極數決定：

其中 $f$ 為頻率（Hz），$P$ 為極數。轉差率則是同步轉速與轉子轉速之差，占同步轉速的比例：

轉子磁場相對於轉子的轉速，稱為轉差速度。若以每秒轉數表示，大小為：

解題方法

先由頻率與極數求同步轉速，再與滿載轉速比較，求轉差率。題目所給的轉子電抗、起動電阻與感應電動勢，對這兩小題都不必使用。

同步轉速為：

換算成每秒轉數：

核心觀念

本題考查數位邏輯閘的布林運算與真值表。依圖可讀出：上方是 NAND 閘，下方是 NOR 閘，兩者的輸入都是 $A$、$B$；兩閘的輸出進入 XOR 閘，最後再與 $C$ 一起進入 AND 閘。

使用的定義為：

XOR 在兩輸入不同時輸出 $1$；AND 則須所有輸入皆為 $1$ 才輸出 $1$。

解題方法

依照訊號流向，先計算 NAND 與 NOR 的輸出，再將兩者輸出做 XOR，最後與 $C$ 做 AND。因此：

逐一列出 $A$、$B$ 的組合：

核心觀念

交流發電機並聯運轉時，各機組應共同供應負載的有功功率。原動機提供機械轉矩，帶動發電機轉子；發電機輸出的有功功率取決於原動機輸入的機械功率。

若原動機故障、燃料或蒸汽供應中斷，或其調速器失常，原動機輸入的機械功率會下降。當發電機仍接在並聯母線上，其他機組便會經由母線向該機組送入有功功率，讓它由「發電機」變成「同步電動機」，反過來拖動原動機。此時即形成逆功率。

逆功率保護（reverse power protection）以逆功率繼電器偵測有功功率方向，避免故障機組長時間被母線反拖，造成原動機受損，並防止故障擴大。

解題方法

判斷逆功率保護是否啟動，先看機組有功功率的方向：

• 正常發電：原動機帶動發電機，機組向母線輸出有功功率。
• 逆功率：原動機輸入不足，母線反向向該機組送入有功功率，機組吸收有功功率並像同步電動機般運轉。