中级工程师《电气专业》考试大纲及题解

中级工程师《电气专业》考试大纲及题解一、考试大纲（一）电路原理1、基本电路元件电阻、电容、电感的特性。电阻主要是对电流的阻碍作用，遵循欧姆定律，即\（I＝U/R\），在电路中消耗电能转化为热能。电容能够储存电荷，其电容值\（C=＼frac{Q}｛U}＼），它在电路中对交流信号有阻碍作用，容抗\（X_C=＼frac{1}｛2\pifC}＼），在直流电路中相当于开路（充电完成后）。电感能储存磁场能量，电感值\（L=＼frac{＼varPhi}｛I}＼），对交流信号也有阻碍作用，感抗\（X_L＝2\pifL\），在直流电路中相当于短路。理想电源（电压源和电流源）。电压源能提供恒定的电压，不管外电路的电阻如何变化，其两端电压不变；电流源能提供恒定的电流，不管外电路的电阻如何变化，其输出电流不变。实际电源可以等效为一个理想电源和一个内阻串联（电压源情况）或者并联（电流源情况）的模型。2、基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）。它指出在任何一个集总电路中，在任一时刻，流入一个节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。例如在一个有三条支路交汇的节点，＼（I_1+I_2＝I_3\），这是基于电荷守恒定律得出的。基尔霍夫电压定律（KVL）。在任何一个集总电路中，在任一时刻，沿任一闭合回路，各段电路电压的代数和为零。例如在一个简单的串联电路组成的闭合回路中，＼（EIRUL=0\），这是基于能量守恒定律得出的。3、电路的分析方法支路电流法。以支路电流为未知量，根据基尔霍夫定律列出方程组求解。对于有\（n\）个节点和\（b\）条支路的电路，需要列出\（n1\）个KCL方程和\（b(n1)＼）个KVL方程。节点电压法。以节点电压为未知量，先求出节点电压，再进一步求出支路电流等其他量。对于有\（n\）个节点的电路，需要选择一个参考节点，然后列出\（（n1)＼）个节点电压方程。叠加定理。在线性电路中，任一支路的电流（或电压）可以看成是电路中每一个独立电源单独作用于电路时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和。例如一个电路中有电压源\（E_1\）和\（E_2\），求某支路电流\（I\）时，可以分别求出\（E_1\）单独作用时的电流\（I_1\）和\（E_2\）单独作用时的电流\（I_2\），则\（I＝I_1+I_2\）。戴维南定理和诺顿定理。戴维南定理指出任何一个线性含源二端网络，对外电路来说，可以用一个电压源和一个电阻串联的等效电路来代替，电压源的电压等于该二端网络的开路电压，串联电阻等于该二端网络中所有独立源为零（电压源短路，电流源开路）时的等效电阻。诺顿定理则是用一个电流源和一个电阻并联的等效电路来代替，电流源的电流等于该二端网络的短路电流，并联电阻与戴维南等效电阻相同。（二）电机学1、变压器变压器的基本结构和工作原理。变压器主要由铁芯和绕组组成。其工作原理基于电磁感应定律，当一次绕组接入交流电源时，会在铁芯中产生交变磁通，这个磁通会在二次绕组中感应出电动势。变压器的变压比\（k=＼frac{N_1}｛N_2}＝＼frac{U_1}｛U_2}＼）（理想情况下），其中\（N_1\）、＼（N_2\）分别是一次、二次绕组的匝数，＼（U_1\）、＼（U_2\）分别是一次、二次绕组的电压。变压器的额定值。包括额定容量\（S_N\）（单位为VA或kVA），额定电压\（U_1N\）、＼（U_2N\），额定电流\（I_1N\）、＼（I_2N\）等。额定容量\（S_N＝U_1NI_1N=U_2NI_2N\）。变压器的运行特性。主要有外特性和效率特性。外特性描述二次电压随负载电流变化的关系，当负载为感性或容性时，二次电压会随负载电流的变化而变化。效率特性是指变压器的效率\（＼eta=＼frac{P_2}｛P_1}＼）随负载的变化情况，其中\（P_2\）是输出功率，＼（P_1\）是输入功率，变压器的效率在负载系数为某个值时达到最高。2、交流电机三相异步电动机的结构和工作原理。结构上主要有定子和转子两大部分，定子上有三相绕组，转子有鼠笼式和绕线式两种。