船用電學與自動控制 申論題歷屆試題與參考架構
高考三級，民國 103～115 年共 13 份試卷、55 題，其中 50 題附參考答題架構。考這一科的類科：輪機技術。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。
115 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請說明自動電壓調整器（AVR）的主要功能，以及其在發電機並聯運轉中的角色。（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
AVR 是藉由偵測發電機端電壓並調整激磁電流，使輸出電壓維持在設定值的自動控制裝置；並聯運轉時，它還影響各機之間無效功率（虛功率）的分配，作答應同時交代單機與並聯兩個層面。
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- 2
船用交流發電機常見之保護裝置包括外部短路保護、過載保護、欠壓保護與逆功率保護，請說明這些保護裝置主要的功能。（25 分）
（25 分）
- 3
請比較開迴路控制與閉迴路控制在船舶設備控制上的差異，並說明為何機艙重要參數多採閉迴路控制。（25 分）
（25 分）
- 4
針對船用柴油機冷卻水溫度控制系統，請說明此一回授控制系統的基本組成單元，並請說明各單元的作用。（25 分）
（25 分）
114 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
某單相交流負載接於電壓為 220 V、頻率為 60 Hz 的電源上，電流為。請計算該負載的⑴有效功率（P）10 A，功率因數為 0.8（滯後） 、⑵視在功率（S）、⑶虛功率（Q）。 （所有答案請標示單位符號） （25 分）
（25 分）
- 2
某變壓器的一次側繞組匝數為 1200 匝，二次側繞組匝數為 400 匝。若一次側輸入電壓為 360 V，接上一個負載，試求：⑴匝數比（Turns Ratio）、
⑵二次側輸出電壓、⑶若負載電流為 15 A，計算一次側電流（假設為理想變壓器）⑷分析匝數比對電壓、電流與功率的影響。（25 分）
（25 分）
- 3
在機艙無人當值（Unattended Machinery Space, UMS）模式下，船舶機艙運作雖無人持續駐守，但必須確保設備自動化、監控系統完整、緊急應變迅速。請說明實施 UMS 時應注意的重點事項。（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
機艙無人當值（UMS）並非機艙無人管理，而是以自動化、監測、警報與遠端值班取代常駐人員。作答重點是「設備可靠、監控完整、警報傳遞、應變準備、人員責任」。
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- 4
如下圖之惠斯頓電橋電路，假設 V1 = 100 V，R1 = 100 Ω，R2 = 200 Ω，R3 = 200 Ω，R4 電阻未知，R5 = 100 Ω，在 R5 電阻上量測不到任何電壓或電流，此時 R4 電阻值應該是多少歐姆？（25 分）
（25 分）
113 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
圖 1 為一個三相平衡電路的單線圖，電源（source）為正相序（positive sequence）且∆連接，若電源的線電壓 為207.85∠30° V-rms，試計算
（一）流經輸電線（line）之 B 相的線電流相量。（7 分）
（二）匯流排 2 負載端之 C 相的相電壓相量。（6 分）
（三）匯流排 2 負載端之 A 相和 B 相間的線電壓相量。（6 分）
（四）流經 ∆連接負載（意即 Load 1）的電流相量。（6 分）圖1
（25 分）
- 2
有一直流並激發電機在 10 Ω 滿載下提供 20 A 線電流。若電樞電阻為 0.5 Ω，並聯場電阻為 50 Ω，請計算該發電機內部產生的電壓、滿載效率及電壓調整率。（25 分）
（25 分）
- 3
船舶自動化設備是指用於實現船舶及其他海洋船舶上各種流程和操作自動化的系統和裝置。這些系統之目的是在提高效率、增強安全性並減少機組人員的工作量。因此，船舶作業中所使用的船舶自動化設備類型不同，請列舉五種並敘述之。（25 分）
（25 分）
- 4
簡化圖 2 之方塊圖，意即求解由 u 到 y 的轉移函數（transfer function）。假設 G1, … , G5 是純量轉移函數（scalar transfer function）。（25 分）圖2
（25 分）
