115 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

本題考查兩個並聯電阻的等效電阻、基爾霍夫電流定律及分流定律。

並聯電路具有下列特性：

• $R_1$ 與 $R_2$ 兩端電壓相同，均為 $E$。
• 總電流為各支路電流之和： $I_t=I_1+I_2$
• 並聯等效電阻滿足： $\frac{1}{R_t}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}$

解題方法

先求總等效電阻：

因此：

由歐姆定律，總電壓為：

代入 $R_t$：

各支路電流分別為：

又因為：

所以：

同理：

電壓 $E$ 亦可用各支路表示：

核心觀念

直流發電機的電樞反應，是指電樞繞組有負載電流流過時，電樞電流所產生的磁場（電樞磁勢）與主磁場互相作用，造成主磁場的分布與方向改變。空載時，磁極主磁場大致沿磁極軸分布；負載時，電樞磁場會使主磁場一側增強、另一側減弱，並使磁中性面偏移。

電樞反應可分為兩種效果：

• 交磁作用：電樞磁場主要扭曲主磁場，使磁中性面移位。
• 去磁作用：電樞磁場在部分區域抵銷主磁場，使有效磁通減少。

解題方法

題目要求先說明電樞反應的成因，再指出它帶來的兩個嚴重問題。作答時可依序寫成「電樞電流產生磁場 → 與主磁場疊加 → 磁場分布改變」，再將後果歸納為換向不良而產生火花與有效磁通減少而使感應電勢下降。

兩個嚴重問題

一、換向不良，電刷處容易產生火花

電樞反應會使磁中性面偏移。若電刷仍位於原來的幾何中性面，線圈換向時便無法處於適當的中性位置；換向線圈內的電流反向不完全，電刷與換向器接觸處因而容易產生火花。

核心觀念

鍋爐給水自動控制的目的，是在蒸汽負載變化時維持汽鼓水位於正常範圍，確保蒸發與水循環穩定。常見控制方式依採用的量測訊號分為一元、二元與三元：

• **一元控制：**汽鼓水位。
• **二元控制：**汽鼓水位、蒸汽流量。
• **三元控制：**汽鼓水位、蒸汽流量、給水流量。

蒸汽流出會帶走鍋爐內的水，給水則補回鍋爐。控制系統因此可利用水位回授修正水量平衡，也可利用蒸汽流量與給水流量訊號，提早因應負載變化。

解題方法

依序說明各系統使用的控制訊號、調節方式、適用情況與特性；三者的主要差異，在於逐步加入蒸汽流量與給水流量訊號，使控制能更快反映負載及給水狀況。

一元自動給水控制系統

一元控制只量測汽鼓水位。水位控制器將實際水位與設定水位比較，再直接調節給水閥開度或給水泵輸出，使水位回到設定值。

此系統構造簡單，適合負載較穩定、容量較小，或給水與蒸汽流量變化較慢的鍋爐。但它只根據水位偏差動作；負載突然改變時，需等水位先發生變化，控制器才會調節給水，因此反應較慢。

二元自動給水控制系統

二元控制使用汽鼓水位與蒸汽流量兩個訊號。蒸汽流量增加時，系統據此提高給水需求；水位控制器則依水位偏差修正給水調節量。也就是由蒸汽流量提供負載變化的前饋訊號，再由水位回授作補償。

核心觀念

本題考熱電現象中的三種基本效應：塞貝克效應（Seebeck effect）、珀耳帖效應（Peltier effect）及湯姆遜效應（Thomson effect）。三者都涉及熱與電的轉換，但發生條件與能量轉換方向不同。

題幹提到的熱敏電阻與電阻式溫度感測器（RTD），主要是利用材料電阻隨溫度變化的特性測溫；熱電耦則是利用塞貝克效應產生熱電動勢。這些元件的工作原理並不全都等同於熱電效應。

解題方法

看到「三種效應」及「熱能轉換成電壓或電流」，應列出熱電學的三種基本效應，並用「溫差發電、電流搬熱、通電導體溫度梯度下吸放熱」區分。

1. 塞貝克效應

將兩種不同導體或半導體接成閉合迴路，若兩接點溫度不同，迴路中會產生熱電動勢；接上負載後即可形成電流。這是熱能轉換為電能的效應，也是熱電耦測量溫度的主要原理。

在材料性質與溫度範圍適當時，熱電動勢可近似表示為

其中 $S$ 為塞貝克係數，$\Delta T$ 為兩接點的溫差。實際熱電耦的輸出與兩種材料的塞貝克係數差及溫度有關。

2. 珀耳帖效應

電流流經兩種不同材料的接合處時，接合處會吸收或放出熱量。電流方向改變，吸熱與放熱的接點也會互換。

其熱量常以