航空器電氣系統　申論題歷屆試題與參考架構

某型飛機之緊急電源系統使用 24 V 鉛酸蓄電池供應重要航電設備。已知設備正常工作時持續消耗 15 A 電流，依設計要求，當主發電系統故障後，電池須能獨立供電至少 2.5 小時，試求：（每小題 5 分，共 15 分）

（一）電池最小容量應為多少安培小時（Ah）？

（二）電池儲存能量為多少瓦時（Wh）？

（三）電池總能量為多少焦耳（J）？

（15 分）

下圖為某型飛機客艙照明系統採並聯供電方式，其電源為 24 V 直流系統。若 R1  20  ， R2  30  ， R3  60  ，試求：

（一）等效電阻。（10 分）

（二）各支路電流。（5 分）

（三）電源總電流。（5 分）

（四）系統總功率。（5 分）IT I1 I2 I3 VT R1 V1 R2 V2 R3 V3

（25 分）

某飛機交流同步發電機（AC Synchronous Generator）為 4 極（4 Poles）設計，正常工作時輸出頻率為 400 Hz：

（一）若發電機輸出頻率為 400 Hz，求發電機轉速為多少 rpm？（10 分）

（二）若發電機轉速下降至 10,000 rpm，求其輸出頻率為多少 Hz？（5 分）

（三）為何飛機交流電系統多採用 400 Hz 而非一般家用電力的 50 Hz 或 60 Hz？（5 分）

（20 分）

下圖為交流串聯 RLC 電路。已知： L  20 mH ， C  5 μF ， R  40  ，v(t )  120 V(rms) ，試求：

（一）共振角頻率。（10 分）

（二）共振頻率。（5 分）

（三）共振時總阻抗。（5 分）

（四）共振時電流。（5 分）R v(t) L C

（25 分）

某飛機交流系統利用降壓變壓器將 200 V 電源轉換為 115 V 電源供航電設備使用。已知一次側匝數 N1  1000 ，二次側匝數 N 2  575 ，一次側電壓 V1  200 V 。若二次側負載電流為 10 A。試求：（每小題 5 分，共 15 分）

（一）二次側電壓。

（二）一次側電流。

（三）一次側輸入功率。

（15 分）

RLC 電路如圖所示，其輸入交流電電壓為V  Va cos(2πft ) 試問：

（一）其電阻值為 R、電感值為 L、電容值為 C 之電抗分別為多少？（15 分）

（二）求此 RLC 電路之阻抗。（10 分）L C R V

（25 分）

飛機用三相發電機的常見繞線接法有星形接法（Y 接法）、三角形接法（Δ接法）、星形接法與三角形接法結合使用，請說明其特性、優點與應用情境。（25 分）

（25 分）

"Ice protection"（防冰系統）是飛機在飛行中預防或移除結冰的安全措施，涵蓋了 Anti-Icing（防冰）和 De-Icing（除冰）兩種技術。請試述主要防冰/除冰區域與方式。 （25 分）

（25 分）

請描述飛機 Auxiliary Power Unit（APU）系統的主要架構與扮演的角色。（25 分）

（25 分）

（一）畫出飛機輔助電源系統 APU（Auxiliary Power Unit）供電時的全部電力系統方塊圖，並詳述其各方塊的功能為何？（15 分）

（二） APU 發電機位置於飛機何處，其於何時會啟動，功能為何？（15 分）

（30 分）

（一）比較鎳鎘電池（Ni-Cd Battery）與鋰離子電池（Li-ion Battery）之特性與優缺點？（20 分）

（二）以 24 V/23 Ah 的電池為例，若先將電池放電至容量為零，再以 0.5 C的電流充電，試問充電時其充電電流為多少 A？（5 分）

（三）電池充飽電需要多久時間？（5 分）

（30 分）

（一）畫出電阻、電容與電感三種不同元件之元件符號？（5 分）

（二）以電阻而言，若其電阻值為 R，元件上之電壓為 VR 與電流為 IR，其電壓與電流之關係為何？功率值 P 為何？功能為何？（5 分）

（三）以電容而言，若其電容值為 C，元件上之電壓為 VC 與電流為 IC，其電壓與電流之關係為何？阻抗值為何？功能為何？（5 分）

（四）以電感而言，若其電感值為 L，元件上之電壓為 VL 與電流為 IL，其電壓與電流之關係為何？阻抗值為何？功能為何？（5 分）

（20 分）

試詳述飛機上如何從發電機（Generator）轉換成直流電源（DC BUS）？（20 分）

（20 分）

假設一架飛機以蓄電池（battery）來啟動引擎（engine），在啟動過程中，啟動器之電力需求為 500 安培之電流持續 30 秒，且電池電壓需維持在24 伏特以完成引擎啟動。請問在此過程中之總能量需求為多少焦耳（joule）？（15 分）

