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地特三等申論題 110年 [電力工程] 電路學

第 一 題

📖 題組:
四、
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

下圖所示電路中,當 vg = 200 cos10000t V 時,求出電流 ig與 iL的穩態表示式。(10 分)

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看到含互感的交流電路,第一步先將電源與元件轉換為相量(Phasor)及阻抗(jωL)。第二步是解題核心:利用『打點法則(Dot Convention)』判斷互感電壓的極性。若兩迴路電流皆流入打點端,互感項與自感項同號;若一進一出,則互感項帶負號。最後列出兩個網目的 KVL 方程式進行聯立求解,算出相量後再轉回時域表示式即可。

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【解題思路】利用相量(Phasor)法將電路轉換至頻域分析,並依據打點法則(Dot Convention)判定互感極性,進而列出網目方程式求解穩態電流,最後轉換回時域。 【詳解】 已知:

小題 (二)

求出耦合係數。(5 分)

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看到題目要求計算耦合係數,應立即聯想互感與自感之間的關係式。從電路圖中辨識出兩線圈的自感值與互感值,代入公式即可迅速求解。

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【解題關鍵】耦合係數公式:$k = \frac{M}{\sqrt{L_1 L_2}}$ 【解答】 由電路圖已知:

小題 (三)

當 t = 50 π μs,求出磁耦合線圈所儲存的能量。(5 分)

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  1. 觀察題目圖形與題意,發現未標示電壓源數值,但由題型與配分(5 分)可知為國家考試之題組子題。先補足前提條件,再將電路元件轉為相量阻抗(jωL, jωM)。
  2. 判斷同名端(打點):兩電流皆流入同名端,因此互感電壓與互感儲能項皆為正。列出 KVL 解出相量電流,再轉回時間域。
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【解題思路】先將電路轉換至相量域(Phasor Domain)求得各網目電流的穩態表示式,再轉回時間域代入指定時間,最後利用磁耦合線圈儲能公式計算總能量。 【詳解】 已知:

小題 (四)

如果用一個可變電阻 RL來取代 15 Ω 的電阻器,那 RL的值為多少會得到最大平均功率轉移。(5 分)

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看到「最大平均功率轉移」且負載為純可變電阻,應立刻想到條件為負載電阻等於戴維寧等效阻抗的絕對值($R_L = |Z_{Th}|$)。解題時,先將電壓源短路,求出從負載端看入的戴維寧等效阻抗(包含次級線圈自感與初級側的反射阻抗),再取其大小即為所求。由於題目截圖未顯示角頻率 $\omega$,推導時應保留 $\omega$ 或使用題組前文數據。

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【解題思路】利用線性變壓器的反射阻抗(Reflected Impedance)求出戴維寧等效阻抗,並依據最大平均功率轉移定理(負載為純電阻時,$R_L = |Z_{Th}|$)求得最佳負載值。 【詳解】 已知條件:

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