民國115年 高考三級 輪機技術 船用電學與自動控制考古題
民國115年 高考三級 輪機技術 船用電學與自動控制收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
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）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義與基本原理：自動電壓調整器（Automatic Voltage Regulator, AVR）是發電機勵磁系統中的閉迴路控制裝置。它透過比壓器（Potential Transformer, PT）取樣發電機端電壓，與設定值比較後調整勵磁機（Exciter）的磁場電流，改變主磁場強度，使感應電動勢與端電壓維持穩定。
- 二、主要功能：第一，維持端電壓於額定值附近，補償負載電流造成的電樞反應壓降；第二，提供無效功率（Reactive Power）的控制能力；第三，具備過勵磁限制（Over-Excitation Limit, OEL）、欠勵磁限制（Under-Excitation Limit, UEL）及電壓頻率比（Volts per Hertz, V/Hz）限制，以保護勵磁繞組與鐵心。
- 三、並聯運轉中的角色：並聯後匯流排電壓由系統決定，AVR 不再單獨決定電壓，而是透過電壓與無效功率之間的下垂特性（Reactive Droop Compensation）分配無效功率。若某部發電機的 AVR 電壓設定偏高，它就會承擔較多無效功率，甚至產生環流；因此各機的下垂率與電壓設定必須匹配，使無效功率依容量比例分擔。
- 四、穩定與限制：AVR 須有足夠的響應速度以抑制電壓閃變，但增益過高容易引起勵磁系統振盪，因此常加裝穩定補償或電力系統穩定器（Power System Stabilizer, PSS）。並聯時還須注意無效環流、勵磁頂值電壓與強勵能力，並定期執行電壓調整率與各項限制功能的試驗。
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）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、保護設計原則：船用交流發電機的保護須兼顧靈敏度、選擇性、速動性與可靠性。它藉由比流器（Current Transformer, CT）、比壓器及保護電驛（Relay）偵測異常，再經斷路器（ACB）跳脫隔離故障，避免損及發電機、匯流排及重要負載。
- 二、外部短路保護：當匯流排或饋線發生相間或接地短路時，故障電流遠大於額定值。此保護常採用具反時限特性的過電流電驛（Overcurrent Relay, 51），或以阻抗保護、差動保護作為後備。功能是迅速切除外部故障、限制電樞繞組的熱應力與機械應力，並與下級保護協調以維持選擇性。
- 三、過載保護：針對負載長期超過額定電流所造成的繞組溫升，採用具反時限特性的過載電驛（Overload Relay, 51）或熱動元件，模擬 I²t 熱效應。通常先發出警報提醒輪機員減載，若持續過載再延時跳脫，以防止絕緣老化、燒損及火災。
- 四、欠壓保護：當端電壓低於設定值（常見為額定值的 70%～80%）並持續一定時間後，欠壓電驛（Undervoltage Relay, 27）動作，防止電動機堵轉、電流劇增及控制系統誤動作。此保護須加裝延時，以容忍大電動機起動造成的暫時壓降，避免誤跳脫。
- 五、逆功率保護：並聯運轉時，若原動機失速、燃油中斷或調速器故障，該發電機可能由匯流排吸取功率，成為電動機運轉（Motoring）。逆功率電驛（Reverse Power Relay, 32）偵測功率方向反轉，經延時後跳脫，防止原動機與發電機受損。
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）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義：開迴路控制（Open-Loop Control）是依預先設定的程序或時間輸出控制命令，不偵測被控量，也沒有回授修正；閉迴路控制（Closed-Loop Control）則量測被控量並與設定值比較，依偏差（Error）調整輸出，形成回授迴路。
- 二、差異比較：開迴路結構簡單、成本低、沒有穩定性顧慮，但精度受元件漂移與外界擾動影響；閉迴路具抗擾動能力、可消除穩態誤差、精度高，但需要感測器與回授路徑，參數整定不當容易振盪，成本與維護要求較高，反應速度也受回授延遲限制。
- 三、船舶設備應用：開迴路常見於艙底水泵定時起停、主機預潤滑定時控制及簡單順序控制；閉迴路則用於冷卻水溫度、燃油黏度、鍋爐水位、舵機轉角、主機轉速等，需要隨負載與環境持續修正的場合。
- 四、機艙採閉迴路之理由：機艙參數如冷卻水溫度、滑油壓力、燃油黏度直接影響主機安全與效率，而負載、海水溫度及環境變化會造成持續擾動，開迴路無法因應。閉迴路可自動補償擾動、維持參數於容許範圍、減少人力監視，並符合 SOLAS 與主機製造廠對自動化監控的要求。
- 五、限制與整定建議：閉迴路須注意感測器校正、回授斷線、積分飽和（Integral Windup）與 PID 參數整定。增益過高容易振盪，過低則反應遲鈍；建議先以手動建立穩定工況，再逐項調整比例、積分、微分，並設置警報與手自動切換，以確保失效時仍可安全操作。
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）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、系統概述：船用柴油機冷卻水溫度控制屬單迴路回授控制，目的在維持缸套冷卻水出口溫度於設定值（約 70～85℃），避免低溫腐蝕與高溫熱應力。系統由設定點、比較元件、控制器、最終控制元件、被控程序及感測元件構成閉合迴路，訊號依序由感測端回授至比較端，再前向送至閥門。
- 二、感測元件：以電阻式溫度檢測器（Resistance Temperature Detector, RTD）或熱電偶（Thermocouple）量測冷卻水出口溫度，將溫度轉換為電訊號回授至控制器。其精度、響應時間與安裝位置直接影響控制品質，須避免裝設於死水區或氣泡聚集處。
- 三、控制器與比較元件：控制器接收回授訊號並與設定值比較得出偏差，依比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）運算輸出控制訊號，即 PID 控制。比例決定響應強度，積分消除穩態誤差，微分抑制超調，參數須依實際熱容量整定。
- 四、最終控制元件：多採三通調節閥（Three-Way Control Valve）或節溫器（Thermostatic Valve），依控制器輸出調整流經冷卻器（Cooler）與旁通（Bypass）的流量比例，改變散熱量以調節水溫。閥門須具失效安全（Fail-Safe）設計，失氣或失電時導向安全側。
- 五、被控程序與擾動：被控程序為柴油機與冷卻水系統的熱平衡，主要擾動包括主機負載變化、海水溫度、冷卻器污塞及泵浦流量。回授機制使擾動發生後自動修正閥位；建議併設高溫警報、低溫警報與手動旁通，並定期清洗冷卻器、校正感測器，以維持控制效能。