電機機械 申論題歷屆試題與參考架構

高考三級,民國 102~115 年共 14 份試卷、66 題,其中 48 題附參考答題架構。考這一科的類科:電力工程。本頁列出歷年全部題目,參考架構只列開頭的「破題」,完整的答題架構、關鍵字與作答提醒請到站內查看。

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115 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    如圖 1 所示為一個鐵磁性鐵芯,其平均磁路長度 lc 為 40 cm。在此鐵芯結構中存在一個 0.05 cm 的小氣隙。鐵芯的截面積 A 為 12 cm²,鐵芯的相對磁導係數 r 為 4000,且繞在鐵芯上的線圈匝數 N 為 400 匝。假設氣隙中的邊緣效應(fringing)使氣隙的有效截面積增加 5%。根據上述條件,試求:

    (一)此磁路(包含鐵芯和氣隙)的總磁阻。(13 分)

    (二)為了在氣隙中產生 0.5 T 磁通密度時所需電流 i 的大小。(12 分)i ϕ N=400 turns B 0.05 cm A=12 cm2 lc =40 cm圖1

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題是有氣隙的串聯磁路計算:鐵芯與氣隙各自算磁阻後相加,再用 F = Ni = φR 反推電流。關鍵在氣隙面積要依題意加 5% 的邊緣效應修正。

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  2. 2

    有一部 5000 VA,480/120 V 之理想變壓器,其每一繞組都能耐 600 V 之電壓。今欲以自耦變壓器的方式連接於一 600 V 之電源以供應一 120 V負載的所需電力。試求:

    (一)自耦變壓器額定容量的伏安值。(12 分)

    (二)自耦變壓器一次側的最大電流、二次側的最大電流。(13 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考查雙繞組變壓器改接為自耦變壓器之接線原理、額定容量提升效益與電流分配計算。解題核心在於依據耐壓與端電壓條件正確指派串聯繞組與公共繞組,並透過繞組額定電流限制推導自耦變壓器的最大輸出容量與側邊電流。

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  3. 3

    一台三相 Y 接線同步發電機,其額定為 120 MVA、13.8 kV、功率因數、60 Hz,同步電抗為 0.7 Ω 且電阻可忽略不計。試求:0.85(落後)

    (一)該機的電壓調整率。(12 分)

    (二)若想要將操作該機在 50 Hz 下的電樞和磁場損失與操作在 60 Hz 時相同,其額定電壓和視在功率額定值。 (13 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考查三相同步發電機之相量分析、電壓調整率計算,以及頻率變更時發電機損失恆定準則與降額運轉特性。解題核心在於建立單相串聯等效電路推導內部激磁電動勢,並依損失不變條件推求電壓與容量正比於頻率之比例關係。

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  4. 4

    有一台額定功率為 15 hp(馬力) 、額定電壓 208 V、四極、60 Hz 且為 Y接線的繞線式感應馬達,在轉速為 1710 rpm 時,其等效電路和參數如圖2 所示,試求:

    (一)此時的定子電流 IA。(13 分)

    (二)此時的氣隙功率。 (12 分)IA R1 jX1 jX2 R2 0.22 Ω j0.43 Ω j0.43 Ω 0.127 Ω Vϕ j15 Ω jXM 2.413 Ω -圖2

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題是感應馬達每相等效電路的直接解:先由轉速求轉差率,確認 R2(1−s)/s 的數值,再算總輸入阻抗求定子電流,最後以氣隙功率 = 3I²×(轉子側等效電阻)或 3I2²R2/s 求得。

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114 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    圖一所示為啟動時之線性直流機,其中速度為 v,導體感應電壓 eind,電流 i(t),感應力 Find。當開關閉合時導體上有電流流動,其並以等速運動,即可啟動此線性直流機。試以公式簡要說明啟動時,線性直流機的動作原理(包含感應電壓 eind,電流 i(t),與感應力 Find 的變化)。(20 分)eind l圖一

    (20 分)

    參考架構・破題

    線性直流機是所有直流機的最簡模型,本題要用四條基本方程式把「開關閉合→電流→受力加速→反電勢上升→電流下降→穩態」這條因果鏈寫清楚,並推到穩態速度。

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  2. 2

    一配電變壓器的規格 100 kVA,6900/220 V,其參考至一次側的阻抗為30+j100 ,激磁分路上元件參考至一次側數值為 Rc=110 k,XM=25 k,試求:(每小題 10 分,共 20 分)

    (一)當一次側電壓為 6800 V 且負載阻抗 ZL=2+j0.7 時,變壓器的二次側電壓為何?

    (二)如果(一)中負載改為-j3 時,變壓器的二次側電壓為何?

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考變壓器的近似等效電路與負載性質對電壓調整的影響:電感性負載二次側電壓下降,電容性負載二次側電壓反而上升。把負載折算到一次側,用分壓求出後再除以匝比即可。

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  3. 3

    一 8 hp,120 V 串激電動機,其電樞電阻=0.1 ,串激場電阻=0.07 。於滿載下,輸入電流 55 A,額定轉速 1060 rpm。根據其磁化曲線,當場電流為 55A 時,其內建電勢為 132 V;而場電流為 70 A 時,其內建電勢為 142V。試求: (每小題 10 分,共 20 分)

    (一)滿載下此串激電動機的效率為何?

    (二)當此電機運轉於電樞電流為 70 A 時,其轉速為何?

    (20 分)

    參考架構・破題

    串激電動機的場電流等於電樞電流,磁通隨負載改變,因此求轉速時不能假設磁通固定,必須用磁化曲線的內建電勢比值修正。題目給的 132 V/142 V 是磁化曲線在某一固定參考轉速下的值,用「比值法」即可消去未知的參考轉速。

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  4. 4

    一 60 Hz,六極感應電動機,其氣隙功率 PAG=26 kW,由電能轉換到機械能的功率 Pconv=24 kW。試求:(每小題 10 分,共 20 分)

    (一)此時感應電動機的轉差率與感應轉矩為何?

    (二)若在此轉差率下之機械損失為 330W,則其負載轉矩為何?

