2025年電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)綜合考核試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（本大題共10小題，每小題2分，共20分。在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是最符合題目要求的）1.某正弦交流電路中，已知電壓u(t)=100√2sin(314t+30°)V，電流i(t)=5√2sin(314t-30°)A，則該電路的功率因數(shù)為（）A.0.5B.0.866C.0.707D.0.9062.三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌標(biāo)注“額定電壓380V/220V，接法Y/Δ”，當(dāng)電源電壓為380V時(shí)，正確的接線(xiàn)方式及每相繞組承受的電壓為（）A.Y接，220VB.Y接，380VC.Δ接，220VD.Δ接，380V3.電力系統(tǒng)中，輸電線(xiàn)路的正序電抗與負(fù)序電抗的關(guān)系為（）A.正序電抗大于負(fù)序電抗B.正序電抗等于負(fù)序電抗C.正序電抗小于負(fù)序電抗D.兩者關(guān)系與線(xiàn)路類(lèi)型有關(guān)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)中，若開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]，則系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍是（）A.K>0B.0<K<6C.K>6D.系統(tǒng)始終不穩(wěn)定5.晶閘管整流電路中，當(dāng)觸發(fā)角α=60°時(shí)，單相半波整流電路的輸出電壓平均值為（設(shè)輸入交流電壓有效值為U）（）A.0.45U(1+cosα)B.0.45UcosαC.0.9UcosαD.0.45U(1+cosα)/26.變壓器空載試驗(yàn)時(shí)，電源施加的是（）A.高壓側(cè)，低壓側(cè)開(kāi)路B.低壓側(cè)，高壓側(cè)開(kāi)路C.高壓側(cè)，低壓側(cè)短路D.低壓側(cè)，高壓側(cè)短路7.電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流的周期分量和非周期分量中（）A.周期分量幅值不變，非周期分量逐漸衰減B.周期分量幅值衰減，非周期分量不變C.兩者均逐漸衰減D.兩者均保持恒定8.在PID控制器中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是（）A.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度B.消除穩(wěn)態(tài)誤差C.改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能D.抑制高頻噪聲9.同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若僅增加原動(dòng)機(jī)輸入功率而保持勵(lì)磁電流不變，則（）A.有功功率增加，無(wú)功功率不變B.有功功率不變，無(wú)功功率增加C.有功功率和無(wú)功功率均增加D.有功功率增加，無(wú)功功率可能變化10.某PLC程序中，輸入繼電器X0的常開(kāi)觸點(diǎn)與輸出繼電器Y0的線(xiàn)圈串聯(lián)，且Y0的常開(kāi)觸點(diǎn)與X0并聯(lián)，該電路實(shí)現(xiàn)的功能是（）A.點(diǎn)動(dòng)控制B.自鎖控制C.互鎖控制D.順序控制二、填空題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）1.基爾霍夫電流定律的本質(zhì)是________守恒，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為_(kāi)_______。2.三相變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Yd11，其中“d”表示________，“11”表示________。3.電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式主要有________、________和經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地三種。4.自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)中，調(diào)節(jié)時(shí)間ts反映系統(tǒng)的________，穩(wěn)態(tài)誤差ess反映系統(tǒng)的________。5.晶閘管的三個(gè)電極是________、________和門(mén)極。6.異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1，其中n1為_(kāi)_______，n為_(kāi)_______。7.