工作原理是基于定子绕组通入三相交流电后产生旋转磁场，旋转磁场切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势和感应电流，感应电流在磁场中受到电磁力的作用，从而使转子转动。其同步转速\（n_1=＼frac{60f}｛p}＼），其中\（f\）是电源频率，＼（p\）是电机的极对数，转子转速\（n\）略低于同步转速，转差率\（s=＼frac{n_1n}｛n_1}＼）。三相异步电动机的机械特性。机械特性曲线描述了电动机的转矩\（T\）与转速\（n\）之间的关系。在稳定运行区，电动机的转矩随着负载转矩的变化而自动调整转速以保持平衡。最大转矩\（T_{max}＼）与电机的参数有关，当负载转矩超过最大转矩时，电动机将停转。三相异步电动机的启动、调速和制动。启动方法有直接启动（小容量电机适用）、降压启动（如星三角启动、自耦变压器降压启动等）。调速方法有变频调速、变极调速、改变转差率调速等。制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动等。3、直流电机直流电机的结构和工作原理。直流电机由定子和转子组成，定子主要有主磁极、换向极等，转子有电枢绕组和换向器等。工作原理是基于在磁场中的通电导体受到电磁力的作用。当电枢绕组通入直流电时，在磁场的作用下产生转矩使电机转动，同时电枢绕组在转动过程中会切割磁场产生感应电动势，这个感应电动势与电源电压方向相反，称为反电动势。直流电机的分类。根据励磁方式可分为他励、并励、串励和复励直流电机。不同励磁方式的电机具有不同的特性，例如他励直流电机的转速与电枢电压成正比，转矩与电枢电流成正比；串励直流电机的转矩与电枢电流的平方成正比，不适合空载运行等。（三）电力电子技术1、电力电子器件电力二极管。它是不可控器件，具有单向导电性，在电路中主要起整流作用。当阳极电压高于阴极电压且正向电压超过死区电压时，二极管导通；当阴极电压高于阳极电压时，二极管截止。晶闸管。晶闸管是半控型器件，有三个电极：阳极、阴极和门极。当阳极和阴极之间加正向电压，且门极有触发电流时，晶闸管导通，导通后即使门极电流消失，只要阳极和阴极之间的正向电压足够大，晶闸管仍保持导通状态，只有当阳极和阴极之间的电压为零或反向时，晶闸管才会关断。电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型器件。GTR是一种电流控制型器件，具有放大作用，在电路中可用于功率放大等应用。IGBT是一种复合器件，结合了MOSFET和GTR的优点，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小等优点，在现代电力电子电路中广泛应用。2、整流电路单相整流电路。包括单相半波整流电路，其输出电压平均值\（U_d=＼frac{045U_2}｛1＋＼cos\alpha}＼）（＼（＼alpha\）为控制角）；单相桥式整流电路，输出电压平均值\（U_d＝09U_2\）（无控制角时），其输出电压的脉动较小，整流效率较高。三相整流电路。三相半波整流电路，输出电压平均值\（U_d＝117U_2\）（无控制角时）；三相桥式整流电路，输出电压平均值\（U_d＝234U_2\）（无控制角时），三相整流电路输出电压的脉动比单相整流电路小得多，且输出功率较大，适用于大功率整流的场合。3、逆变电路逆变的概念。逆变是将直流电转换为交流电的过程，与整流过程相反。根据逆变后交流侧的性质，可分为有源逆变和无源逆变。有源逆变是将直流电逆变成与电网同频率的交流电并反馈回电网；无源逆变是将直流电逆变成某一频率的交流电供给负载。逆变电路的基本原理。以单相桥式逆变电路为例，通过控制四个开关器件的通断顺序，可以将直流电压逆变成交流电压。例如，当\（S1\）、＼（S4\）导通，＼（S2\）、＼（S3\）截止时，输出电压为正；当\（S2\）、＼（S3\）导通，＼（S1\）、＼（S4\）截止时，输出电压为负。（四）电力系统分析1、电力系统的基本概念电力系统的组成。包括发电、输电、变电、配电和用电等环节。发电厂将一次能源（如煤炭、水能、风能等）转化为电能，通过输电线路将电能输送到远方的变电站，变电站进行电压变换后再通过配电线路将电能分配到各个用户。电力系统的额定电压等级。我国常用的电压等级有220V、380V（低压），10kV、35kV、110kV、220kV、500kV、750kV、1000kV（高压及超高压）等。不同电压等级适用于不同的输电距离和输电容量。