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考查三相感應電動機內部功率潮流流向分析、轉差率定義、感應轉矩及負載輸出轉矩之計算。解題核心在於熟練運用氣隙功率、轉子銅損與電磁轉換功率之比例關係,並精確區分同步角速度與轉子旋轉機械角速度在轉矩計算上的應用。

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  5. 5

    一發電廠共有三部並聯運轉的同步發電機,每部規格 300 MVA,20 kV,0.9 PF 落後,其有相同的轉速下降特性。發電機之原動機上調速機(governors)滿載到無載之間產生 3 Hz 的轉速下降。其中兩部在 60 Hz下供應穩定功率 250 MW,而第三部發電機負責系統上負載的變化增量,使系統頻率維持在 60 Hz。試求: (每小題 10 分,共 20 分)

    (一)當系統的總負載為 600 MW 時其系統頻率為 60 Hz,則系統中每部發電機的無載頻率為何?

    (二)若系統的負載增加到 700 MW 時且發電機之調速機設定點不變,新的系統頻率將為何?

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考查發電廠多部同步發電機並聯運轉之負載分配、調速機頻率下垂特性方程式與系統頻率響應分析。解題核心在於求出單機下垂斜率,利用給定工作點推求各機無載頻率設定值,再依各機無載設定維持不變條件求解總負載變動後的新平衡頻率。

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113 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    某電感結構由兩個相同鐵心與兩個線圈串聯如圖一所示,兩個線圈匝數相同,且每個線圈匝數為 60 匝,鐵心與氣隙的截面積相同為 40 cm2,鐵心的平均長度為 50 cm,鐵心的導磁係數為無窮大,氣隙的導磁係數為4  107 H/m,不計其磁飽和、邊緣效應及線圈漏磁通。在電感為 18 mH,電流 I S 為 10 A,計算氣隙 g o 寬及氣隙磁通密度。(20 分)鐵心#1 氣隙 鐵心#2 IS IS go線圈#1 go 線圈#2圖一

    (20 分)

    參考架構・破題

    鐵心導磁係數無窮大,磁阻全在兩個氣隙上;兩線圈串聯相助,總匝數 120 匝。由電感 L = N²/R 反推氣隙寬,再由磁通鏈或安培定律求氣隙磁通密度。

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  2. 2

    某單相變壓器的額定為 100 kVA、22.8 kV/220V,額定操作的銅損為 2 kW、鐵損為 1.6 kW。採用此三個單相變壓器接成一具三相變壓器,高壓側為 接線、低壓側為  接線。三相平衡負載接於低壓側,其端電壓為變壓器的額定,負載總消耗功率為 120 kW,功率因數為 0.8 落後,計算三相變壓器低壓側的線電流及相電流、三相變頻器的效率。 (20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    三台單相變壓器接成 Δ-Δ 三相組,低壓側線電壓等於相電壓 220 V;先由負載功率求視在功率與線、相電流,再依每台實際負載率修正銅損(與負載率平方成正比),鐵損固定,求效率。題目「三相變頻器」應為「三相變壓器」之誤植。

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  3. 3

    某三相、Y 接線、6 極、380 V、60 Hz 的同步發電機,每相同步電抗為j 2.5  ,忽略電樞電阻及鐵心磁飽和。在額定電壓及頻率,發電機輸出三相總實功率為 42 kW,功率因數為 0.8 落後,此時發電機的激磁場電流為 15 A。若在額定電壓、頻率,輸出總實功率也維持 42 kW 時,調整激磁場電流使其功率因數為 0.6 落後,計算激磁場電流及功率角。 (20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    同步發電機在端電壓、頻率、輸出實功率都不變時,Ea sinδ 與 I cosθ 皆固定,改變激磁只改變無效功率。用相量圖求兩種功率因數下的內電勢 Ea,在忽略飽和下激磁電流與 Ea 成正比。

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  4. 4

    某台他激式直流發電機的額定電流為 100 A,轉速及激磁電流維持固定,忽略電刷壓降及電樞反應。當電樞電流為 40 A,其電樞端(輸出)電壓為 212 V,當電樞電流為 60 A,其電樞端電壓為 208 V。若發電機在額定電流操作,計算電樞電阻消耗功率及電壓調整率。 (20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考查他激式直流發電機之外特性曲線、端電壓方程式、電樞電阻損耗與電壓調整率之計算。解題核心在於利用轉速與激磁固定時內部感應電勢為定值之特性,聯立兩組負載工作點求出電樞電阻與感應電勢,進而推求額定運轉狀態下之各項指標。

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  5. 5

    某三相、Y 接線、220 V、8 極、60 Hz 的感應電動機,忽略激磁電抗及鐵損等效電阻的等效至定子側每相電路如圖二所示,s 表示滑差率、R1  0.22  、 R2  0.18 、 X 1  1.10 、 X 2  1.40  。此感應電動機在額定電壓、頻率操作,計算下列問題:(每小題 10 分,共 20 分)

    (一)起動電流及功率因數。

    (二)最大電磁轉矩及其對應的轉速。R1 jX 1 jX 2  I1 R2~ V1  s圖二

    (20 分)

    參考架構・破題

    等效電路已忽略激磁支路,成為單純串聯電路:起動時 s = 1 直接求阻抗;最大轉矩用最大功率轉移原理,R2/s 等於其餘阻抗大小時發生,求出 smax 與 Tmax 及對應轉速。

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112 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    一磁路如圖一所示,繞組匝數N = 600匝,通以直流電流i,氣隙長度g = 0.55 cm , 氣 隙 截 面 積 Ag = 81 cm2 , 鐵 心 使 用 理 想 導 磁 材 料( c   ),忽略磁飽和與邊緣效應,欲使氣隙中產生0.85 T之磁通密度,計算:(每小題5分,共15分)

    (一)直流電流 i 之值。

    (二)繞組的電感值。

    (三)氣隙中所儲存的磁能。磁力線0氣隙 g N 匝 c  繞組圖一

    (15 分)

    參考架構・破題

    理想鐵心(μc → ∞)且忽略邊緣效應,全部磁阻集中在氣隙;以安培環路定律求電流,電感 L = N²μ0Ag/g,磁能以 ½Li² 或 B²/(2μ0) × 氣隙體積計算,兩法互相驗算。

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  2. 2

    額定230 V、12 HP的直流串激電動機,以Vs=230 V直流電源供電時,汲取40 A的電流,轉速為1200 rpm。此直流機的電樞電阻Ra=0.25 Ω,串激磁場繞組電阻Rs=0.1 Ω,磁飽和、電刷壓降及機械損失皆可忽略。(每小題10分,共20分)

    (一)繪出此電動機之等效電路圖,標示電樞電壓之極性、電樞電流方向及電源電壓極性。

    (二)計算此電動機輸出之機械功率及轉矩。

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考查直流串激電動機之等效電路模型、克希荷夫電壓定律、反電動勢推算、電磁功率轉換與輸出軸轉矩計算。解題核心在於正確繪製串聯電路並標示極性,接著利用總電阻壓降求得反電動勢,並依機械損失可忽略之條件求取軸端輸出。