電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中，PQ節(jié)點(diǎn)的已知量是________和________，待求量是電壓幅值和相位。8.PID控制器的傳遞函數(shù)為_(kāi)_______，其中Ki表示________。9.變壓器的效率η=________×100%，當(dāng)________時(shí)效率達(dá)到最大值。10.電氣主接線(xiàn)中，雙母線(xiàn)接線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是________和________。三、簡(jiǎn)答題（本大題共5小題，每小題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流大但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大的原因。2.電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的主要措施有哪些？請(qǐng)分別說(shuō)明其適用場(chǎng)景。3.比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并舉例說(shuō)明閉環(huán)控制在電氣工程中的應(yīng)用。4.說(shuō)明電力電子變換器中PWM控制的基本原理及其在逆變器中的作用。5.分析變壓器空載損耗和負(fù)載損耗的組成，并解釋為何變壓器設(shè)計(jì)時(shí)通常使鐵損略小于銅損。四、計(jì)算題（本大題共3小題，每小題15分，共45分）1.如圖1所示電路，已知R1=10Ω，R2=20Ω，L=0.1H，C=1000μF，電源電壓u(t)=220√2sin(314t)V。求：（1）電路的復(fù)阻抗Z；（2）電流i(t)的瞬時(shí)值表達(dá)式；（3）電路的有功功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S。2.一臺(tái)三相四極異步電動(dòng)機(jī)，額定功率PN=30kW，額定電壓UN=380V（Δ接），額定頻率fN=50Hz，額定效率ηN=0.88，額定功率因數(shù)cosφN=0.85，定子繞組每相電阻r1=0.15Ω，轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電阻r2'=0.12Ω，定子漏抗x1=0.3Ω，轉(zhuǎn)子漏抗x2'=0.35Ω，勵(lì)磁電抗xm=35Ω。求：（1）額定電流IN；（2）額定轉(zhuǎn)差率sN（設(shè)額定轉(zhuǎn)速nN=1460r/min）；（3）最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax。3.某110kV輸電線(xiàn)路，長(zhǎng)度l=100km，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ-150（計(jì)算外徑d=17mm，三相水平排列，相間距離D=4m），導(dǎo)線(xiàn)電阻率ρ=2.85×10-8Ω·m，空氣相對(duì)介電常數(shù)εr=1。求：（1）線(xiàn)路的電阻R；（2）線(xiàn)路的電感L（取幾何均距Dm=1.26D）；（3）線(xiàn)路的電容C（忽略電暈影響）。五、綜合分析題（本大題共1小題，25分）某工廠(chǎng)需設(shè)計(jì)一套基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）電機(jī)可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；（2）正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)之間需設(shè)置互鎖；（3）具有過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)；（4）支持遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停止（通過(guò)遠(yuǎn)程信號(hào)X10控制啟動(dòng)，X11控制停止）；（5）運(yùn)行時(shí)通過(guò)指示燈Y0（正轉(zhuǎn)）、Y1（反轉(zhuǎn)）顯示狀態(tài)。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)：（1）繪制電氣控制原理圖（包括主電路和控制電路）；（2）編寫(xiě)PLC梯形圖程序（要求包含輸入輸出分配表）；（3）說(shuō)明互鎖和過(guò)載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理；（4）分析若電機(jī)啟動(dòng)后立即跳閘的可能原因及排查方法。答案一、單項(xiàng)選擇題1.A2.A3.B4.B5.D6.B7.A8.B9.A10.B二、填空題1.電荷；Σi=0（或?qū)θ我夤?jié)點(diǎn)，流入電流等于流出電流）2.低壓繞組三角形聯(lián)結(jié)；高壓繞組線(xiàn)電壓滯后低壓繞組線(xiàn)電壓330°（或相位差為30°×11=330°）3.