113 高普考高考三級 航空器維修 航空器電氣系統 考古題詳解

核心觀念

本題考的是「飛機電力系統(Electrical Power System)」中，以 APU（Auxiliary Power Unit，輔助動力系統） 作為電源時，整個電力分配架構(Electrical Power Distribution System)的組成與各元件功能，這是 ATA 24 章（Electrical Power）的核心內容，也是航機電氣系統課程必考的基本架構題。

作答關鍵在於掌握三個層次：

1. 發電層：APU 如何驅動發電機、發電機輸出如何被調節與保護。
2. 控制與分配層：斷路器（GCB、BTB）與電力管理邏輯（BPCU）如何決定電力路徑，確保「單一電源、不並聯」的隔離匯流排(isolated bus)原則。
3. 用戶端與備援層：AC Bus → TRU → DC Bus → Battery/Essential Bus → Static Inverter 的層層降壓與備援關係。

只要照著「電源產生 → 調節保護 → 開關控制 → 匯流排分配 → 交直流轉換 → 電池備援」這條主軸畫圖，即可涵蓋考點。

(一) APU 供電時之全部電力系統方塊圖與各方塊功能

解題方法

由於 APU 屬於「非飛行中主動力源」的替代電源，畫圖時要注意：APU 發電機與引擎發電機、地面電源三者為互斥（interlock）關係，任一時刻只能有一個電源供電到同一匯流排，因此圖中必須畫出邏輯控制方塊（BPCU/GCU 邏輯），而不是單純電源線路。

方塊圖（文字示意）

[APU本體(渦輪引擎)]
 │(機械軸功率)
 ▼
[APU發電機 APU GEN]───電壓/頻率訊號──►[APU 發電機控制器 GCU]
 │(3相AC電力,115V/400Hz) │(GCB閉合/跳脫指令)
 ▼ │
[APU發電機斷路器 APU GCB]◄────────────────────┘
 │
 ▼
[匯流排功率控制單元 BPCU / 電力管理邏輯]──控制──►[匯流排連接斷路器 BTB]
 │ │
 ▼ ▼
[左主交流匯流排 Left AC Bus]◄────BTB────►[右主交流匯流排 Right AC Bus]
 │ │ │ │
 ▼ ▼ ▼ ▼
[AC負載] [變壓整流器TRU-L] [AC負載] [變壓整流器TRU-R]
 │ │
 ▼ ▼
 [左直流匯流排 DC Bus] [右直流匯流排 DC Bus]
 │ │
 ▼ ▼
 [電池充電器]───►[電池 Battery]───►[熱電池匯流排 Hot Bat Bus]
 │
 ▼
 [重要匯流排 Essential AC/DC Bus]
 │
 ▼
 [靜態變流器 Static Inverter]（全電源失效時備援）

（旁路互斥關係）
[引擎發電機1/2 + GCB]──┐
[地面電源 External Power + Contactor]──┤─►與 APU GCB 共用 BPCU 邏輯，互斥供電

各方塊功能說明

(一) 鎳鎘電池與鋰離子電池特性比較

核心觀念

本小題考的是航空器電氣系統中兩大主流二次電池（secondary battery）的電化學特性、結構特性與適航維護特性之比較，屬於航空器電系（Aircraft Electrical System, ATA 24）之基本知識，常與 battery maintenance、thermal runaway 等主題連動出題。作答時應從「電化學特性」「電氣特性」「維護特性」「安全性」四個構面切入，才能完整涵蓋考點。

解題方法（逐項比較）

1. 標稱電壓與能量密度

• Ni-Cd：單電芯標稱電壓約 $1.2\ \mathrm{V}$，能量密度較低（約 $40\sim60\ \mathrm{Wh/kg}$）。
• Li-ion：單電芯標稱電壓約 $3.6\sim3.7\ \mathrm{V}$，能量密度高（約 $100\sim250\ \mathrm{Wh/kg}$）。
• 意義：相同容量下 Li-ion 電池重量較輕、體積較小，對航空器減重極為有利。

2. 放電曲線特性

• Ni-Cd：放電曲線平坦（flat discharge curve），電壓在放電過程中變化極小，直到接近放電終點才急遽下降，因此不易由端電壓判斷剩餘容量（SOC）。
• Li-ion：放電曲線隨 SOC 呈較線性下降，較容易由端電壓估算剩餘容量。