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  3. 3

    額定60 Hz、460 V、Y接、300馬力之三相六極鼠籠式感應電動機,每相等效電路如圖二中虛線所圍繞的部分,s為轉差率,參照至定子側的等效電路每相歐姆值為 R1  0.007 , R2  0.011, X 1  X 2  0.05 , X m  2.4 ,此電動機在額定電壓下啟動。鐵心損失、風阻及摩擦損失均可忽略。(每小題10分,共20分)

    (一)計算此電動機之啟動電流 I st 及啟動時之功率因數。

    (二)若欲使啟動時之功率因數提升至0.95落後,計算必須在A-B節點間並聯的每相電容值,及並聯此電容器之後,新的啟動電流。I st R1 jX 1 jX 2 A  R2 460 jX m V s  B圖二

    (20 分)

    參考架構・破題

    起動時 s = 1,轉子支路與激磁電抗並聯後再串定子阻抗,求起動電流與低功率因數;第二小題是功率因數改善:在端點 A-B 並聯電容,有效功率不變,只減少無效功率,由此求每相電容與新電流。

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  4. 4

    三部15 kVA、460/120 V、60 Hz之單相雙繞組變壓器,每一部單相變壓器參照至高壓側的等效阻抗為0.5+j1.5 Ω,鐵心損失與磁化電流可忽略。將此三部單相變壓器連接成一部460/208 V之三相變壓器組,供應三相208 V功率因數0.8落後之額定負載。

    (一)繪出變壓器之接線圖。(10分)

    (二)計算變壓器高、低壓側之繞組電流。(10分)

    (三)計算此變壓器組之效率。 (5分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考查單相變壓器組合為三相變壓器組之接線型式判斷、繞組與線端電流計算及全負載運轉效率推導。解題核心在於比對單相額定相電壓與三相額定線電壓決定高低壓側分別為三角形與星形接線,進而分析各相繞組電流與等效銅損。

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  5. 5

    兩部三相同步發電機G1與G2並聯運轉,共同供應實功率300 kW、功率因數0.8落後之負載。G1與G2之電機規格及原動機的轉速降(speed droop)特性如下表所示:(每小題10分,共20分)原動機轉速(rpm)發電機 電機規格無載 滿載2極、60 Hz、250 kVA、480 V、G1 3650 3570功率因數0.8落後4極、60 Hz、250 kVA、480 V、G2 1800 1780功率因數0.85落後

    (一)求此電力系統之運轉頻率fs。

    (二)計算G1與G2分別供應之實功率。

    (20 分)

    參考架構・破題

    並聯發電機的實功率分配由原動機的轉速降(調速)特性決定:先把各機無載、滿載轉速換算成頻率,畫出頻率-功率直線,兩機運轉於同一頻率,P1 + P2 = 負載,即可解出系統頻率與各機分擔。

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111 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    圖一為變壓器於二次低壓側進行開路試驗,一次高壓側進行短路試驗,並將試驗量測數據運算得到參考至一次側之近似等效電路圖。若高、低V壓側額定電壓比為 a  H ,敘述如何進行開路試驗與短路試驗的程序,VL以取得那些試驗的數據,直接推算等效電路上 Rc、Xm、Req 及 Xeq 的參數值,並說明等效電路上每一參數在變壓器運轉時所代表的意義。 (25 分)IL IH Req jXeq a + + VH Rc jXm aV L - -圖一 變壓器近似等效電路圖

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考變壓器開路試驗與短路試驗的接線、量測與參數推導。核心是:開路試驗在低壓側加額定電壓,求激磁分支 Rc、Xm;短路試驗在高壓側通額定電流,求串聯阻抗 Req、Xeq;最後要把低壓側量得的值乘 a² 換算到一次(高壓)側,並說明各參數的物理意義。

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  2. 2

    一部感應繞線式轉子運轉電動機在額定電壓與頻率下運轉,滑環短路並且負載是電動機額定值的 100%,如果在轉子電路中插入額外的電阻,使得電動機的轉子電阻可以調變。試由感應繞線式轉子電阻變動之轉矩與速度特性曲線,詳細說明轉子電阻增加時,對以下各項參數的影響:(每小題 5 分,共 25 分)

    (一)轉差率 s

    (二)電動機速度 nm

    (三)轉子的感應電壓

    (四)電動機啟動轉矩

    (五)電動機最大轉矩(脫出轉矩,Pull-out torque)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考查繞線式轉子感應電動機之轉子外加電阻調速原理、轉矩速度特性曲線位移效應及各運轉參數變化。解題核心在於利用戴維寧等效電路推導轉矩公式,分析轉子總電阻增加時特性曲線向低速側平移對穩定運轉點、感應電壓、啟動轉矩與脫出轉矩之影響。

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  3. 3

    一部三相 Y 連接同步發電機之額定為 60 MVA、13.8 kV、0.8 PF 落後,60 Hz。其每相同步電抗為 1.2 Ω,電樞電阻可忽略。

    (一)此同步發電機之電壓調整率為何?(10 分)

    (二)發電機若維持在額定狀況下運轉。但內部生成電壓 EA 因激磁調整而下降 10%,則激磁調降 10%後的電樞電流 IA 將為何?(15 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考查三相同步發電機之相量分析、電壓調整率推算,以及並聯於系統(維持額定電壓與額定有功功率)下調整激磁電流對內部電勢、功角與電樞電流之影響。解題核心在於確立有功功率恆定時激磁電動勢垂直分量不變之物理特性,進而求解激磁降低後的新電流相量。

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  4. 4

    如圖二所示之單相全控式固態直流機驅動系統,含一部額定輸入電壓180 V、輸出功率 5 馬力的它激式直流馬達,電樞電阻 Ra = 0.25 歐姆,電樞電感 La,磁場電流 if,額定滿載電樞電流 20 安培,由一單相全控式相位控制整流器驅動。以交流電源正弦波由負轉正之零交越點為基準的觸發角零度,當開關 S1 與 S3 觸發角為時,則 S2 與 S4 的觸發角為 + 。若其交流側弦波電源電壓之均方根值為 Vs = 220 V,假定電樞電感 La 夠大且足以使電樞電流連續,可忽略漣波,且開關元件壓降亦可忽略。此時整流器的輸出電壓 EA 與觸發角的關係式如下:E A  (2 2Vs cosα) / π

