111 關務特考三等 電機工程 電機機械 考古題詳解

111 年・關務特考・三等・電機工程
試題代碼 電機機械

第 一 題25 分

一、一單相 RLC\text{RLC} 串聯電路負載,接於 60 Hz60\text{ Hz}、200 V200\text{ V} 電源,R=16 ΩR = 16\ \Omega、XL=20 ΩX_{\text{L}} = 20\ \Omega、XC=8 ΩX_{\text{C}} = 8\ \Omega,試求該負載: (一) 阻抗大小。(2分) (二) 電流大小。(3分) (三) 功率因數。(5分) (四) 最大瞬時功率。(5分) (五) 最小瞬時功率。(5分) (六) 平均功率。(5分)

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核心觀念

本題考查單相 RLC 串聯電路的:

  • 感抗、容抗與總電抗
  • 阻抗大小
  • 歐姆定律
  • 功率因數
  • 瞬時功率的最大值與最小值
  • 平均功率

交流電源標示 200 V200\text{ V},視為有效值。串聯電路的總阻抗為

Z=R+j(XL−XC)Z=R+j(X_L-X_C)

其中:

  • RR 為電阻
  • XLX_L 為感抗
  • XCX_C 為容抗

解題方法

先求總電抗與阻抗

總電抗為

X=XL−XC=20−8=12 ΩX=X_L-X_C=20-8=12\ \Omega

因為 X>0X>0,故電路呈現感性,電流落後電壓。

總阻抗為

Z=16+j12 ΩZ=16+j12\ \Omega

阻抗角為

ϕ=tan⁡−1(XR)=tan⁡−1(1216)=36.87∘\phi=\tan^{-1}\left(\frac{X}{R}\right) =\tan^{-1}\left(\frac{12}{16}\right) =36.87^\circ

因此電流相位落後電壓 36.87∘36.87^\circ。


(一)阻抗大小

阻抗大小為

∣Z∣=R2+X2|Z|=\sqrt{R^2+X^2}

代入數值:

∣Z∣=162+122=256+144=400=20 Ω|Z|=\sqrt{16^2+12^2} =\sqrt{256+144} =\sqrt{400} =20\ \Omega

因此

∣Z∣=20 Ω\boxed{|Z|=20\ \Omega}

(二)電流大小

依交流電路歐姆定律:

I=V∣Z∣I=\frac{V}{|Z|}

代入:

I=20020=10 AI=\frac{200}{20}=10\text{ A}

因此電流有效值為

I=10 A\boxed{I=10\text{ A}}

(三)功率因數

功率因數定義為

cos⁡ϕ=R∣Z∣\cos\phi=\frac{R}{|Z|}

代入:

cos⁡ϕ=1620=0.8\cos\phi=\frac{16}{20}=0.8

由於總電抗為正,電路呈感性,因此為「落後功率因數」:

功率因數=0.8 落後\boxed{\text{功率因數}=0.8\text{ 落後}}

也可由阻抗角表示:

ϕ=36.87∘,cos⁡ϕ=0.8\phi=36.87^\circ,\qquad \cos\phi=0.8

(四)最大瞬時功率

瞬時功率公式

設電壓與電流分別為

v(t)=Vmcos⁡ωtv(t)=V_m\cos\omega t i(t)=Imcos⁡(ωt−ϕ)i(t)=I_m\cos(\omega t-\phi)

瞬時功率為

p(t)=v(t)i(t)p(t)=v(t)i(t)

利用三角函數乘積公式:

p(t)=VmIm2[cos⁡ϕ+cos⁡(2ωt−ϕ)]p(t)=\frac{V_mI_m}{2} \left[\cos\phi+\cos(2\omega t-\phi)\right]

因為

Vm=2V,Im=2IV_m=\sqrt{2}V,\qquad I_m=\sqrt{2}I

所以

VmIm2=VI\frac{V_mI_m}{2}=VI

因此瞬時功率可寫成

p(t)=VI[cos⁡ϕ+cos⁡(2ωt−ϕ)]p(t)=VI\left[\cos\phi+\cos(2\omega t-\phi)\right]

本題中:

VI=200×10=2000 WVI=200\times10=2000\text{ W} cos⁡ϕ=0.8\cos\phi=0.8

最大瞬時功率發生於

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第 二 題25 分

二、兩具單相變壓器接為 V-V\text{V-V} 連接,供應一 250 kVA250\text{ kVA} 三相平衡負載,若負載電壓為 460 V460\text{ V},功率因數為 0.80.8 落後,試求: (一) 每具變壓器最小功率額定(kVA\text{kVA})?(5分) (二) 變壓器繞組電流大小(A\text{A})?(5分) (三) 每具變壓器供應的實功率(kW\text{kW})?(15分)

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核心觀念

兩具單相變壓器接成 VV-VV 連接,即「開三角形連接(open-delta connection)」供應三相平衡負載。

本題使用下列關係:

  1. 三相負載視在功率: S3ϕ=3VLILS_{3\phi}=\sqrt{3}V_LI_L

  2. 開三角形中,每具變壓器的容量相同時,總容量為: S3ϕ=3STS_{3\phi}=\sqrt{3}S_T

  3. 平衡負載功率因數為 0.80.8 落後,因此: cos⁡ϕ=0.8,sin⁡ϕ=0.6\cos\phi=0.8,\qquad \sin\phi=0.6 ϕ=cos⁡−1(0.8)=36.87∘\phi=\cos^{-1}(0.8)=36.87^\circ


解題方法

(一)每具變壓器最小功率額定

開三角形連接的兩具變壓器,每具承擔的視在功率為:

ST=S3ϕ3S_T=\frac{S_{3\phi}}{\sqrt{3}}

代入三相負載容量 250 kVA250\text{ kVA}:

ST=2503=144.34 kVAS_T=\frac{250}{\sqrt{3}} =144.34\text{ kVA}

因此,每具變壓器至少須選用:

144.34 kVA\boxed{144.34\text{ kVA}}

實際選用標準容量時,應選擇不低於此值的標準額定容量。


(二)變壓器繞組電流大小

三相負載線電流為:

IL=S3ϕ3VLI_L=\frac{S_{3\phi}}{\sqrt{3}V_L}

代入:

IL=250×1033×460I_L=\frac{250\times10^3}{\sqrt{3}\times460} IL=313.72 AI_L=313.72\text{ A}

在 VV-VV 連接中,每具變壓器繞組直接接於兩條線之間,其繞組電流大小等於三相負載線電流,因此:

IT=313.72 A\boxed{I_T=313.72\text{ A}}

這裡的電流是指 460 V460\text{ V} 側繞組電流;若要求一次側電流,還需要提供變壓器匝數比。


(三)每具變壓器供應的實功率

雖然三相負載平衡,但在 VV-VV 連接中,兩具變壓器的實功率分配一般不相等。必須利用相量角度計算。

令其中一具變壓器的端電壓為參考相角 0∘0^\circ,則另一具變壓器端電壓相差 120∘120^\circ。由於負載功率因數為 0.80.8 落後,負載電流落後相應相電壓:

ϕ=36.87∘\phi=36.87^\circ

兩具變壓器的功率因數角分別為:

30∘+ϕ=66.87∘30^\circ+\phi=66.87^\circ

以及

30∘−ϕ=−6.87∘30^\circ-\phi=-6.87^\circ

每具變壓器的視在功率為:

ST=144.34 kVAS_T=144.34\text{ kVA}
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第 三 題25 分

三、兩部三相同步發電機 G1G_1 及 G2G_2,每部額定輸出為 45 kVA45\text{ kVA}、220 V220\text{ V}、功率因數為 0.70.7 落後。假設在額定情況下並聯運轉,若負載總功率維持不變,當發電機 G2G_2 激磁減少,使 G2G_2 功率因數提高至 0.90.9 落後時,試求: (一) 此兩部發電機輸出實功率各為何?(5分) (二) 此兩部發電機輸出虛功率各為何?(10分) (三) 此兩部發電機輸出電流大小各為何?(10分)

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核心觀念

本題考查三相同步發電機並聯運轉時,實功率與虛功率的分配原理:

  • 原動機輸入及轉矩主要決定發電機輸出的實功率 PP。
  • 激磁電流主要影響同步發電機輸出的虛功率 QQ 及功率因數。
  • 並聯運轉時,兩部發電機端電壓與頻率相同。
  • 在負載總功率維持不變下,激磁改變只會使兩部發電機重新分配虛功率。

三相電路的視在功率、功率因數及電流關係為

S=P2+Q2S=\sqrt{P^2+Q^2} cos⁡ϕ=PS\cos\phi=\frac{P}{S} Q=Ptan⁡ϕQ=P\tan\phi I=S3VLI=\frac{S}{\sqrt{3}V_L}

其中 VL=220 VV_L=220\text{ V} 為線電壓,且落後功率因數表示發電機輸出感性虛功率,取 Q>0Q>0。


解題方法

一、求初始運轉時的總實功率與總虛功率

每部發電機額定視在功率為

SN=45 kVAS_N=45\text{ kVA}

額定功率因數為 0.70.7 落後,因此每部發電機原先輸出的實功率為

PG1=PG2=45(0.7)=31.5 kWP_{G1}=P_{G2} =45(0.7) =31.5\text{ kW}

所以總實功率為

Ptotal=31.5+31.5=63 kWP_{\text{total}}=31.5+31.5=63\text{ kW}

原先每部發電機的虛功率為

Q0=SNsin⁡ϕ0=451−0.72Q_0 =S_N\sin\phi_0 =45\sqrt{1-0.7^2} Q0=450.51=32.14 kVArQ_0=45\sqrt{0.51} =32.14\text{ kVAr}