（15 分）

電路中常見的過電流（over current）保護裝置有保險絲（fuse） 、斷路器（circuit breaker）及限流器（current limiter）。請說明其主要之功能及特性。（15 分）

（15 分）

假設飛機上以 24 伏特之直流電源來提供兩盞燈炮之電源需求，其接線如下圖，其中 R1 及 R2 分別代表兩盞燈泡之阻抗，而 Rs 代表線路功率損耗之阻抗。假設 R1 為 48 歐姆，R2 為 32 歐姆，而 Rs 為 0.8 歐姆。請問流經 R1、R2 及 Rs 的電流各為多少安培？線路功率損耗為多少瓦（watts）？24 伏特電源之總輸出功率又為多少瓦？（25 分）Rs 24 V R1 R2

（25 分）

請說明直流串繞（series-wound）馬達之激磁繞組（field winding）與電樞繞組（armature winding）之連接方式，並詳細說明其扭力與轉速之特性。（20 分）

（20 分）

下圖為一個串聯交流電路，假設交流電源 vs (t )  115 2 cos (2500t )，電感L  0.01H ，電容 C  8 F ，電阻 R  25  （這些參數只是為方便分析與計算，不代表飛機上之系統參數） 。請問此交流串聯電路之總阻抗值（total impedance）為何？此交流電路之迴路電流的有效值是多少？（25 分）C L vs ( t ) R

（25 分）

飛機若只使用直流電源來提供座艙上的照明，如下圖所示，電源是在直流的匯流排接 2 盞燈，每一盞的燈泡為 60 W，試求：（25 分）

（一）一個燈泡的電阻為多少？

（二）電池需要提供多大的電流？

（三）當使用一小時的照明，電池需要提供多少能量？DC Bus DC Bus I SW1 SW1 VV R1 R1 R2 R2 Ground Ground BusBus

（25 分）

飛機單相交流電源為 120 V 有效值，如下圖所示，接有電阻 R = 100 Ω和電容器 C =4μF，試求： （25 分）

（一）電容負載的電抗為何？

（二）電流i (t)，i (t)和i(t)的有效值？

（三）交流電源提供負載的平均消耗功率（有效功率）為何？虛功率（無效功率）為何？功率因素為何？

（四）試繪出相量圖（phasor），表達電源電壓與各電流的相位關係。i iiRR iiCC + R R CC V V -－

（25 分）

飛機上的電力供應設備，會提供給飛機上那幾種電力，試問：（25 分）

（一）飛機上交流電力供應，會有那幾種電壓和頻率，由那些設備產生交流電力？

（二）飛機上的直流電力有幾種電壓？可以由那些裝備產生直流電力？

（25 分）

不論大型或小型飛機都配置有蓄電池，試問：（25 分）

（一）裝設蓄電池的功能為何（說明蓄電池提供的電力用途）？

（二）通常飛機上有二組電池，共同提供電力，若電池容量各為 40 Ah，二個電池一起共同提供 3 個 100 W 的飛機座艙燈泡，試問電池總共提供多大的電流？電池能夠提供多久的使用時間？

（25 分）

（一）變壓器可用來改變電壓的振幅大小，其可用於交流（AC）電路及直流（DC）電路嗎？說明其原因。（10分）

（二）若飛機上交流發電機為三相Y接115 V，頻率為400 Hz，畫出產生28 V直流電壓的電路圖並標示變壓器圈數比（二極體為理想二極體） 。（10分）

（20 分）

（一）若飛機系統的電池為28 V/23 Ah（安培小時），共兩顆，其直接供應給100 W的直流負載，約可供應多久時間？（10分）

（二）請說明鉛蓄電池充電方法有那三種？（10分）

（三）請說明鉛蓄電池維護的要點為何？（10分）

（30 分）

（一）地面電源車供應外部三相電源時，畫出此工作模式下的電力系統方塊圖。（10分）

（二）說明（一）題方塊圖中各方塊之功能。（10分）

（20 分）

（一）說明飛機燈光照明系統主要分類共有那三種？（10分）

（二）著陸燈與滑行燈其目的與差異性為何？（10分）

（三）著陸燈有何必須特別注意的地方？（10分）

（30 分）

圖 1 為飛機照明的直流電源，在直流匯流排接上燈泡負載，線路上的電阻 R1 = 1 Ω，燈泡的電阻 R2 = 9 Ω，試求：（25 分）A.飛機照明燈泡上的電壓 Vo 為多少？B.燈泡 R2 的電流有多少？C.在燈泡 R2 上的功率有多大？D.若飛機上有一組蓄電池組 V，電池組的容量有 1000 Ah，當使用電池供應，電流流過 R1 與 R2，電池組可以供給負載多長的時間？圖 1 飛機照明的直流電路圖（燈泡為 R2）