    (一)在額定激磁場電流及滿載電樞電流運轉時,觸發角為 45°,轉速為800 rpm。此時的平均電樞電壓 EA 與反電勢電壓(Back electromotive force)Eg 應是多少?(10 分)

    (二)若在額定激磁場電流及額定滿載下,欲使馬達轉速控制為 1000 rpm,此時的平均電樞電壓 EA、反電勢電壓 Eg 與觸發角應為多少?(15 分)S1 S2 ia is Ra交流電源VS EA eLa La if S4 S3 Eg Lf Vf圖二 單相全控式固態直流機驅動系統圖

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題是單相全控整流器驅動它激式直流馬達的穩態計算:由觸發角求平均電樞電壓 EA,再由 EA=Eg+IaRa 求反電勢;第二小題利用激磁固定時 Eg∝n 求新轉速下的 Eg、EA,再反推觸發角 α。

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110 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    一個方型鐵芯磁路平均長度 60 cm,截面積 150 cm2,鐵芯上繞有一組200 匝線圈,鐵芯激磁特性區線如圖一所示。(每小題 5 分,共 20 分)

    (一)計算線圈需多少安培電流才能在磁路產生 0.015 韋伯(Wb)磁通。

    (二)計算此時鐵芯的相對導磁係數(relative permeability)  r 。

    (三)計算此時線圈電感量 L。

    (四)計算此時線圈儲能多少焦耳。1.25 Flux density B(T) 1.0 0.75 0.5 0.25 50 100 200 300 500 1000 2000 Magnetizing H ( A  T/ m) int ensity H(A∙T Magnetizing intensity / m)圖一、鐵芯激磁特性區線

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考非線性鐵心磁路的基本計算:由磁通求磁通密度 B,從激磁曲線讀出磁場強度 H,再求磁動勢與電流、相對導磁係數、電感與儲能。關鍵在正確讀圖(橫軸為對數刻度)。

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  2. 2

    對於直流串激電動機:(每小題 5 分,共 10 分)

    (一)試繪出直流串激電動機的等效電路。

    (二)試以公式說明此電動機為何具有高啟動轉矩特性。

    (10 分)

    參考架構・破題

    本題考查直流串激電動機之等效電路架構及啟動轉矩物理機制推導。解題核心在於清楚呈現電樞與串激磁場繞組之串聯關係,並利用電磁轉矩與磁通及電樞電流之乘積關係,推導出未飽和時轉矩與電流平方成正比之關鍵公式,進而論證高啟動轉矩特性。

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  3. 3

    下表為一個單相、50 kVA、60 Hz、2,400/240 V 配電變壓器的短路(SC)與開路(OC)實驗測試結果。電壓(V) 電流(A) 功率(Watt)開路實驗,在一次側進行 VOC =2,400 IOC =0.541 POC =186短路實驗,在一次側進行 VSC =168 ISC =20.8 PSC =650

    (一)繪出轉換到一次側的等效電路,計算其中各電路元件參數,並標示於等效電路上。(10 分)

    (二)若此變壓器二次側操作在全載、功率因數 0.8 落後、端電壓 240 V,試計算此變壓器的效率與電壓調整率(V.R.%)。(15 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題給定單相變壓器開路與短路試驗數據(皆在一次側 2,400 V 進行),要求求出參考一次側的近似等效電路參數,再計算額定負載、0.8 落後功因下的效率與電壓調整率。

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  4. 4

    一部三相、460 V、60 Hz、4 極、Y 接線感應電動機有以下等效到定子側的單相等效電路參數,包含鐵芯損失的總旋轉損失為 1 kW。R1=0.3  ,R2=0.3  ,X1=1.0  ,X2=1.0  ,XM=25 若此感應電動機操作轉差率為 3%,試計算: (每小題 5 分,共 25 分)

    (一)轉子轉速多少 rpm?

    (二)轉子感應電流頻率多少 Hz?

    (三)定子電流與功率因數(power factor)。

    (四)轉子輸出轉矩多少 kg-m?

    (五)感應電動機效率。

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題是三相感應電動機單相等效電路的標準計算:由轉差率求轉速與轉子頻率,再解等效電路得定子電流、功因,依功率流程求氣隙功率、轉換功率、輸出功率、轉矩與效率。

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  5. 5

    一部三相、1.5 MVA、2.3 kV、60 Hz、30 極、Y 接線凸極式轉子(salient pole rotor)同步電動機,直軸電抗為 Xd=1.95  /每相、交軸電抗為 Xq=1.4  /每相,電樞電阻忽略不計。此電動機以額定電壓、額定容量、功率因數(power factor)1.0 運轉,所有損失均不計。

    (一)說明直軸電抗 Xd 為何大於交軸電抗 Xq。(5 分)

    (二)計算電樞感應電壓(induced armature voltage, E A )與功率角(power angle,  )。(10 分)

    (三)計算運轉輸出轉矩多少 N-m。(5 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考凸極式同步電動機的雙反應理論:先說明直軸與交軸磁阻不同造成 Xd>Xq,再用雙反應相量法求內電勢 EA 與功率角 δ,最後由輸入功率與同步轉速求轉矩。

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109 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    下圖所示之線性機(Linear machine)磁通密度B為0.5 T,方向進入紙面,電阻0.25 Ω,導體長=1.0 m,電源電壓VB為100 V。試求:

    (一)啟動時之初始力與初始電流為何?(10分)

    (二)若加一30 N反運動方向之力於導體,則新的穩態速度為何?(10分)t =0 0.25 Ω i B=0.5 T VB=100 V 1.0 m

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  2. 2

    一台20 kVA,440/120 V的單相變壓器,經由適當接線用來連接560 V電源並供應440 V的負載,假設此變壓器為理想變壓器,且絕緣等級為600 V以上。試求:

    (一)試繪出變壓器的接線方式以滿足上述需求。(10分)

    (二)求在此配置下變壓器的kVA額定?(5分)

    (三)自耦變壓器的最佳使用時機為何?(5分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題是把雙繞組變壓器改接成降壓自耦變壓器:560 V=440 V+120 V,因此 120 V 繞組當串聯繞組、440 V 繞組當共用繞組。重點在接線極性正確,以及「導電傳遞」讓容量放大。