112 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
何謂三相變壓器之銅損與鐵損？並說明其檢驗方式。（25分）
（25 分）
- 2
請說明船舶緊急電源系統的組成與功能，又，在船級協會中對於緊急電源系統之緊急供電時間有何重要規範？（25分）
（25 分）
- 3
某船舶電器之等效電路可以視為一個RL串聯電路，假設其輸入電壓Vs=10sin5t，電阻為2 Ω，電感量為0.2 H，試求該電源所提供之電流、平均功率與功率因數各為多少？（25分）
（25 分）
參考架構・破題
本題為 RL 串聯交流電路。將電壓寫成相量，求阻抗、電流、平均功率與功率因數。由 Vs = 10 sin 5t，得 Vm = 10 V、ω = 5 rad/s。
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- 4
請說明熱敏電阻、白金元件、熱電偶三種溫度感測器的差異（包含其工作原理、適用場合及優缺點）。（25分）
（25 分）
參考架構・破題
三種都是把溫度轉成電訊號的感測器，差別在於轉換機制：熱敏電阻與白金元件是「電阻隨溫度變化」，熱電偶是「兩種金屬接點產生熱電勢」。作答宜以原理、適用場合、優缺點三欄逐一對照，最後用表格或短結論比較。
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111 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請問兩台變壓器並聯運作時，必須滿足那些條件？若這些條件不滿足時，各會造成何種影響？（25 分）
（25 分）
- 2
在電子電路中，運作放大器（Operational Amplifier）是非常重要且常用的元件，請問理想的運作放大器具有那十項重要特性？（25 分）
（25 分）
- 3
請分別說明鼠籠型交流感應電動機與線繞型交流感應電動機起動時採用之起動方法及其原因。（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
感應電動機起動瞬間轉子靜止、轉差率為一，起動電流可達額定電流數倍。鼠籠型轉子無法外接電阻，故以降低端電壓方式限流；線繞型可經滑環外接電阻，兼顧限流與提高起動轉矩。
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- 4
考慮兩部相同三相交流發電機並聯運用時，請問什麼情狀下兩部發電機之間會產生無效循環電流？此無效循環電流對發電機有何影響？（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
兩部同型交流發電機並聯時，若各自感應電動勢大小不同，則兩機間形成循環電流；因該電流相位落後約九十度，只造成無功功率交換，不作有效功率傳遞，稱為無效（無功）循環電流。
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110 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
有一直流電動機的端電壓（ ）為 250 V、額定電流為 125 A、總電樞電阻（ ）為 0.15 Ω。請計算繼電器 1AR 至 3AR 的 ~ 電阻值以及其啟動電壓值，用以將電流限制為額定值的 200%。當電樞電流在每一階段達到電動機的額定電流時，繼電器 1AR 至 3AR 應該動作。（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
此為直流電動機多段電阻起動器設計題：起動瞬間反電勢為零，須以串聯電阻限制電流；電動機轉速上升、反電勢增加後，逐段切除電阻，使電流於最大值與額定值之間擺動。因原題公式與符號有缺漏，以下按標準設定（端電壓 250 V、額定電流 125 A、電樞電阻 0.15 Ω、起動最大電流為額定值 200％即 250 A）作答。
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- 2
有一三相交流電源 440 V、60 Hz 可提供三個負載分別為：三角形（Δ）連接 60 hp 三相感應電動機以 3/4 的額定輸出運轉，效率為 90%，功率因數為 94%落後；星形（Y）連接 75 hp 三相感應電動機，以其額定輸出的一半運轉，效率為 88%，功率因數為 74%落後；耗電量為 20 kW 的三角形（Δ）連接電阻加熱器。計算：
（一）該電源所提供的總實功率、總虛功率以及總視在功率；（各 3 分，共 9 分）
（二）合成負載（the combined loads）的功率因數；（4 分）