（25 分）

飛機交流電路如圖 2 所示，飛機上的電壓 v(t ) 的有效值為 110 V，在電路負載中，有電阻 R = 2 Ω 和電容器 C = 200 μF，試求：（25 分）A.流過電阻上的電流 i(t ) 是多少？B.功率消耗的元件是那些？實功率 P 為多少？虛功率 Q 為多少？C.並繪出電壓與電流的相位關係，請用相量圖（phasor）表示。i(t) v(t)圖 2 飛機交流電路圖

（25 分）

現代的大型客機只配有交流發電機，試問客機的直流電源供應方式與架構：（30 分）A.說明直流電源主要規格是什麼？B.直流電源的供應有那些方式？C.蓄電池與直流電源供應的關係是什麼？（可以繪圖說明）D.直流電源供應與交流電源供應相互間的關係如何？（說明交流電源如何轉換為直流？並且說明直流電源如何產生交流？）

（30 分）

飛機室內燈開關的電路，如圖 3 所示，當開關 SW1 閉合（ON），則燈泡L1 會亮起。試問：（20 分）24V CB1 A B C G DC Bus SW1 L1圖 3 飛機照明電路圖A.如果開關 SW1 閉合（ON），發現燈泡 L1 不亮，如何使用三用電表，進行檢修各種可能發生的故障？B.若發生線路斷線使得燈泡不能亮起，而且這個故障假設是在 B 端子與C 端子之間發生斷線，如圖 4 所示，則三用電表的電壓檔，量測到什麼樣的電壓值？a.量測 VAG=？ V（A 端子與地線 G 的電壓為多少伏特？）b.量測 VBG=？ V（B 端子與地線 G 的電壓為多少伏特？）c.量測 VCG=？ V（C 端子與地線 G 的電壓為多少伏特？）24V CB1 A B C G DC Bus SW1 L1圖 4 飛機照明電路的故障圖（端子 B 與 C 之間斷了線路）

（20 分）

請詳述直流馬達之串繞（series-wound）、並繞（shunt-wound）及複合繞（compound-wound）有何不同？各具有何特性及各用於驅動飛機上之何種裝置？（20 分）

（20 分）

請詳述飛機上常用之接合跳線（bonding jumper）之功能，及在安裝與維護接合跳線時應注意之事項。（20 分）

（20 分）

請詳述電壓調節器（voltage regulator）之工作原理，又何謂振動式電壓調節器（vibrator type）與碳堆疊式電壓調節器（carbon-pile），並說明其工作原理。 （20 分）

（20 分）

請詳述繼電器（relay）之工作原理，並請說明防逆繼電器（reverse current relay）之工作原理。（20 分）

（20 分）

在飛機上許多電子裝置都會用到 A 類、B 類及 C 類放大器，請詳述其區別及用途。（20 分）

（20 分）

飛機上電壓 v (t)的有效值為 115V，如圖 1 所示的電路負載，包括電阻 R=11.5Ω和電感 L=4.6mH，試求：（每小題 10 分，共 30 分）

（一）電流 i(t)的有效值是多少？

（二）平均消耗實功率（有效功率）有多少？虛功率（無效功率）有多少？

（三）以相量圖（phasor）表示，去繪出電壓與電流的相位關係。i (t ) v(t ) R L圖 1 飛機交流電路圖

（30 分）

圖 2 為飛機照明的直流電路圖，在直流匯流排上接燈泡負載，燈泡的電阻值 R=10Ω，試求： （每小題 5 分，共 20 分）

（一）飛機直流匯流排（DC Bus）上的電壓有多少？

（二）流通過電阻 R 的電流有多少？

（三）在電阻 R 的功率有多大？

（四）若圖 2 中的 V 為飛機上的一組蓄電池，其容量為 40Ah（安培小時），試問只有使用電池，可以支撐負載多久時間？圖 2 飛機照明的直流電路圖（燈泡為 R ）全一張（背面）