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  3. 3

    一部300 hp,440 V,560 A,800 r/min 分(並)激式直流電動機,其測試之資料如下:轉子堵住試驗: VA = 15 V 扣除電刷電壓 VF = 440 V IA = 500 A IF = 7.6 A無載運轉: VA = 440 V 包含電刷電壓 IF = 7.5 A IA = 23.1 A n = 800 r/min(其中VA:電樞電壓,IA:電樞電流,VF:激磁電壓,IF:激磁電流,n:轉速)假設電刷壓降2 V,鐵損是在電樞電壓等於滿載下之電樞電壓下求得,雜散損失為滿載時之1%,試求額定滿載時:

    (一)輸入功率。(5分)

    (二)輸出功率。(10分)

    (三)效率。(5分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題是直流分激電動機的功率流與損失分析:先由堵轉試驗求電樞電阻,再由無載試驗求旋轉損失,最後逐項加總滿載損失求輸出與效率。

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  4. 4

    一石化廠利用製程的剩餘蒸氣作為汽電共生廠發電機的動力來源,其安裝了三部10 MW的汽渦輪發電機組,其中發電機的額定4.16 kV,12.5 MVA,60 Hz,0.8 PF落後之兩極Y接同步發電機,同步電抗為1.2 Ω且電樞電阻為0.04 Ω。發電機1和發電機2的實功率-頻率特性曲線斜率為6 MW/Hz,發電機3之斜率為7 MW/Hz。

    (一)假設三部發電機之無載頻率皆調至61 Hz,當系統運轉頻率為60 Hz時,此三部發電機的實功輸出為何?(10分)

    (二)在此狀況下若任何一部發電機之額定均不超過,則三部發電機可供應之最大功率為多少?(10分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考同步發電機並聯運轉的實功率-頻率(調速器下垂)特性:各機輸出 P=s_P×(f_nl-f_sys),系統頻率由總負載決定;最大供電量由最先到達額定的那部機組決定。

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  5. 5

    一部100 hp,460 V,四極,Y接三相感應電動機,其每相等效至定子側的等效電路參數如下:定子電阻與電抗:R1 = 0.06 Ω,X1 = 0.32 Ω,轉子電阻與電抗:R2 = 0.035 Ω,X2 = 0.39 Ω,激磁電抗:XM = 9.3 Ω。摩擦與風阻損失:PF&W = 650 W,雜散損失Pmisc = 150 W,鐵損Pcore = 600 W。當轉差率s = 0.02時,試求:

    (一)線電流IL。(10分)

    (二)氣隙功率PAG。 (5分)

    (三)感應轉矩τind。 (5分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題是三相感應電動機標準等效電路計算:以每相電路求輸入阻抗與線電流,再以轉子側等效電阻求氣隙功率,最後除以同步角速度得感應轉矩。

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108 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    磁路的結構示意如下圖所示,線圈匝數 N1 = 200 匝、N2 = 100 匝,在磁路中,鐵心的截面積 Ac 與氣隙的截面積 Ag 相等,Ac=Ag=15 cm2,鐵心的磁路平均長度 A c =15 cm,鐵心的導磁係數為 60μ0 ,空氣的導磁係數μ 0= 4π × 10 −7 H / m ,氣隙 g = 3 mm。忽略線圈漏磁效應及氣隙邊緣效應。在下圖中,電流 i1 =8 A、i2 =10 sin 1000t A,計算氣隙的磁通密度。 (20 分)i2 N2 g N1 i1

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  2. 2

    電流變壓器(current transformer)或比流器的電流比為 800 A:5 A,頻率為 60 Hz,等效至高電流側的等效電路如下圖所示,Xm = 18 mΩ、X1 = 80 μΩ、X2 = 80 μΩ、R1 = 20 μΩ、R2 = 20 μΩ,低電流側的負載電阻 Rb= 2 Ω。若高電流側電流 Iˆ1 = 600∠0D A ,計算低電流側電流 Iˆ2 = I 2∠θ 2 A (答案數值寫至小數點第 3 位) 。(20 分)R1 X1 X2 R2 Iˆ1 Iˆ2′ Iˆ2 Xm Rb N1 N 2

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  3. 3

    某三相、460 V(線電壓)、8 極、Y 接的感應電動機,每相等效至定子側的等效電路如下圖所示,在頻率為 60 Hz 的參數如下:R1 = 0.27Ω、R2 = 0.60 Ω、X1 = 1.20Ω、X2 = 1.80 Ω、Xm = 18 Ω;若電源的頻率為 100 Hz,電壓為 460 V(線電壓)操作,試求最大電磁轉矩及最大電磁轉矩時的轉速。(20 分)R1 X1 X2 + Iˆ Vˆ1 Xm R2 s −

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  4. 4

    某三相、380 V(線電壓) 、60 Hz、Y 接的非凸極型同步發電機,每相等效同步電抗為 jXs = j2.5 Ω,忽略電樞電阻及同步發電機的損失。當輸出電壓為 380V(線電壓) ,輸出總實功率為 40 kW,功率因數為 1.0,此激磁場繞組的電流為 100 A。試求:

    (一)輸出電壓為 380V(線電壓) ,輸出總實功率為 40 kW,功率因數為 0.8領前,計算激磁場繞組的電流。(10 分)

    (二)輸出電壓為 380V(線電壓) ,輸出總實功率為 40 kW,功率因數為 0.8滯後,計算激磁場繞組的電流。(10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考圓柱型同步發電機的相量圖:在固定輸出電壓與實功率下改變功率因數,求所需的內電勢 E_A,再依「忽略飽和、E_A 與激磁電流成正比」換算激磁電流。

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  5. 5

    某分激式(並激式)直流電動機的電樞電阻為 0.1 Ω、激磁場繞組電阻為 50 Ω;當電源電壓為 125 V 操作,無載時轉速為 1800 轉/分,忽略旋轉損失。試求:

    (一)加入機械負載,電源電壓為 125 V,電源電流為 100A,計算轉速及電磁轉矩。(10 分)

    (二)調整電源電壓為 100V,電磁轉矩維持如(一)條件,計算轉速及電源提供功率。(10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考分激式直流電動機的穩態方程式 V=E_A+I_A R_A、E_A=Kφω、τ=KφI_A:以無載點求 Kφ,再處理加載與降壓兩種狀況。降壓時磁場繞組同受影響,是本題關鍵。

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107 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    磁阻電磁裝置之電磁產生轉矩表示式為:1 dL(θ ) T (θ ) = i 2 2 dθ如圖一所示之電磁裝置,其磁阻特性為:R (θ ) = 10 5 (1 + θ ), θ (radian) < 0.5π忽略鐵心之損失,設線圈匝數為 N = 100 ,電流為 i = 10 A ,求於θ = π/ 4 處之:

    (一)電磁產生轉矩 T ( π/ 4) 。(7 分)

    (二)線圈電感 L( π/ 4) 。(6 分)

    (三)磁路之共能(Co-energy)Wc ( π/ 4) 。 (7 分)圖一

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  2. 2

    有一單相變壓器 10 kVA,2200/220 V,60 Hz,其標么等效電路如圖二所示,求:

    (一)在滿載及功率因素 cosθ = 0.6 落後下之電壓調節率。(5 分)

    (二)最大電壓調節率。 (5 分)

    (三)於功率因素 cos θ = 0.8 落後及 80%額定負載下之效率。(5 分)

    (四)最大效率。(5 分)圖二全一張(背面)

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  3. 3

    有一 6 V 永磁直流馬達,其參數為: Ra = 7 Ω, L a = 120 mH ,轉矩常數 KT = Kaφ = 1.41×10−2 N - m/A,反電動勢常數 Kω = K aφ = 1.41× 10− 2 V - s/rad 。將其接至Vt = 6 V 直流電源,空載時,電樞電流 I a = 0.15A 。求:

    (一)空載轉速。 (5 分)

    (二)空載轉矩及馬達之機械摩擦係數。(5 分)

    (三)設加上負載轉矩 TL = 4.5 × 10 − 3 N − m ,而欲轉速為 3300 rpm,求Vt 。(5 分)

    (四)如此馬達利用直流-直流降壓轉換器由 12 V 直流電源供電,此轉換器操作於連續導流模式,求脈寬調變責任周比(Duty-ratio) 。(5 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考永磁直流馬達的電氣與機械方程:V_t=I_a R_a+K_ω ω、T=K_T I_a、T=T_L+Bω,再結合降壓轉換器 V_o=D V_in。電感在穩態直流計算中不影響結果。

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  4. 4

    如圖三所示,一部三相鼠籠式感應電機(250 kW, 460 V, 60 Hz, 8-pole),由風渦輪機帶動。其單相等效電路參數為:R1 = 0.015 Ω, R2′ = 0.035 Ω, X1 = 0.145 Ω, X 2′ = 0.135 Ω, X m = 6.5 Ω此感應電機經饋線( 0.01 Ω + j 0.03 Ω )接至 460 V/60 Hz 之無窮匯流排。風渦輪機帶動感應電機使其轉差率為 s = − 0.025 (負值) ,求:

    (一)風渦輪機之轉速。 (3 分)

    (二)感應電機之相端電壓。(8 分)

    (三)送至無窮匯流排之實功及功率因數。(6 分)

    (四)設感應電機之鐵損及旋轉損失為 3 kW,求此系統之效率。(8 分)圖三

    (25 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  5. 5

    如圖四所示,有一部三相 Y-接隱極式(Non-salient pole)同步發電機:5 kVA, 60 Hz, 208 V, 4-pole, Ra = 0.0, X s = j8 Ω 。將其接至三相 60 Hz, 208 V 之無窮匯流排。

    (一)同步發電機送往電網之實功為 P = 3 kW,功率因數 = 0.6 落後,求此發電機之磁化電壓 E f ∠δ f 。(8 分)

    (二)維持激磁電流不變,將原動機之輸出慢慢提升,求此發電機之可輸出最大功率Pmax 。(4 分)

    (三)將激磁電流提高 10%,重新求 Pmax 。(3 分)圖四

    (15 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

106 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    一部外激式(separately excited)直流電動機,推動固定負載轉矩,運轉於基準轉速(base speed)。若電樞電壓不變,僅調降磁場電流,用直流電動機的等效電路和外部特性曲線說明轉速與電樞電流會如何變化。(25 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考外激式直流電動機的弱磁調速:電樞電壓固定、降低磁場電流使磁通 φ 減少,轉速升至基準轉速以上;要用等效電路方程說明暫態與新穩態,並用轉速-轉矩特性曲線圖示。

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  2. 2

    用比流器(current transformer)量測電流時,二次側連接至電流表。用變壓器的等效電路說明,比流器的二次側不可以開路。 (25 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    比流器的一次側串接在線路上,一次電流由負載決定、不受二次側影響;正常時二次電流產生的反向磁動勢抵消一次磁動勢。二次開路後這個抵消消失,鐵心嚴重飽和並感應高電壓,因此不可開路。

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  3. 3

    一部三相同步機併入電力系統作為同步電容使用,說明同步機併接於電力系統的條件與步驟,以及要如何調整才能使此同步機提供最大虛功率。(25 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    同步電容機是空載運轉的同步電動機,靠調整激磁電流改變吸收或供應的無效功率。作答分三段:併聯條件、併聯(起動)步驟、過激調整並說明最大虛功率的限制。

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  4. 4

    一部三相 220 V,10 hp 之感應電動機驅動固定轉矩負載。用感應電動機的等效電路與轉矩對轉速特性曲線說明,若負載轉矩提高為原來的兩倍,轉速和定子繞組電流會如何變化?(25 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    感應電動機在正常運轉區(低轉差率)轉矩約與轉差率成正比;負載轉矩加倍時,只要仍小於崩潰(最大)轉矩,轉差率約加倍、轉速略降,轉子電流與定子電流都增加。

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105 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    (一)有一磁路及其有關尺寸如圖一(左)所示,其鐵心之理想化 B-H 特性曲線示於圖一 ( 右 ), 線 圈 匝 數 N=300 , 磁 路 之 磁 通 密 度 為 B=1.4(T) , 自 由 空 間 導 磁 率μ 0 = 4π × 10 −7 (H/m) ,求:相對導磁係數 μ r 及此線圈之電感值 L。 (10 分)50 cm g B (T) 4 cm 1.4 g = 0.5 cm 1.2深度=10 cm 20 cm L N = 300 4 cm 0 200 600 H (A/m) 4 cm g 4cm圖一

    (二)有一電磁裝置之電磁產生轉矩表示式為:dL Te = 0.5i 2 , L (θ ) = L1 + L2 cos θ = 5 + 10 cos θ ( mH ) . dθ o求當線圈激磁電流為 i = 2 sin ωt ( A ) 及θ = 45 時之電磁產生轉矩 Te ,以及轉矩之平均值 Te , av 。(6 分)