（三）線電流的大小值； （4 分）
（四）可將系統功率因數校正為 95%落後的星形連接的電容器組的電容值。（8 分）
（9 分）
參考架構・破題
本題考三相功率三角形與功率因數改善：先把各負載換成輸入實功率與虛功率逐項相加，再求合成功率因數、線電流，最後算 Y 接電容器組要補償的無效功率與每相電容值。
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- 3
考慮某一回授控制系統的方塊圖如下：( )= 1+ +請使用 Ziegler-Nichols 極限靈敏度法（Ultimate sensitivity method）來計算 PID 控制器的參數。（25 分）註：無須進行脈衝響應實驗（Impulse response experiment）來求 和 ，而可以使用以下公式：+2 + +1 = 1 1 （ + 2）（ + 1）1+ +2 + +1
（25 分）
- 4
考慮具有理想傳感器的閉迴路控制系統，其轉移函數具有形式如下：該系統與控制器 ( )一起的開迴路轉移函數的極點和零點如以下複數平面所示。
（一）請說明控制器參數的範圍，用以使此閉迴路控制系統能穩定運轉。（10 分）
（二）使用給定的控制器類型是否有可能達到μ ≥ 2的穩定裕度（Stability（15 分）margin）？請評估該控制器設計的可行性，並解釋其理由。
（25 分）
109 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請說明交流發電機在純電容性負載及純電感性負載兩種情況下，其電樞反應對主磁場的影響。（25分）
（25 分）
參考架構・破題
電樞反應是指電樞電流產生的磁場對主磁場（場磁極磁通）的影響，其性質取決於負載功率因數，也就是電樞電流與感應電動勢之間的相位關係。本題要分別說明純電感性（電流落後 90°）與純電容性（電流超前 90°）兩種極端情況，最好先交代純電阻性作為對照。
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- 2
一部三相交流感應電動機，連接外部電源60赫茲（Hz），440伏特（V），自外部電源輸入功率為55仟瓦（kW）。假設交流感應電動機為六極，其定子損失為2仟瓦（kW），定子經氣隙輸入轉子功率時，氣隙損失為3仟瓦（kW），此時轉子之輸出功率為49仟瓦（kW），試求電動機轉子速度及轉差率（slip）。（25分）
（25 分）
參考架構・破題
本題考感應電動機的功率流程（power flow）與轉差率關係：氣隙功率 Pag 中，比例 s 變成轉子銅損，比例 (1−s) 變成機械功率。關鍵在於先整理出「進入轉子的氣隙功率」再求 s 與轉速。
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- 3
下列布林代數式有A、B、C、D 四個變數。請證明下列布林代數式的等式成立。（25分）ABC BCD AC BD=AB C AD BD
（25 分）
- 4
船用柴油主機控制系統大致可分成四大類，包含電動式船用柴油主機控制系統、氣動式船用柴油主機控制系統、電－氣混合式船用柴油主機控制系統、微機式船用柴油主機控制系統。請分別說明此四大類控制系統的控制特性及優缺點。（25分）
（25 分）
參考架構・破題
主機遙控系統的核心在於把駕駛台的車鐘指令轉換成起動、換向、加減速與停車動作。四類系統差別在「訊號傳遞與執行媒介」：電、氣、電氣混合、微處理器。作答宜用統一的比較面向逐類說明，最後用表格總結。
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108 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
交流發電機工作目的主要是產生交流電動勢，基本原理為弗萊明右手定則（Fleming right hand rule），請說明該原理的內涵。並請說明感應式交流發電機頻率極數與轉速的關係。若一部三相感應電動機，其構造為六極 Y 接，輸入電壓頻率為 60 Hz，此感應電動機之額定輸出功率為 6 馬力，轉子轉速應為多少？（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
本題分三段：弗萊明右手定則（發電機定則）的內涵、交流電機頻率–極數–轉速關係式 f = PN／120，以及利用此式求感應電動機轉速。最後一小題要注意感應電動機轉速必低於同步轉速。
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- 2