3. 記憶效應（Memory Effect）

• Ni-Cd：具有明顯記憶效應，若未完全放電即反覆充電，會造成可用容量下降，故民航維護規範要求 Ni-Cd 電池需定期執行「容量測試」（capacity check）與「均衡充放電」（reconditioning）。
• Li-ion：無記憶效應，可隨時充放電而不影響容量。

4. 自放電率（Self-discharge rate）

• Ni-Cd：自放電率較高（每月約 $10\%\sim20\%$）。
• Li-ion：自放電率較低（每月約 $2\%\sim5\%$）。

5. 熱穩定性與安全性

• Ni-Cd：化學性質穩定，過充、過放耐受度高，發生熱失控（thermal runaway）的風險較低，機構強度佳、耐震動衝擊。
• Li-ion：能量密度高但熱穩定性較差，過充、內部短路或機械損傷易導致熱失控，燃燒時會自身供氧、難以撲滅，故裝機需搭配溫度監控、電壓監控與過充保護電路（Battery Management System, BMS），此為 FAA 於 B787 事故後強化 Li-ion 電池適航驗證（如 RTCA DO-311 / SAE AS8033）之背景。

6. 使用壽命（充放電循環壽命）

• Ni-Cd：循環壽命較長（約 $1000$ 次以上），耐深度放電。
• Li-ion：循環壽命中等（約 $500\sim1000$ 次），且不宜完全放電至零，否則加速容量衰退。

7. 維護成本與便利性

• Ni-Cd：需定期加蒸餾水（維護電解液）、執行容量測試，維護工時較高，但可耐受較惡劣操作環境（高低溫、過充過放）。
• Li-ion：免加水維護，但須配備 BMS 監控每一電芯電壓與溫度，一旦電芯異常需整組更換，單價較高。

解題技巧

答題時建議以表格方式呈現對照（能量密度、記憶效應、自放電、安全性、壽命、維護方式六項），閱卷委員最容易辨識得分點；

核心觀念

本題考的是電路學中三大基礎被動元件（Passive Components）——電阻（R）、電容（C）、電感（L）——的元件符號、電壓電流特性方程式（V-I relationship）、阻抗（Impedance）與功率特性。這是航空器電氣系統分析（濾波電路、感應馬達、變壓器、電源穩壓、儀表電路）的根本基礎，也是交流電路（AC circuit）相量分析的起點。

三元件的核心定義式：

• 電阻：歐姆定律（Ohm's Law）$V_R = I_R R$
• 電容：$I_C = C\dfrac{dV_C}{dt}$
• 電感：$V_L = L\dfrac{dI_L}{dt}$

三者的差異在於：電阻是「即時、線性、無記憶性」的關係（電壓與電流同時刻成正比）；電容與電感則是「微分關係」，涉及時間變化率，具有儲能與記憶特性。

解題方法

(一) 元件符號

三種元件的標準電路符號如下（以文字描述繪製方式，考生依此手繪即可）：

• 電阻（Resistor, R）：美規（ANSI）以連續鋸齒狀折線表示（zigzag），兩端各接出一條直導線；歐規／IEC 則以一個長方形方框表示，兩端同樣各接一條導線。
• 電容（Capacitor, C）：以兩條互相平行、長度相等、中間留有間隙的短線表示兩片極板，兩端各接一條導線垂直接向極板中央。若為有極性的電解電容，則一片極板畫成直線、另一片畫成弧線，並在直線極板旁標示「＋」號。
• 電感（Inductor, L）：以連續彎曲、規則排列的半圓弧（或螺旋狀線圈）表示繞線線圈之形狀，兩端各接出一條直導線，象徵導線繞製成線圈。

(二) 電阻

電壓電流關係：依歐姆定律，電阻上的電壓與流過的電流成正比： $V_R = I_R \times R$

功率：電阻消耗之功率為電壓乘電流，亦可由歐姆定律代換得三種等價寫法： $P = V_R I_R = I_R^2 R = \frac{V_R^2}{R}$

功能：電阻是純消耗性（dissipative）元件，電壓與電流波形同相位（in phase），不具儲能能力，只會將電能不可逆地轉換為熱能消散。在電路中的功能為限流、分壓、降壓、作為負載或終端阻抗匹配等。