中性點(diǎn)不接地；中性點(diǎn)直接接地4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；穩(wěn)態(tài)精度5.陽(yáng)極；陰極6.同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速7.有功功率；無(wú)功功率8.Kp+Ki/s+Kds；積分系數(shù)9.輸出功率/輸入功率；鐵損等于銅損10.可靠性高；調(diào)度靈活（或檢修母線(xiàn)時(shí)不中斷供電）三、簡(jiǎn)答題1.異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線(xiàn)速度最大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流很大（約為額定電流的5-7倍）。但此時(shí)轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cosφ2很低（因?yàn)檗D(zhuǎn)子頻率f2=sf1=f1，轉(zhuǎn)子漏抗x2=2πf2L2很大），根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦmI2cosφ2，雖然I2大，但cosφ2很小，導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大（約為額定轉(zhuǎn)矩的1-2倍）。2.主要措施及適用場(chǎng)景：（1）調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁（改變無(wú)功輸出）：適用于發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)整，是系統(tǒng)電壓的基本調(diào)節(jié)手段；（2）投切無(wú)功補(bǔ)償裝置（如電容器、電抗器）：適用于負(fù)荷中心電壓調(diào)整，快速補(bǔ)償無(wú)功缺額；（3）改變變壓器分接頭（有載調(diào)壓）：適用于局部網(wǎng)絡(luò)電壓調(diào)整，通過(guò)改變變比調(diào)整電壓；（4）調(diào)整線(xiàn)路參數(shù)（如串聯(lián)電容補(bǔ)償）：適用于長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路，減小電壓降落；（5）限制負(fù)荷功率（如切除部分負(fù)荷）：適用于嚴(yán)重電壓崩潰時(shí)的緊急措施。3.開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)：抗干擾能力差，控制精度低（如普通洗衣機(jī)的定時(shí)控制）。閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)反饋消除誤差，控制精度高；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可能存在穩(wěn)定性問(wèn)題（如恒溫箱溫度控制）。電氣工程中應(yīng)用：發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVR）通過(guò)檢測(cè)端電壓與給定值的偏差，調(diào)整勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定。4.PWM控制原理：通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)器件的通斷，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的脈沖序列，其占空比與期望的交流電壓波形（如正弦波）成正比。在逆變器中，PWM可實(shí)現(xiàn)：①輸出電壓幅值和頻率的靈活調(diào)節(jié)；②減少低次諧波含量（通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM）；③提高直流電壓利用率（與方波逆變相比）。5.空載損耗主要是鐵損（磁滯損耗和渦流損耗），由鐵芯中的交變磁通引起，與電壓有關(guān)；負(fù)載損耗主要是銅損（定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻損耗），與電流平方成正比。設(shè)計(jì)時(shí)鐵損略小于銅損，因?yàn)樽儔浩鲗?shí)際運(yùn)行中負(fù)載率常低于100%，當(dāng)負(fù)載率β=√(P0/Pk)（P0為鐵損，Pk為額定銅損）時(shí)效率最高。若鐵損過(guò)小，最高效率點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在高負(fù)載區(qū)，而實(shí)際運(yùn)行中多數(shù)時(shí)間處于中低負(fù)載，因此設(shè)計(jì)為鐵損略小于銅損可使平均效率更高。四、計(jì)算題1.