以三燈式的同步調整燈進行發電機並聯之後的同步調整，請繪出其電路架構。並說明三個不同燈號亮滅（暗）對於電壓大小、電壓相位、頻率、相序之間的關係。（包含二明一滅、二明一暗、三燈皆滅、三燈皆暗、三燈輪流明滅、三燈輪流明暗等狀況）（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
並聯運轉前必須讓待併發電機與匯流排達到四個條件：電壓大小相等、頻率相等、相位一致、相序相同。三燈式同步燈利用兩側電壓差使燈泡亮暗，以燈號判斷四條件是否成立。作答要先畫電路，再逐一解釋各種燈號組合。
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- 3
船舶電力系統主要由電源、配電裝置、空氣斷電器，以及負載四大部分所組成。試說明其中配電裝置的組成單元及主要功能。對於主配電盤容量的選擇應考慮那些重點？（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
配電裝置是把發電機電能安全分配到各負載的樞紐，核心是主配電盤，另有緊急配電盤、分配電盤與岸電箱。答題分兩部分：組成單元與功能，以及主配電盤容量選擇考量。
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- 4
對 於 以 步 階 響 應 （ Step response ） 來 評 估 控 制 系 統 的 性 能 表 現（Performance） ，請說明上升時間（Rise time, tr） 、延遲時間（Delay time, td）、安定時間（Settling time, ts）、最大超越量（Maximum percentage、尖峰時間（Peak time, tp）overshoot, Mo） 、穩態誤差（Steady state error）各項物理量的定義並說明阻尼比（Damping ratio）與自然頻率（Natural frequency）對於該物理量的影響。（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
以標準二階系統 G(s) = ωn²／(s² + 2ζωn s + ωn²) 的單位步階響應為基礎，逐一定義暫態性能指標，並用公式說明阻尼比 ζ 與自然頻率 ωn 對各指標的影響。須畫響應曲線標出各量。
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107 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請回答下列問題：（每小題 10 分，共 20 分）
（一）請畫出串激式直流電動機速度與轉矩特性曲線圖，並請說明其速度與轉矩特性。
（二）請說明變壓器之一次側與二次側的電壓比，以及一次側與二次側的電流比，兩者與兩側之匝數有何關係？
（20 分）
參考架構・破題
第一小題考串激式直流電動機「高起動轉矩、轉速隨負載大幅變化」的特性；第二小題考理想變壓器電壓比等於匝數比、電流比等於匝數反比。兩題都要寫出關係式並說明原因。
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- 2
一部六極之長並激複繞式直流電動機，其電樞電阻為 0.08 歐姆，間極電阻為 0.02 歐姆，串激磁場電阻為 0.04 歐姆，現在對此電動機通以 400 伏特之外部端電壓，當電動機之電樞電流為 100 安培時，其滿載速度為 1,800 rpm，請問此時電動機之輸出功率為多少仟瓦？又若無載時之電樞電流降為 5 安培，磁通亦降至滿載值之 90%，則此時電動機之轉速為多少 rpm？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
長並激複激式直流電動機：分激場跨接於端電壓，串激場與電樞（及間極）串聯，所以電樞迴路總電阻＝電樞＋間極＋串激。先求反電勢，再以 P = EaIa 求內生（輸出）功率；無載轉速則用 n ∝ Ea／Φ 比例求解。
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- 3
針對交流發電機，請比較說明旋轉電樞型發電機與旋轉磁場型發電機的特性及優缺點。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
交流發電機只需導體與磁場有相對運動即可發電，依「哪一部分旋轉」分為旋轉電樞型與旋轉磁場型。答題重點在於電流經滑環引出的困難、絕緣與冷卻、機械強度與容量，最後說明為何大型及船用發電機幾乎都採旋轉磁場型。
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- 4
