高考申論題
107年
[電力工程] 電機機械
第 一 題
📖 題組:
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: $R_1 = 0.015 \Omega, R'_2 = 0.035 \Omega, X_1 = 0.145 \Omega, X'_2 = 0.135 \Omega, X_m = 6.5 \Omega$ 此感應電機經饋線($0.01 \Omega + j0.03 \Omega$)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:
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: $R_1 = 0.015 \Omega, R'_2 = 0.035 \Omega, X_1 = 0.145 \Omega, X'_2 = 0.135 \Omega, X_m = 6.5 \Omega$ 此感應電機經饋線($0.01 \Omega + j0.03 \Omega$)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:
📝 此題為申論題,共 4 小題
小題 (一)
風渦輪機之轉速。(3 分)
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看到感應電機轉速與轉差率的題目,首先利用頻率與極數求出系統的同步轉速(n_s = 120f/P)。接著代入轉子轉速與轉差率的關係式(n_r = (1-s)n_s),由於轉差率為負值,代表電機運行於發電狀態,轉速必然大於同步轉速。
小題 (二)
感應電機之相端電壓。(8 分)
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看到此題應先建立感應電機結合饋線的「單相等效電路模型」。由於轉差率為負值(作為發電機運行),等效轉子電阻為負向系統輸出實功。解題關鍵在於先求出等效輸入阻抗與系統總阻抗,並以無窮匯流排相電壓為參考基準計算定子電流,最後利用克希荷夫電壓定律(KVL)推算電機之相端電壓。
小題 (三)
送至無窮匯流排之實功及功率因數。(6 分)
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看到感應發電機連接無窮匯流排的題目,首要步驟是建立包含饋線的「單相等效電路」模型。由於轉差率 $s$ 為負值,轉子等效阻抗會出現負電阻,這代表電機向外輸出實功。藉由計算無窮匯流排看入的總等效阻抗與電流,即可運用功率公式求得送至匯流排的實功與功率因數,並藉由無效功率流向判定功率因數為超前或落後。
小題 (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)
思路引導 VIP
本題為感應發電機的性能與效率計算,看到『發電機模式』與『轉差率為負值』,應先建立包含定子、轉子、激磁支路及饋線的單相等效電路模型。透過計算由無窮匯流排看入之總等效阻抗,求出電流後,即可依據功率流向(從機械端至電氣端)逐步計算出轉換機械功率、氣隙功率及最終輸出至匯流排的實功,最後將輸出電功率除以輸入軸功率求得系統效率。