115 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

本題考查自動電壓調整器（Automatic Voltage Regulator, AVR）的基本功能，以及它對發電機並聯運轉的影響。AVR 透過調整同步發電機的勵磁電流，維持端電壓在設定值附近；並聯運轉時，AVR 也用來調整各機組間的無效功率（kvar）分配。

同步發電機的感應電勢與勵磁磁通、轉速有關；在轉速與負載條件一定時，改變勵磁電流會改變發電機端電壓及無效功率輸出。AVR 以電壓互感器（PT）取樣端電壓，將實測值與設定值比較，再控制勵磁系統，使端電壓偏差縮小。

解題方法

回答分成「單機電壓調整」與「並聯時的無效功率分配」兩部分：

1. 單機運轉：穩定端電壓。 負載變動會使端電壓偏離設定值。AVR 偵測電壓偏差並調整勵磁電流：電壓偏低時增加勵磁，電壓偏高時減少勵磁，以改善電壓調整率並維持供電品質。

2. 並聯運轉：協調無效功率分配。 多部發電機並聯時，共用母線電壓相同。調整某一部機組的勵磁，主要改變該機組的無效功率輸出或吸收，進而影響各機組間的 kvar 分配。

核心觀念

本題考查船用交流發電機各項保護裝置的動作條件與保護目的。判讀時要分清故障發生在發電機外部或負載端，以及發電機是供電不足、承受過大電流，還是被其他並聯機組帶動。

解題方法

逐項說明各保護裝置「偵測什麼異常」及「動作後要避免什麼危害」：

• 外部短路保護：偵測發電機輸出端或供電線路上的短路大電流，快速跳脫發電機斷路器，隔離故障區段，避免短路電流持續流過發電機與電纜，造成繞組、導線過熱或設備損壞。若有選擇性保護設計，應優先切除故障支路，避免不必要地使整段母線失電。

• 過載保護：偵測發電機長時間承受超過額定值的電流或負載。過載會使定子繞組及其他載流部件溫升過高，加速絕緣老化，嚴重時造成設備損壞；保護裝置依過電流程度及持續時間警報或跳脫，限制熱損害。

• 欠壓保護：當發電機端電壓低於設定值時，發出警報或使斷路器跳脫，避免低電壓造成馬達轉矩不足、電流增大或設備無法正常運轉，也防止電壓異常時發電機持續接在母線上。欠壓保護亦可用於防止電源恢復時，負載在未受控制的情況下自動重新投入。

核心觀念

本題考查控制系統的基本架構，以及回授如何提升船舶設備對負載與環境變化的適應能力。

• 開迴路控制（open-loop control）：控制器依預先設定的指令輸出控制作用，系統輸出不回傳給控制器，因此不會依實際輸出與目標值的差異自動修正。可概括為「給定指令 → 控制器 → 被控設備」。
• 閉迴路控制（closed-loop control）：量測設備輸出並回授至控制器，與設定值比較後產生誤差 $e(t)=r(t)-y(t)$；控制器依誤差調整控制作用，使輸出接近設定值。可概括為「設定值 → 比較與控制 → 被控設備 → 量測回授」。

解題方法

比較兩種控制方式時，可從「有無回授、能否自動修正、對擾動的反應、設備與維護需求」切入，再連結機艙控制的實際需求。

為何機艙重要參數多採閉迴路控制

核心觀念

本題考查船用柴油機冷卻水溫度的回授控制系統。系統量測柴油機冷卻水的實際溫度，與設定溫度比較，再依偏差調整冷卻水流量或冷卻器的冷卻能力，使溫度維持在設定值附近。

基本回授控制鏈可表示為：

本題應依訊號與能量的流向，說明各組成單元及其功能。

解題方法

以「設定溫度如何轉成控制動作，再如何由量測結果修正」為主線，依序說明設定單元、比較控制單元、控制訊號轉換單元、最終控制元件、受控對象及量測回授單元。以冷卻水溫度高於設定值為例，說明系統如何形成負回授：控制器使冷卻作用增強，令水溫下降，偏差縮小。

基本組成單元及作用

1. 設定單元（設定值） 提供所需維持的冷卻水溫度，稱為設定值或目標值 $r(t)$。設定值可由操作人員調整，也可由控制系統預先設定。

2. 比較單元（比較器） 將設定值與感測器回傳的實際溫度比較，形成偏差訊號：

其中 $r(t)$ 為設定值，$y_m(t)$ 為量測回授值。偏差的大小與方向決定控制器應採取的修正動作。

3. 控制器 接收偏差訊號並依控制規則產生控制訊號。控制器可採比例、積分、微分或其組合，例如 PID 控制；其作用是決定修正方向與程度，使實際溫度回到設定值附近，並減少穩態偏差與溫度波動。