有一個數位邏輯電路，其中有四個輸入，分別為 A、B、C、D，只有一個輸出為 Y，假設此數位邏輯電路同時符合下列功能：
⑴假如 A 為 0，而且 C 為 0，則此時輸出 Y 為 1
⑵假如 C 為 0，而且 D 為 0，則此時輸出 Y 為 1
⑶其他情況下，輸出 Y 皆為 0請針對此一數位邏輯電路，回答下列問題：（每小題 10 分，共 20 分）
（一）做出此數位邏輯電路之真值表。
（二）利用卡諾圖（Karnaugh map）完成此數位邏輯電路化簡後之布林代數式。
（20 分）
參考架構・破題
依題意，Y = 1 的條件為「A = 0 且 C = 0」或「C = 0 且 D = 0」，其餘為 0。先列 16 列真值表找出最小項，再以四變數卡諾圖化簡，得到 Y = A'C' + C'D'。
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- 5
輔鍋爐自動控制系統中，請說明點火前之注意事項有那些？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
輔鍋爐點火最大的危險是爐膛內積存燃油氣體引起回火、爆燃，以及缺水乾燒。點火前注意事項應圍繞「水、油、風、安全裝置、爐膛清淨」五大面向，並說明自動控制系統的點火程序（預掃氣、點火、火焰偵測、失敗時鎖定）。
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106 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
在三相平衡系統中，某電動機採 Y 形接法，阻抗為 12＋j 16 Ω，線電壓為 380 V，試求此三相系統之⑴平均功率，⑵無功功率，⑶視在功率及⑷功率因數。⑸若將功率因數提高至 0.8 時，試求功率改善前後之負載總功率差值為何？（25 分）
（25 分）
- 2
為何船舶電力系統或電器設備需定期做絕緣阻抗量測？影響絕緣阻抗量測值的因素有那些？量測前須注意或準備事項為何？量測後須注意事項為何？（25 分）
（25 分）
- 3
請詳述感測元件「熱敏電阻」之工作原理。若欲遠端監測某工作物件之表面溫度，試利用熱敏電阻、固定電阻、電流表、直流電源等易取得之元件及設備，設計一簡易監測裝置，繪製其電路圖，並詳細說明調校方式及應注意事項。（25 分）
（25 分）
- 4
請詳述船舶全自動低速柴油主機遙控系統在主機啟動、重複啟動、應急啟動及運行中之換向時，邏輯控制器應做的判斷項目及動作。（25 分）
（25 分）
105 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
本題描述如下：
⑴下圖元件：PH 為光電開關、T1（設定 5 秒）與 T2（設定 8 秒）為 Timer On Delay Relay、M1 與 M2 為電磁電驛、X1 與 X2 為輔助電驛、C1 為計數器（設定 5 次）、On 與 Off 分別為起動與停止開關。
⑵動作原理：利用 On 開關啟動 M1、再以光電開關控制其計數器的次數，次數到達計數器所設定之值，則啟動 M2 並關閉 M1，時間（T1 or T2）到後使 M2 關閉，另一時間（T1 or T2）到後再 Reset 計數器。
（一）時間電驛 Timer On 與 Timer Off Delay Relay 有何不同？以時序圖表示，並說明其動作原理？（10 分）
（二）請於圖中有問號處（共 7 個）填入應為那個元件之 A 或 B 接點？（15 分）
（25 分）
本題含圖表或公式，請對照原卷 PDF。
- 2
四個元件開關（A、B、C、D）控制一臺機器（Y）的運轉，其條件如下（假設開為1、關為 0）：
⑴A 開且 C 與 D 關
⑵A 開且 B 與 D 關
⑶A、D 開
⑷A、B、C 開
⑸A 關且 B 與 D 開寫出邏輯式並繪出邏輯閘圖， （10 分）並以布林代數或卡諾圖化簡至最少元件與電路。（15 分）全一張（背面）
（25 分）
- 3
某負載設備容量為 10 kW、電壓 440 V、頻率 f 為 60 Hz、負載功因為 0.75，設電力公司額定功因為 0.85，應如何改善功因，試求電容器之數值、視功率？（25 分）
（25 分）
參考架構・破題
在負載端並聯電容器提供超前無效功率，抵銷感性負載的滯後無效功率，使功因由 0.75 提高至 0.85；有效功率不變，所需電容 kvar＝P(tanθ1－tanθ2)。
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- 4
直流發電機中，電樞反應如何產生？（6 分）對發電機有何影響？（6 分）如何改善？（7 分）電樞所產生電動勢之大小，與那些因數有關？（6 分）