    (16 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  2. 2

    (一)有一 300 V, 60 A, 1200 rpm 直流串激馬達,如圖二所示,電樞電阻 Ra = 0.2 Ω ,串激場繞組電阻 Rsf = 0.2 Ω,忽略電樞反應及馬達之旋轉損失。當分流電阻 Rd = 0.1 Ω接上後,馬達之產生轉矩變為原有之兩倍,求 Rd = 0.1 Ω 接上後之電樞電流、轉速 n(或 ω r )及轉換效率。(15 分)

    (二)將直流串激馬達施以交流電,其電磁產生轉矩特性為何?(5 分)( 0 . 1 Ω) Rd P Pi Pout Prot = 0 a Ra Ia It ( 0 . 2 Ω) R sf I f ( 0 . 2 Ω) Vt Ea (300V ) T n圖二全一張(背面)

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  3. 3

    (一)有一單相變壓器 10 kVA, 2200/220 V, 60 Hz,其最大效率 η max = 0.9715發生在功因cos θ = 1 及 68.2% 額定負載下,求:(a)鐵損 Pc;(b)額定負載下之銅損 Pcu;(c)於功因 cos θ = 0.6 落後及 75% 額定負載下之效率。(14 分)

    (二)請敘述圖三所示之變壓器於開關 SW 投入加壓以及開關 SW 打開除壓時之暫態產生情形。(6 分) Transformer SW is (t ) φ (t ) + + + v2 (t ) v s (t ) ~~ v1 (t ) - - -圖三

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  4. 4

    一部三相鼠籠式感應馬達(480 V, 60 Hz, 4-P, 1755 rpm)如圖四(左)其單相等效電路及參數如圖四(右)所示,忽略馬達之磁化支路及旋轉損失。求:

    (一)滿載轉差率。(2 分)

    (二)啟動電流及啟動轉矩。(8 分)

    (三)滿載下之轉矩及效率。(8 分)

    (四)產生最大轉矩下之轉差率 sTmax 及轉矩 Tmax 。(6 分)I1 0 . 15 Ω j 0 .9 Ω I 2′ j1 . 3 Ω + Iφ Three - Three - phase phase 480V 0 . 25 480V/60Hz 480V/60Hz 1755rpm 3 j 21 Ω Ω 50 Ω s -圖四

    (24 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  5. 5

    有一部三相 Y-接隱極式(Non-salient pole)同步發電機:500 MVA, 60 Hz, 25 kV, Ra = 0.0, X s = 1.0 pu 。將其經由一具線電抗為 X e = 0.5 pu 之饋線接至三相 60 Hz, 25 kV之匯流排。同步發電機之端電壓一直維持在 25 kV(1 pu),發電機送往電網之實功為P = 0.8 pu,求:

    (一)此發電機之線電流及功率因數。 (10 分)

    (二)此發電機之磁化電壓 E f ∠δ f 。(7 分)

    (三)對於同步發電機,藉由激磁電流之調整,可調控其什麼特性?(3 分)P = 0.8pu Vt jXe Ia V∞ Vt V∞ ( 25kV) jXe ( 25kV) Ia jXs Vt =1∠δ e E f ∠δ f V∞ = 1∠0 o圖五

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

104 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    如圖一所示之磁路,假設鐵心之導磁率為無窮大(μc → ∞ ),平均磁路長度lc = 20 cm ,氣隙長度 g = 0.2 cm ,氣隙截面積 A g = 5 cm 2 ,氣隙之導磁率(permeability)為μ0 = 4π × 10 − 7 H/m ,繞組之匝數 N = 500 匝,

    (一)試求該繞組的電感值 L。(5 分)

    (二)若繞組通以一直流電流 i = 5 A ,則氣隙中儲存的磁能為何?(10 分)磁力線 平均磁路長度 lc L 氣隙 μ0長度 g 氣隙截面積 Ag N 匝 μc → ∞圖一

    (15 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  2. 2

    一部 480 V(線電壓)、四極、Y 接、60 Hz、額定輸出 10 kW 之三相感應電動機,其每相等效電路及參數如圖二所示。當此電動機以外力帶動,以 1900 rpm 高於同步轉速運轉,即運轉於發電機模式(generator mode)時,

    (一)計算轉差率 s 之值。(5 分)

    (二)計算線電流 I(大小及相角)。(10 分)

    (三)此感應發電機送入電源的三相有效功率。(5 分)

    (四)此感應發電機從電源吸收的三相無效功率。(5 分)1.8 Ω j4 Ω + I 15 Ω j4 Ω V 3 1.5 j100 Ω Ω − s圖二全一張(背面)

    (25 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  3. 3

    如圖三所示,一部 230 V 之直流並激電動機之電樞電阻為 0.15 Ω,當該電動機由230 V 之直流電源供電時,電樞電流為 75 A。如果負載轉矩及磁場電阻的設定都保持不變,在插入一 0.9 Ω 之外加電阻與電樞串聯之後,(每小題 10 分,共 20 分)

    (一)計算該電動機之電樞電流。

    (二)計算該電動機之轉速為原轉速的百分比。0.15 Ω Ia + 0.9 Ω 230 V If −圖三 直流並激電動機之等效電路

    (20 分)

    本題含圖表或公式,請對照原卷 PDF。

  4. 4

    一部 20 kVA、2400/240 V、60 Hz 之單相配電變壓器,其開路及短路試驗之紀錄如下表所示:(每小題 10 分,共 20 分)電壓(V) 電流(A) 功率(W)高壓側開路,自低壓側所測得之數據 240 1.066 126.6低壓側短路,自高壓側所測得之數據 57.5 8.34 284

    (一)繪出該變壓器低壓側之等效電路,並標註所有電路元件之阻抗歐姆值。

    (二)當此變壓器供應額定電壓、功因 0.8 落後的滿載電流時,其效率為何?