(三) 電容

電壓電流關係：電容儲存電荷 $Q = CV_C$，將其對時間微分即得電流與電壓變化率的關係： $I_C = C\frac{dV_C}{dt}$

此式表示：電容電流的大小取決於電壓「變化的快慢」，電壓不變（穩態直流）時電流為零，這正是電容「隔直通交」的數學來源。

阻抗：在弦波穩態（sinusoidal steady state）下，令角頻率 $\omega = 2\pi f$，電容之複數阻抗為 $Z_C = \frac{1}{j\omega C} = -j\frac{1}{\omega C}$

阻抗大小 $|Z_C| = \dfrac{1}{\omega C}$ 與頻率成反比，頻率越高阻抗越小。

功能：電容儲存電場能量，電流相位超前電壓 $90°$。具隔直通交（DC blocking / AC coupling）特性：對直流視為開路，對高頻交流視為低阻抗通路。

核心觀念

本題考的是「飛機電力系統架構」中，交流發電機（AC Generator）如何將電力轉換並提供給直流匯流排（DC BUS）的完整流程，這是航空器電氣系統最基本、也是考試最常出現的架構型考題。

作答關鍵在於掌握以下核心觀念：

1. 現代運輸類航空器多以交流電為主電力系統：因交流電機效率高、體積重量較小，適合大功率傳輸；但機上大量儀電系統、控制迴路、警告系統、電瓶充電等仍需直流電才能運作。
2. AC 轉 DC 的核心元件是 TRU（Transformer Rectifier Unit，整流變壓器）：其內部包含「降壓變壓器」與「整流二極體橋」兩大功能區塊。
3. 需完整交代由發電端到負載端的電力鏈：引擎 → 傳動裝置 → 發電機 → 調壓保護 → AC BUS → TRU → DC BUS → 電池備援，缺一段即失分。

解題方法（依電力流程逐段說明）

Step 1：發電端 —— Engine-Driven AC Generator

引擎透過附件齒輪箱（AGB, Accessory Gearbox）帶動發電機運轉，依系統設計分兩種：

• 定頻系統（Constant Frequency, CF）：發電機前端加裝 CSD（Constant Speed Drive）或整合式 IDG（Integrated Drive Generator），將引擎變動轉速轉換為恆定約 $4000\text{ rpm}$ 輸出，使發電機輸出頻率恆定於 $400\text{Hz}$。
• 變頻系統（Variable Frequency, VF）：新式機型（如 B787）採 VFSG（Variable Frequency Starter Generator）直接接於 AGB，省去 CSD，輸出頻率隨引擎轉速變動（約 $360\sim800\text{Hz}$），由後端電力電子模組處理變頻問題。

發電機輸出為三相交流電，相電壓 $115\text{V}$、線電壓 $200\text{V}$。

Step 2：調壓與保護 —— GCU（Generator Control Unit）

GCU 持續監測發電機輸出電壓、頻率與負載電流，透過調整發電機激磁電流（field excitation）維持輸出電壓穩定；並具備過壓、欠壓、過載、差動電流保護等功能，異常時跳脫 GCB（Generator Control Breaker），將故障發電機自匯流排隔離。

Step 3：交流匯流排分配 —— AC BUS

發電機電力先送上對應之 AC BUS（如 Left/Right AC Bus），供應交流負載（大型馬達、加溫器、廚房用電等）。透過 Bus Tie Breaker（BTB）可視發電機健康狀況做匯流排併接或轉供。

Step 4：交直流轉換 —— TRU（Transformer Rectifier Unit）

由 AC BUS 分接一路電力送入 TRU，這是本題答題核心，須詳述其內部三個功能區塊：

1. 降壓變壓器（Transformer）：將 $115/200\text{V}$ 交流降至整流後可得約 $28\text{V DC}$ 所需之低壓交流；高階 TRU 二次側常設計為兩組互差 $30°$ 相位之繞組（一組 Y 接、一組 Delta 接），以利後續多脈波整流。
2. 整流電路（Rectifier）：以矽二極體組成三相全波橋式整流（6 顆二極體），將降壓後交流轉為脈動直流；為降低輸出漣波（ripple）與對 AC BUS 造成的諧波污染，多數大型機採用12 脈波整流（兩組 6-二極體橋、相位相差 $30°$，輸出疊加），使漣波頻率提高、幅度大幅降低。