（25 分）
104 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請繪圖並說明三相交流自激式發電機如何提供激磁電流？並請說明此激磁電路為何具有自動電壓調整的功能？（20 分）
（20 分）
- 2
三相發電機的配電系統具有優先跳脫、逆電力跳脫、過電流跳脫、電壓異常、頻率異常時的保護，請分別說明各項保護的內涵及保護方式。（20 分）
（20 分）
- 3
請繪出直流電動機的特性曲線（含轉矩/電樞電流曲線及轉速/電樞電流曲線），並請說明直流串激式、並激式電動機的特點，各適合於何種工作場合？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
直流電動機的特性取決於磁場繞組接法：並激式磁通近乎固定，轉速穩定；串激式磁通隨電樞電流變化，啟動轉矩大但轉速變化大。答題須以 T＝KΦIa 與 N＝(V－IaRa)／KΦ 兩式說明並繪圖。
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- 4
船舶主機的燃油黏度如何量測？並請繪出燃油黏度控制的系統圖及說明燃油黏度控制的原理。（20 分）
（20 分）
- 5
請說明船用輔鍋爐水位如何量測？並請說明水位控制的系統組成與控制原理，為何其水位控制器不宜使用微分動作？（20 分）
（20 分）
103 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請回答且說明下列各項問題：（每小題 5 分，共 20 分）
（一）直流發電機中，整流極與補償線圈之作用有何不同？
（二）直流發電機之整流作用中，電抗電壓的產生是由於線圈根據何種原理而產生的自感作用？
（三）交流發電機電樞中，每相感應電動勢公式為 E f = 1.11 pφ f NZ ，其中波形因數1.11 之值的大小如何計算求得？
（四）請繪圖比較並激式與串激式直流發電機外部特性曲線之不同。
（20 分）
參考架構・破題
本題四小題都在考直流機與交流機的基本原理：電樞反應的兩種對策、整流時的自感現象、波形因數的定義，以及直流發電機外部特性曲線。每小題 5 分，答案要短而準，第（四）小題一定要附圖。
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- 2
一部三相感應電動機，其構造為六極 Y 接，輸入電壓頻率為 60 Hz，此感應電動機之額定輸出功率為 6 馬力，轉子轉速為 1176 rpm。（每小題 10 分，共 20 分）
（一）此感應電動機之轉子銅損為多少 kW？
（二）此感應電動機之轉子輸入功率為多少 kW？
（20 分）
參考架構・破題
這是感應電動機功率潮流的標準計算題。先由極數與頻率求同步轉速，再求轉差率，最後利用氣隙功率 Pg、轉子銅損 Pcu2、機械功率 Pm 的 1：s：(1−s) 比例關係求解。
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- 3
在進行交流感應電動機的檢測中，若交流感應電動機無法達到額定速度，請問其可能造成的原因有那些？針對這些原因，請說明其解決之道。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
感應電動機轉不到額定速度，本質是「電磁轉矩不足」或「負載轉矩過大」。作答時依電源、定子、轉子、機械負載四大面向分類列出原因，每一項配一個檢測方法與對策，結構最清楚。
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- 4
（一）請將下列 POS（Product of Sum）型式之布林代數式轉換成等效的標準型 SOP（Sum of Product）布林代數式。（10 分）( )( )( Y= B+C+D A+B+D A+B+C+D A+B+C + D )( )
（二）請利用卡諾圖（Karnaugh Map）將上述所得之標準型 SOP 布林代數式進行簡化，以求得最簡化的 SOP 布林代數式。（10 分）
（20 分）
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考慮下列所示的閉迴路系統特徵方程式，請利用 Routh-Hurwize 法則求出參數 K 的範圍，以使此閉迴路系統穩定。（20 分）s 3 + Ks 2 + ( K + 1) s + 2 = 0
（20 分）
題目來源：考選部考畢試題查詢平臺（政府資訊公開資料）；參考架構為本站自撰，僅供準備方向參考，非官方標準答案。最後更新：。