    (20 分)

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  5. 5

    一部 14 極、三相 Y 接、額定 120 MVA、13.2 kV、60 Hz、功因 0.8 落後,水輪驅動之凸極式同步發電機,其每相之直軸及交軸電抗分別為 X d = 0.62 Ω 及 X q = 0.4 Ω 。所有的轉動損失皆可忽略,當此發電機工作在額定條件下,(每小題 10 分,共 20 分)

    (一)計算發電機的功率角(power angle) δ 。

    (二)計算每相的電樞電壓(excitation voltage)Ea。

    (20 分)

    參考架構・破題

    凸極式同步發電機要用雙反應理論:先以 E'=Vφ+jXqI 找出 E_A 的方向(即功率角 δ),再把電流分解為直軸、交軸分量,以 E_A=Vφ+jXdId+jXqIq 求激磁電壓大小。

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103 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    一個簡單的單相系統藉由二台單相變壓器順序串接後組成,其等效電路(各台變壓器的串聯阻抗標么值均以該變壓器自身之額定量為基準)及相關電路參數如下圖所示,若電路中變壓器的鐵損與所需的激磁電流均甚小而可以忽略的話,則試求出本電路中由電源 Vs 所提供的總功率 Ss 為多少(請標示正確之單位)?(25 分)Ss zs zline Vs zload

    (25 分)

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  2. 2

    以一台額定為 2.0 kW 之直流並激式(Shunt excited)電動機而言,可以透過改變激磁電流或是電樞線圈輸入電壓的大小來達到控制速度的目的。若該電動機之磁場電阻為 250 Ω,電樞電阻為 0.5 Ω,輸入端電壓為 125 V,且轉軸連接一額定功率之機械負載時,此電動機的轉速將為 1494 rpm(轉/分)。假設轉軸之摩擦及風阻等機械損失可以忽略,試問此電動機在輸出額定負載時的電樞電流為多少 A?(15 分)若希望在輸出額定負載時能夠將電動機的轉速提升為 1500 rpm,試問此時應將輸入端電壓自原有之 125 V 調整為多少 V?(10 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考直流並激電動機的功率平衡與調速。第一小題用「機械損失可忽略 → 輸出功率等於電磁轉換功率 Ea·Ia」列出二次方程式解電樞電流;第二小題利用反電勢與轉速成正比,求調速後所需電樞電壓。

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  3. 3

    一台三相四極,380 V, 60 Hz, 22 kW 之感應電動機具有以下的等效電路參數(等效至定子側):rs = 0.35 Ω,rr' = 0.35 Ω,xs = 0.8 Ω,xr' = 0.8 Ω,xm = 600 Ω,且可忽略其鐵心及轉動機械損失。當供應額定電壓及頻率之電源至此電動機時,試求此感應電動機之啟動定子電流大小?(15 分)若將此一感應機應用至風力發電系統,並透過齒輪組帶動使其轉速達到 1890 rpm(端電壓仍維持額定值),則此時的定子線圈輸出之三相實功率為多少 W?(10 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考感應機等效電路的兩個工作點:啟動(s = 1)求定子電流,以及轉速高於同步速(s < 0)時作為感應發電機的輸出功率。關鍵在相電壓、滑差與並聯阻抗的正確計算。

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  4. 4

    將一個 208 V, 60 Hz 且每相等效同步電抗為 0.88 Ω 之三相同步發電機連接至負載側並提供額定電壓時,該同步機將可提供 9 kW,功率因數為 0.9 滯後的輸出(假設定子線圈電阻遠小於同步電抗,而電機之激磁場、機械與鐵芯損失亦可以忽略)。試求此時該同步發電機之電壓調整率(15 分)及效率(10 分)各為多少%?

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題考圓柱型同步發電機的相量圖:由端電壓、負載電流與同步電抗求內電勢 EA,再算電壓調整率;效率則是陷阱題,題目已假設所有損失可忽略。

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102 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    設有一「ㄇ」型電磁鐵,截面積為 50 cm2,其上繞有 200 匝的線圈,線圈總電阻值為 3 Ω。將該電磁鐵用來舉起一 100 公斤重的厚鐵板,電磁鐵與厚鐵板的兩接觸面因鐵板表面粗糙而形成兩處長度為 0.2 cm 的氣隙。設自由空間的導磁係數μ0 為4π×10-7 H/m,若不計電磁鐵以及厚鐵板的磁阻,試求應施加於電磁鐵線圈的最小電壓值。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考磁路與電磁吸力:U 型電磁鐵吸住鐵板形成兩個串聯氣隙、兩個吸力面。由所需吸力反推氣隙磁通密度,再以安培定律求磁動勢、電流與電壓。

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  2. 2

    考慮旋轉電機(直流機、交流機)的兩種繞組:電樞繞組、磁場繞組。試說明該兩種繞組的功能並比較直流機與交流機在裝設該兩種繞組位置的差異,以及分析兩種交流機(同步發電機、感應電動機)在轉子構造、轉子繞組、機械轉速的不同。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題為觀念申論,先定義電樞繞組(感應電勢、承載負載電流、進行能量轉換)與磁場繞組(建立主磁通),再比較直流機與交流機的裝設位置,最後比較同步發電機與感應電動機的轉子。

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  3. 3

    設有一230 V 外激式(separately excited)直流電機,其電動勢常數K=212.21 V.s/Wb.rad、電樞電阻 Ra =0.278 Ω、每極之磁通為 0.01 Wb。將端電壓 Vt 設定為 230 V 且電樞電流 Ia 設定為 36 A 情況下,試計算若作為發電機運轉時之轉速,若作為電動機運轉時之轉速,以及若作為電動機輸出 10 HP 至機械負載時之旋轉損失。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考外激式直流機的電勢方程式 Ea = KΦω,同一組端電壓與電樞電流下,發電機與電動機的 Ea 差別在電樞壓降的加或減,再由功率平衡求旋轉損失。

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  4. 4

    設有一 Y 接、二極、60 Hz、13.8 kV、10 MVA、功率因數 0.8 落後之同步發電機,其同步電抗為每相 10 Ω,電樞電阻為每相 2.0 Ω。此發電機與大型電力系統(無限匯流排)並聯運轉。試求此發電機運轉在額定運轉下之內電壓與轉矩角,以及若磁場電流為定值且可忽略電樞電阻情形下此發電機之最大輸出功率。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考同步發電機接無限匯流排的相量計算:額定運轉下由 EA = Vφ + (Ra + jXs)IA 求內電壓與轉矩角;忽略電樞電阻後以 P = 3EV sinδ/Xs 求靜態穩定極限功率。

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  5. 5

    設有一 50 HP、460 V、60 Hz、865 rpm 的三相感應電動機,連接至三相、460 V、60 Hz 的電源,於額定輸出下運轉,此時輸入功率與輸入電流分別為 43.75 kW 與 61 A。已知換算至定子側的每相等效電路參數 R1 =0.15 Ω,且在額定轉速時的旋轉損失為1050 W。試求此電動機滿載時的功率因數及效率、轉子銅損、鐵損。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題考三相感應電動機的功率流:由輸入功率、電流求功因與效率,再由轉速判定極數與滑差,經氣隙功率分配求轉子銅損,最後以功率平衡反推鐵損。

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