（20 分）

大型客機的交流電源供應方式與架構，試問：

（一）試繪出交流電源系統架構圖，並說明交流電源的規格包括電壓、頻率、單相、三相、相位與接線方式等。（8 分）

（二）客機的交流電源是如何產生？有那些發電機組或設備，可以供應交流電力？並說明其任務。（7 分）

（三）這些交流發電機組如何控制電壓和頻率？（說明使用了那些設備來調節電壓和頻率？）（7 分）

（四）交流電源與直流電源相互間供應的關係是如何？（可以繪圖說明）（8 分）

（30 分）

飛機上的照明電路圖，如圖 3 所示，其中 S1, S2, S3 及 S4 均為單刀雙投開關，分別控制飛機乘客燈與座艙燈的燈泡，試說明：（每小題 10 分，共 20 分）

（一）電路圖如何作動，也就是說明開關 S1 與 S2，對乘客燈的操作方法。

（二）假設燈泡本身是"好的燈泡"（燈泡是正常的新燈泡），如果發生"乘客燈無法亮"的故障時，電路有那些可能發生故障的地方，並具體說明電路故障檢測方法與故障原因。圖 3 飛機上的照明電路圖

（20 分）

請說明飛機上的直流電（DC：Direct Current）與交流電（AC：Alternating Current）？其電壓與頻率規格分別為何？（20 分）

（20 分）

畫出飛機緊急供電（Emergency Configuration）之電力系統方塊圖？並說明其各方塊之功能為何？（20 分）

（20 分）

何謂二次電池？鉛酸電池（Lead-Acid Battery）充電方式為何？如何維護及保養鉛酸電池？電池容量的單位為何？（20 分）

（20 分）

請說明飛機上整流器（TR：Transformer Rectifier）與靜態換流器（Static Inverter）的功能各為何？（20 分）

（20 分）

畫出變壓器之電路符號並說明其功能為何？變壓器上電壓與圈數比之關係為何？（20 分）

（20 分）

如圖 1 a 所示，在飛機上的交流電源 v (t ) = 40 sin ω t (V)，使用二極體電路來獲得直流電源（只用二極體，沒有使用電容器），試繪出 2 種二極體的整流電路圖（半波整流與全波整流），並依圖 1b 繪出整流器電壓輸出Vo (t ) 的時域波形圖。（20 分）Vo (t ) t v(t ) vo (t ) R圖 1a 二極體整流電路的示意圖 圖 1b

（20 分）

交流電路如圖 2 a 所示，飛機上的電壓 v(t ) 的有效值為 110 V，在電路負載中，電阻R = 3 Ω 和電感 L = 1.6 mH，試求：（30 分）

①求電流 i (t ) 的有效值是多少？

②平均消耗實功率（有效功率）有多少？虛功率（無效功率）有多少？

③並繪出電壓 v(t ) 與電流 i (t ) 的相位關係。（相位關係可以用相量圖（phasor）表示，或在時域中，依圖 2b 繪出 v(t ) 與 i (t )的波形圖（弦波））R v(t), i(t) + i (t ) v(t) t L -圖 2a 交流電路圖 圖 2b

（30 分）

客機上的電力系統中有蓄電池的配備，試問：（30 分）

①裝設蓄電池的目的為何？蓄電池需要提供那些功能？

②一整組蓄電池的電壓值為何？目前最常用的電池材料是那種類型電池？

③電池充電方式有那些？注意事項為何？

④電池的容量單位是什麼？

（30 分）

飛機變壓器的容量為 1200 VA，輸入電壓有效值為 120 V，輸出電壓有效值為 28 V，變壓器輸入側的線圈匝數 480 匝，假設滿載時效率為 100%，功率因數為 0.8，試求下列數值與單位：（20 分）

①輸出側線圈匝數？

②滿載時輸入側的電流值？

③滿載時輸出側的電流值？

④滿載時輸出的實功率？

（20 分）

畫出飛機輔助電力單元（APU：auxiliary power unit）供電時電力系統之方塊圖。並說明其各方塊之功能為何？（20 分）

（20 分）

何謂交流（AC：alternating current）電源與直流（DC：direct current）電源？大型飛機上之交流與直流電源之電氣規格為何？（20 分）

（20 分）

試述飛機上如何從發電機（Generator）轉換成直流電源（DC BUS）？電氣規格各為何？（20 分）

（20 分）

被動元件中電阻 R、電容 C 與電感 L，其單位、電路符號與特性分別為何？在電路之應用中各有何種功能？（20 分）

（20 分）

以負載而言何謂電容性、電阻性及電感性？其電壓與電流之相位超前與落後之關係為何？何者只有實功沒有虛功？何者功率因數（power factor）=1？（20 分）

（20 分）