114 高普考高考三級 輪機技術 船用電學與自動控制 考古題詳解

核心觀念

單相交流負載的功率關係為：

• 有效功率：$P=VI\cos\phi$，單位為瓦特（$\mathrm{W}$）。
• 視在功率：$S=VI$，單位為伏安（$\mathrm{VA}$）。
• 虛功率：$Q=VI\sin\phi$，單位為乏（$\mathrm{var}$）。

其中，$V$、$I$ 分別為電壓與電流的有效值，功率因數 $\cos\phi=0.8$。題目給定滯後功率因數，表示負載為感性，故虛功率取正值。

解題方法

先由電壓與電流求視在功率：

再以功率因數求有效功率：

核心觀念

理想變壓器以一次側與二次側的匝數比決定電壓比；在忽略損失的條件下，輸入功率等於輸出功率，因此電流比與電壓比成反比。

令一次側為 $1$、二次側為 $2$，則：

其中 $N$ 為繞組匝數、$V$ 為電壓、$I$ 為電流。以下匝數比採「一次側：二次側」表示。

解題方法

已知 $N_1=1200$ 匝、$N_2=400$ 匝、$V_1=360\ \mathrm{V}$。

⑴ 匝數比

因此一次側：二次側匝數比為 $3:1$。

⑵ 二次側輸出電壓

由理想變壓器電壓比：

⑶ 一次側電流

理想變壓器輸入功率等於輸出功率。已知二次側負載電流 $I_2=15\ \mathrm{A}$，所以：

亦可由電流比驗算：

核心觀念

UMS（Unattended Machinery Space，機艙無人當值）是指機艙在一定時段內無輪機人員持續駐守，由自動控制與監視設備監控機器運轉；設備異常時，須能及時通知駕駛台及輪機值班人員，使其迅速查明並處置。UMS 不代表機艙可以無人監控，也不代表船舶可以取消輪機值班制度。

本題重點是說明 UMS 能安全運作所需的條件：自動化設備可靠、異常能被偵測與通報、故障時有安全措施、人員能迅速應變。相關規範脈絡包括《海上人命安全國際公約》（SOLAS）第二章第一節有關定期無人值守機艙的規定、第二章第二節的防火與探測規定，以及船舶安全管理制度（SMS）和船級社相關要求。以下以命題當年（民國 114 年）法規為準。

解題方法

申論時可依「運轉前確認—監視與警報—故障保護—人員應變—操作管理」的順序作答。這樣能涵蓋設備、電氣自動控制、消防防水及值班管理等面向，避免只寫「裝有自動警報」而漏掉 UMS 的操作條件。

實施 UMS 的注意事項

一、確認自動控制與監視設備可用

主、輔機、發電機、鍋爐及重要輔助設備的自動控制、遙控與監視功能，應符合船舶核准的 UMS 操作要求。運轉前應確認必要設備處於正常狀態，包括自動啟停、備用設備切換、控制模式選擇及重要參數監測。控制系統故障或設備狀態不明時，應依船上程序停止 UMS，改由人員值守並排除故障。

二、警報須能辨識、傳送並維持供電

重要機械異常應以聲光警報提示，且顯示內容須能辨識故障設備及位置。警報應能傳至機艙控制位置、駕駛台及輪機人員住艙等規定位置；需要立即處置的警報，不得只停留在無人注意的機艙內。警報系統應有自我監測及獨立備用電源，正常電源失效時仍能運作，電源故障本身也須能發出警報。

三、重要異常須有適當保護措施

對主機、發電機、鍋爐及其他關鍵設備，應依設備特性設置必要的警報、降速、停機或備用設備自動投入等保護措施。安全保護的目的在避免故障擴大，但也須確保保護動作不會造成不必要的全船失電或推進力喪失。

核心觀念

本題考查惠斯頓電橋的平衡條件。

當橋臂電阻 $R_5$ 上量測不到電壓，表示其兩端電位相等，因此：

此時 $R_5$ 中沒有電流流過，電橋處於平衡狀態，平衡條件為：

解題方法

左右兩側分別視為分壓電路。

左側中點電壓為：

右側中點電壓為：

因為 $R_5$ 上沒有電壓與電流，所以 $V_L=V_R$：

消去 $V_1$：

交叉相乘：

展開並消去共同項 $R_2R_4$：

因此：