故負載總虛功率為

Qtotal=2Q0=64.27 kVArQ_{\text{total}} =2Q_0 =64.27\text{ kVAr}

二、求改變激磁後的實功率

激磁電流改變主要影響虛功率分配,並未改變原動機輸入功率。因此在本題標準並聯運轉假設下,兩部發電機的實功率輸出維持原值:

PG1=31.5 kW\boxed{P_{G1}=31.5\text{ kW}} PG2=31.5 kW\boxed{P_{G2}=31.5\text{ kW}}

三、求 G2G_2 的虛功率

G2G_2 的功率因數提高至 0.90.9 落後,因此

cos⁡ϕ2=0.9\cos\phi_2=0.9 tan⁡ϕ2=1−0.920.9=0.190.9=0.4843\tan\phi_2 =\frac{\sqrt{1-0.9^2}}{0.9} =\frac{\sqrt{0.19}}{0.9} =0.4843

所以

QG2=PG2tan⁡ϕ2=31.5(0.4843)Q_{G2} =P_{G2}\tan\phi_2 =31.5(0.4843) QG2=15.26 kVAr\boxed{Q_{G2}=15.26\text{ kVAr}}

由於總負載虛功率不變,G2G_2 減少的虛功率由 G1G_1 補足,因此

QG1=Qtotal−QG2Q_{G1} =Q_{\text{total}}-Q_{G2} QG1=64.27−15.26=49.02 kVArQ_{G1} =64.27-15.26 =49.02\text{ kVAr}

故

QG1=49.02 kVAr\boxed{Q_{G1}=49.02\text{ kVAr}}

兩部發電機皆為輸出感性虛功率,因此均為落後功率因數。


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第 四 題25 分

四、一部 220 V220\text{ V}、20 HP20\text{ HP}、44 極、60 Hz60\text{ Hz}、Y\text{Y} 接的三相感應電動機,滿載轉差率為 5%5\%,且為單位功率因數,試求該電動機: (一) 同步轉速(rpm\text{rpm})。(5分) (二) 額定負載時,轉子轉速(rpm\text{rpm})。(5分) (三) 額定負載時,轉子頻率(Hz\text{Hz})。(5分) (四) 額定負載時,轉子轉矩(Nt-m\text{Nt-m})。(10分)

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核心觀念

本題考查三相感應電動機的基本定義與額定運轉關係:

  • 同步轉速: ns=120fPn_s=\frac{120f}{P}
  • 轉差率: s=ns−nrnss=\frac{n_s-n_r}{n_s}
  • 轉子頻率: fr=sff_r=sf
  • 額定負載轉矩: T=PoutωrT=\frac{P_{\text{out}}}{\omega_r}

其中:

  • ff:電源頻率,單位為 Hz
  • PP:極數
  • nsn_s:同步轉速,單位為 rpm
  • nrn_r:轉子轉速,單位為 rpm
  • ss:轉差率
  • frf_r:轉子頻率
  • PoutP_{\text{out}}:額定輸出功率
  • ωr\omega_r:轉子角速度,單位為 rad/s

題目所給的 220 V220\text{ V}、Y 接及單位功率因數,對本題四個小題的計算均不需使用。

解題方法

依序由電源頻率與極數求同步轉速,再利用轉差率求轉子轉速及轉子頻率,最後以額定輸出功率除以轉子角速度求轉矩。

額定輸出功率採用:

1 HP=746 W1\text{ HP}=746\text{ W}

因此:

Pout=20×746=14920 WP_{\text{out}}=20\times746=14920\text{ W}

(一)同步轉速

三相感應電動機的同步轉速為:

ns=120fPn_s=\frac{120f}{P}

代入 f=60 Hzf=60\text{ Hz}、P=4P=4:

ns=120×604=1800 rpmn_s=\frac{120\times60}{4}=1800\text{ rpm}

因此:

ns=1800 rpm\boxed{n_s=1800\text{ rpm}}

(二)額定負載時的轉子轉速

轉差率定義為:

s=ns−nrnss=\frac{n_s-n_r}{n_s}

整理得:

nr=(1−s)nsn_r=(1-s)n_s

題目給定滿載轉差率為 5%5\%:

s=0.05s=0.05

因此:

nr=(1−0.05)×1800n_r=(1-0.05)\times1800

nr=0.95×1800=1710 rpmn_r=0.95\times1800=1710\text{ rpm}

因此:

nr=1710 rpm\boxed{n_r=1710\text{ rpm}}

(三)額定負載時的轉子頻率

轉子頻率與轉差率的關係為:

fr=sff_r=sf

代入 s=0.05s=0.05、f=60 Hzf=60\text{ Hz}:

fr=0.05×60=3 Hzf_r=0.05\times60=3\text{ Hz}

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