109 關務特考三等 輪機工程 船用電學 考古題詳解

核心觀念

本題考查直流發電機的電樞反應與換向。電樞線圈中的電流在換向期間改變方向，線圈電感會阻礙電流變化，因而在線圈內感應出電壓，稱為電抗電壓。它會阻礙電流完成換向，使電刷與換向片間容易產生火花。

形成原因

電樞線圈轉動時，線圈由一組電刷短暫短路，線圈電流須在很短的換向時間內由一方向變為相反方向。依電磁感應定律，電感線圈的感應電壓為

其中 $L$ 為線圈電感，$\frac{di}{dt}$ 為電流變化率。換向時間短，電流變化率大，因此產生顯著的電抗電壓；其極性依楞次定律，會反抗原有電流的改變，延遲換向。若線圈中的電流未能在離開電刷前完成反向，電刷接觸換向片時便會產生火花。

解題方法與抵消措施

解題先抓住「線圈電流快速反向」這個換向過程，再說明電感造成的反抗電壓，最後列出產生反向電壓或改善換向的措施。

核心觀念

並激式直流電動機的轉速近似與反電動勢成正比：

其中 $E$ 為電樞反電動勢，$\Phi$ 為磁通。電動機端電壓固定，且激磁電流不變時，磁通可視為固定，因此：

電樞反電動勢則由電樞電壓方程式求得：

效率的定義為 $\eta=P_{\text{out}}/P_{\text{in}}$，可用來求負載時的輸入電流，再扣除激磁電流得到電樞電流。

解題方法

負載時輸入功率為：

端電壓為 $110\ \mathrm{V}$，故負載時總輸入電流為：

並激式電動機的總電流由電樞電流與激磁電流組成：

核心觀念

本題考查無碳刷式交流發電機（brushless alternator）的結構與勵磁方式。作答時應說明：如何在主發電機轉子上建立直流磁場、如何感應出交流電，以及省去碳刷與滑環後的優點。

結構與原理

無碳刷式交流發電機主要由下列部分組成：

1. 主發電機：定子裝有三相電樞繞組，轉子裝有直流磁場繞組。
2. 交流勵磁機：定子裝有磁場繞組，轉子裝有交流電樞繞組。
3. 旋轉整流器：由二極體組成，固定在轉軸上，將勵磁機轉子輸出的交流電整流為直流電。
4. 自動電壓調整器（AVR）：偵測主發電機端電壓，調節交流勵磁機定子磁場電流。
5. 原動機與共同轉軸：帶動主發電機轉子、勵磁機轉子及旋轉整流器同步旋轉。

其能量與控制流程如下：

發電機轉子旋轉時，主轉子直流磁場切割定子三相電樞繞組，依電磁感應原理產生交流電。當負載變動造成端電壓改變，AVR 調整勵磁機定子磁場電流，進而改變勵磁機轉子輸出、主轉子磁場強度及主發電機端電壓，使輸出電壓維持在設定範圍。

解題方法

依「勵磁來源—整流位置—主磁場—交流輸出」的順序說明即可：

核心觀念

本題考查船舶蓄電池組的用途。蓄電池能儲存電能，並可在船舶發電機未運轉、主電源中斷或需要短暫供電時，提供直流電源。答題時可依「啟動、備用、應急、控制與通訊」等功能分類說明。

解題方法

從船舶電力系統中蓄電池所扮演的角色切入，列出它供電的對象與使用情境：

1. 主機及輔機啟動：供應柴油主機、發電機、緊急發電機及其他需要電力啟動設備的啟動電流。
2. 應急照明與應急設備：主電源失效時，為應急照明、警報、通信及必要安全設備提供電力。