（1）計(jì)算各元件阻抗：感抗XL=ωL=314×0.1=31.4Ω容抗XC=1/(ωC)=1/(314×1000×10-6)=3.18ΩR1與L串聯(lián)阻抗：Z1=R1+jXL=10+j31.4ΩR2與C并聯(lián)阻抗：Z2=R2∥(-jXC)=(20×(-j3.18))/(20-j3.18)≈(-j63.6)/(20.25∠-9°)≈3.14∠-81°≈0.5-j3.11Ω總阻抗Z=Z1+Z2=10+j31.4+0.5-j3.11=10.5+j28.29≈30.19∠69.6°Ω（2）電流有效值I=U/Z=220/30.19≈7.28A，相位角θu-θZ=0°-69.6°=-69.6°i(t)=7.28√2sin(314t-69.6°)A（3）有功功率P=I2R=7.282×10.5≈555W（或P=UIcosφ=220×7.28×cos69.6°≈220×7.28×0.35≈555W）無(wú)功功率Q=UIsinφ=220×7.28×sin69.6°≈220×7.28×0.94≈1500var視在功率S=UI=220×7.28≈1602VA2.（1）額定電流IN=PN/(√3UNηNcosφN)=30×103/(√3×380×0.88×0.85)≈30000/(√3×380×0.748)≈30000/493≈60.9A（2）同步轉(zhuǎn)速n1=60f/p=60×50/2=1500r/min額定轉(zhuǎn)差率sN=(n1-nN)/n1=(1500-1460)/1500≈0.0267（3）最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax=(1.5×p×UN2)/(ω1[(r1+√(r12+(x1+x2')2))])其中ω1=2πf/p=2π×50/2=157rad/s代入數(shù)據(jù)：Tmax=(1.5×2×3802)/(157×[(0.15+√(0.152+(0.3+0.35)2))])計(jì)算分母：√(0.0225+0.4225)=√0.445≈0.667，r1+0.667≈0.817分子：1.5×2×144400=433200Tmax=433200/(157×0.817)≈433200/128.3≈3376N·m3.（1）電阻R=ρl/S=2.85×10-8×100×103/(150×10-6)=2.85×10-3×100/0.15=1.9Ω（注：S=150mm2=150×10-6m2）（2）幾何均距Dm=1.26×4=5.04m，導(dǎo)線(xiàn)半徑r=d/2=8.5mm=0.0085m電感L=2×10-7×l×ln(Dm/r)=2×10-7×100×103×ln(5.04/0.0085)=0.02×ln(592.9)≈0.02×6.39≈0.1278H（3）電容C=2πε0εrl/ln(Dm/r)=2π×8.85×10-12×1×100×103/ln(592.9)≈5.56×10-6/6.39≈8.7×10-7F=0.87μF五、綜合分析題（1）電氣控制原理圖（略，文字描述關(guān)鍵部分）：主電路：三相電源→斷路器QF（短路保護(hù)）→接觸器KM1主觸點(diǎn)（正轉(zhuǎn)）、KM2主觸點(diǎn)（反轉(zhuǎn)）→熱繼電器FR（過(guò)載保護(hù)）→電動(dòng)機(jī)M?？刂齐娐罚弘娫础鶩U（熔斷器）→停止按鈕SB1（常閉）、遠(yuǎn)程停止X11（常閉）→啟動(dòng)按鈕SB2（常開(kāi)）并聯(lián)KM1輔助觸點(diǎn)（自鎖）→KM1線(xiàn)圈串聯(lián)KM2輔助常閉觸點(diǎn)（互鎖）→FR常閉觸點(diǎn)→電源；同理，反轉(zhuǎn)控制回路：停止按鈕→啟動(dòng)按鈕SB3并聯(lián)KM2輔助觸點(diǎn)→KM2線(xiàn)圈串聯(lián)KM1輔助常閉觸點(diǎn)→FR常閉觸點(diǎn)→電源；遠(yuǎn)程啟動(dòng)X10并聯(lián)本地啟動(dòng)按鈕。（2）PLC輸入輸出分配表：輸入（X）：X0-本地停止SB1（常閉），X1-本地正轉(zhuǎn)啟動(dòng)SB2（常開(kāi)），X2-本地反轉(zhuǎn)啟動(dòng)SB3（常開(kāi)），X10-遠(yuǎn)程啟動(dòng)（常開(kāi)），X11-遠(yuǎn)程停止（常閉），X12-FR過(guò)載信號(hào)（常閉）輸出（Y）：Y0-正轉(zhuǎn)接觸器KM1，Y1-反轉(zhuǎn)接觸器KM2，Y2-正轉(zhuǎn)指示燈（可選），Y3-反轉(zhuǎn)指示燈（可選）（注：題目要求Y0、Y1顯示狀態(tài)，故Y0=KM1，Y1=KM2）梯形圖程序邏輯：-啟動(dòng)條件：(X1或X10)且X0、X11、X12閉合，且Y1未吸合（KM2常閉觸點(diǎn)）→Y0吸合并自鎖；-反轉(zhuǎn)條件：(X2或X10)且X0、X11、X12閉合，且Y0未吸合（KM1常閉觸點(diǎn)）→Y1吸合并自鎖；-停止條件：X0斷開(kāi)或X11斷開(kāi)→Y0/Y1失電；-過(guò)載保護(hù)：X12斷開(kāi)→Y0/Y1失電。（3）互鎖實(shí)現(xiàn)：正轉(zhuǎn)接觸器KM1的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在反轉(zhuǎn)控制回路中，反轉(zhuǎn)接觸器KM2的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在正轉(zhuǎn)控制回路中，確保KM1和KM2不能同時(shí)吸合，避免電源短路。過(guò)載保護(hù)通過(guò)熱繼電器FR的常閉