113 高普考普通考試 輪機技術 船用電學與自動控制概要 考古題詳解

核心觀念

本題考三相交流馬達的輸入功率與 $\Delta$ 型接線的線、相電流關係。

馬達標示的馬力代表機械輸出功率；輸入電功率須依效率換算：

三相有功功率為：

其中 $V_L$、$I_L$ 分別是線電壓與線電流，$\cos\phi$ 為功率因數。$\Delta$ 型接線中，相電壓等於線電壓，線電流則為相電流的 $\sqrt{3}$ 倍：

解題方法

先將馬力換算為機械輸出功率，再除以效率求得馬達輸入功率：

核心觀念

船舶自動化系統是運用感測器、控制器、致動器及電腦監控設備，對船舶的機械、電力與操作程序進行自動控制、狀態監測及警報處理。其目的在提升船舶操作的安全性、可靠性與效率，並減少人員持續手動操作的負擔。

解題方法

本題屬於概念敘述題，可從「安全、操作、人力、維護、經濟與環境」幾個面向整理效益。作答時先說明系統能做的事，再對應說明這些功能帶來的好處，避免只羅列設備名稱。

船舶自動化系統的好處

1. 提升航行與作業安全 系統可持續監測主機、發電機、鍋爐及舵機等設備的溫度、壓力、轉速與液位。當數值異常時，可發出警報，並在必要時執行連鎖保護或自動停機，降低設備損壞、火災及航行事故的風險。

2. 減輕人員工作負擔 自動控制可代替部分重複性操作，例如設備啟停、負載調整、泵浦切換與艙底水位控制。船員不必長時間守候每一部設備，可將人力運用在監督、巡檢及異常處理上。

3. 改善操作效率與穩定性 控制系統能依設定條件即時調整設備運轉狀態，使主機與輔機維持適當工作點，並減少人工操作的延遲或誤差。整合式監控也使駕駛台與機艙人員能較快掌握全船設備狀況。

核心觀念

感應馬達的同步轉速由電源頻率與馬達極數決定；轉子必須以低於同步轉速的速度運轉，兩者的相對差異以轉差率表示：

其中 $N_s$ 為同步轉速（rpm）、$N_r$ 為轉子轉速（rpm）、$f$ 為電源頻率（Hz）、$P$ 為極數。題目所說「以 $5\%$ 的滿載速度運轉」按感應馬達常見命題用語，表示滿載轉差率為 $5\%$。

軸扭力可由機械輸出功率與角速度求得：

解題方法

已知 $f=60\ \mathrm{Hz}$、$P=4$ 極，先計算同步轉速：

轉差率 $s=5\%=0.05$，因此轉子轉速為：

馬達額定輸出功率為 $10$ 馬力。以 $1\ \mathrm{hp}=746\ \mathrm{W}$ 換算：

核心觀念

本題考查控制系統是否利用輸出回授修正控制作用。

• 開迴路控制（open-loop control）：控制器依據輸入命令產生控制作用，系統輸出不回傳與設定值比較，因此沒有利用輸出誤差修正控制作用。
• 閉迴路控制（closed-loop control）：量測系統輸出並回授，與設定值比較形成誤差，再由控制器依誤差調整控制作用。若設定值為 $r(t)$、輸出為 $y(t)$，則誤差為 $e(t)=r(t)-y(t)$

解題方法

比較兩種系統時，依序從「是否有回授」、「對外界變動的反應」、「系統複雜度與穩定性」切入。沒有回授時，控制作用不會因輸出偏差而自動修正；有回授時，則能根據量測結果修正誤差，但須付出感測、調整與穩定度設計的代價。

開迴路控制的優缺點

優點

1. 結構簡單、成本較低：不需要回授感測器與比較器，所需元件少。
2. 設計與維護容易：控制器不必處理輸出回授，系統較單純。
3. 通常較不會有回授造成的振盪問題：因沒有回授迴路，不會因回授增益與相位關係不當而引發迴路不穩定。

缺點

1. 無法自動修正輸出誤差：輸出偏離目標時，控制器不會得知偏差，也不會據此調整。
2. 對負載變動及外界干擾敏感：負載、環境或設備特性改變，都可能使輸出偏離預期。
3. 對元件參數變化敏感：設備老化、磨耗或特性漂移會影響控制結果，須仰賴人工校正或重新調整。