2、电力系统的潮流分析潮流计算的目的。潮流计算是分析电力系统稳态运行情况的一种基本计算，主要目的是确定电力系统中各节点的电压、各支路的电流和功率等。潮流计算的基本方程。基于节点电压方程，对于有\（n\）个节点的电力系统，需要根据已知条件（如发电机节点的功率、负荷节点的功率等）列出\（n1\）个节点功率方程，然后求解这些方程得到节点电压和支路功率等。3、电力系统的短路分析短路的类型。常见的短路类型有三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路等。其中三相短路是最严重的短路类型，其短路电流最大。短路电流的计算。短路电流计算的方法有标幺值法和有名值法。标幺值法是将各电气量转化为相对值（标幺值）进行计算，其优点是计算简便，便于不同电压等级的电力系统进行计算；有名值法是直接用实际的电气量（如电压、电流、阻抗等）进行计算。短路电流的计算对于电力系统中电气设备的选择（如断路器、熔断器等）和保护装置的整定具有重要意义。（五）高电压技术1、气体放电的基本理论气体放电的过程。气体放电通常经历非自持放电和自持放电两个阶段。在非自持放电阶段，需要外界电离源来维持电离过程；当达到自持放电阶段时，气体内部的电离过程可以自行维持。汤逊理论和流注理论。汤逊理论适用于低气压、短间隙的气体放电情况，它认为气体放电是由电子碰撞电离和正离子撞击阴极表面产生二次电子发射等过程共同作用的结果。流注理论适用于高气压、长间隙的气体放电情况，认为电子崩发展到一定程度后会形成流注，流注的发展导致气体放电的形成。2、高电压绝缘绝缘材料的性能。包括绝缘电阻、介电常数、介质损耗角正切等。绝缘电阻反映了绝缘材料对电流的阻碍能力，介电常数反映了绝缘材料在电场中的极化特性，介质损耗角正切反映了绝缘材料在交变电场中的损耗特性。绝缘结构的设计。在设计绝缘结构时，需要考虑电场分布、电压等级、环境条件等因素。例如，对于高压电气设备，采用均压环等措施来改善电场分布，提高绝缘性能。3、高电压试验工频耐压试验。工频耐压试验是检验电气设备绝缘耐受工频电压能力的试验。试验电压一般高于设备的额定电压，通过施加一定时间（如1分钟）的工频电压，观察设备是否发生绝缘击穿等现象。冲击耐压试验。冲击耐压试验是检验电气设备绝缘耐受冲击电压能力的试验。冲击电压包括雷电冲击电压和操作冲击电压，雷电冲击电压模拟雷电过电压，操作冲击电压模拟电力系统操作过电压。二、题解（一）电路原理部分1、单选题一个电阻\（R＝10\Omega\），两端电压\（U＝20V\），则通过该电阻的电流\（I\）为（）。A05AB2AC15AD3A解：根据欧姆定律\（I＝U/R\），＼（I=＼frac{20}｛10}＝2A\），所以答案为B。对于电容\（C＝10\muF\），在频率\（f＝50Hz\）的交流电路中，其容抗\（X_C\）为（）。A3183\OmegaB6366\OmegaC1592\OmegaD500\Omega解：根据容抗公式\（X_C=＼frac{1}｛2\pifC}＼），＼（X_C=＼frac{1}｛2\pi\times50\times10\times10^｛6}｝＼approx3183\Omega\），答案为A。2、计算题已知一个由两个电源（＼（E_1＝10V\），内阻\（r_1＝1\Omega\）；＼（E_2＝5V\），内阻\（r_2＝05\Omega\））和三个电阻（＼（R_1＝2\Omega\），＼（R_2＝3\Omega\），＼（R_3＝4\Omega\））组成的电路，求通过\（R_3\）的电流。解：首先将实际电源等效为理想电源和内阻串联的形式。然后采用叠加定理。当\（E_1\）单独作用时，将\（E_2\）短路，此时电路的总电阻\（R＝r_1+R_1+＼frac{（R_2＋R_3)（r_2)｝｛（R_2＋R_3)＋r_2}＼）＼（＝1＋2+＼frac{（3＋4)＼times05}｛（3＋4)＋05}＼）＼（＝1＋2+＼frac{35}｛75}＼approx347\Omega\）此时通过\（R_3\）的电流\（I_{13}＝＼frac{E_1}｛R}＼times\frac{R_2}｛R_2＋R_3}＼）＼（＝＼frac{10}｛347}＼times\frac{3}｛3＋4}＼approx124A\）当\（E_2\）单独作用时，将\（E_1\）短路，此时电路的总电阻\（R