電氣工程概論-第一章-緒論

1、電氣工程概論范瑜 主編高等教育出版社1第1章 緒論21.1 電氣工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位電氣工程的研究對(duì)象：電氣工程是與電能生產(chǎn)和應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)，具體的講：是研究電能的產(chǎn)生、傳輸、變換、控制、存以及應(yīng)用的專業(yè)，同時(shí)它也是工程教育體系中的一個(gè)學(xué)科。在我國高等學(xué)校的本科專業(yè)目錄中，電氣工程對(duì)應(yīng)的專業(yè)是電氣工程及其自動(dòng)化或電氣工程與自動(dòng)化。本科和博士生的專業(yè)為電氣工程及其自動(dòng)化,碩士研究生就讀電氣工程有5個(gè)二級(jí)學(xué)科.31998年國家頒布的大學(xué)本科專業(yè)目錄電機(jī)電器及其控制電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化高電壓與絕緣技術(shù)電氣技術(shù)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)注：在同時(shí)頒布的工科引導(dǎo)性專業(yè)目錄中，把電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)和自動(dòng)化

2、專業(yè)中的部分合并為電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。強(qiáng)弱電結(jié)合，二者并重的專業(yè)4 在研究生學(xué)科專業(yè)目錄中，電氣工程是工學(xué)門類中的一個(gè)一級(jí)學(xué)科，包含五個(gè)二級(jí)學(xué)科:電氣工程 代號(hào)0808 080801電機(jī)與電器080802電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化080803高電壓與絕緣技術(shù)080804電力電子與電力傳動(dòng)080805電工理論與新技術(shù)電氣工程的學(xué)科地位和研究?jī)?nèi)容5“電氣工程” 的英文定義是： The branch of engineering science that studies the uses of electricity and the equipment for power generation and d

3、istribution and the control of machines and communication。（工程科學(xué)的一個(gè)分支，研究電氣的應(yīng)用和發(fā)配電設(shè)備與機(jī)械的控制以及通信）。 目前，我國的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)不包括通信。電氣工程的定義6電氣工程的理論基礎(chǔ)：電氣科學(xué)電氣科學(xué)與工程所涉及的領(lǐng)域：電磁學(xué)與電路理論電機(jī)電器學(xué)電力系統(tǒng)電工材料學(xué)高電壓與絕緣電力電子學(xué)脈沖功率技術(shù)放電理論與放電等離子體超導(dǎo)電工學(xué)生物電磁學(xué)電磁兼容 新能源與新發(fā)電技術(shù)電氣工程的理論基礎(chǔ)和涉及領(lǐng)域7現(xiàn)代五大工程電氣工程、土木工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程和管理工程與“現(xiàn)代五大工程”的其它工程相比，電氣工程的突出特點(diǎn)：

4、1.電氣工程的出現(xiàn)不是來源于文明發(fā)展的自身需要，而是來源于科學(xué)發(fā)現(xiàn)。2.電氣工程以全新的能量形態(tài)開辟了一個(gè)人類文明的新領(lǐng)域，伴生了電子工程，孕育了通訊、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等工程領(lǐng)域，為信息時(shí)代的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。3.在信息時(shí)代，電氣工程滲透到現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。電氣工程在國民經(jīng)濟(jì)中的地位參看P4第3段。81.2 電氣科學(xué)與工程的發(fā)展簡(jiǎn)史司南模型9時(shí)間典型事件人物/國家公元前七世紀(jì) 發(fā)現(xiàn)磁石與磁現(xiàn)象 中國、希臘 公元前一世紀(jì) 靜電吸引 王充（敘述），中國 1600年 論磁石論述磁現(xiàn)象（近代電磁學(xué)研究的開端）吉爾伯特，英國 1660年發(fā)明摩擦起電機(jī) 奧托馮庫克，德國 1745年 發(fā)明萊頓瓶荷蘭萊頓大學(xué)，克

5、里斯特與莫什布魯克 10吉爾伯特和他的著作論磁石11帶有萊頓瓶的起電機(jī)荷蘭萊頓大學(xué)，克里斯特與莫什布魯克 起電機(jī)是一種借助人力或其他動(dòng)力克服靜電力以獲得靜電的機(jī)械，簡(jiǎn)稱起電機(jī)。跟一般的 發(fā)電機(jī)不同，起電機(jī)只能產(chǎn)生較高的電壓，而由此放電產(chǎn)生的短暫脈沖電流，平 均值很小，一般不超過幾毫安。 12時(shí)間典型事件 人物/國家1747年 發(fā)明避雷針富蘭克林 ，美國1785年 發(fā)現(xiàn)庫侖定律 庫侖，法國1800年發(fā)明伏打電池伏打，意大利13庫侖和他發(fā)明的扭力天平14伏特與伏打電池伏打電池使電不再是微弱的轉(zhuǎn)瞬即逝的現(xiàn)象，讓電學(xué)邁出了靜電學(xué)的狹小范圍，極大地推動(dòng)了電學(xué)的研究與應(yīng)用。15時(shí)間典型事件及意義人物/國家

6、1820年 發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)奧斯特，丹麥1820年研究通電導(dǎo)線之間的吸引或排斥現(xiàn)象，隨后建立安培定律 安培，法國（電流的單位A）1826年 歐姆定律 歐姆，德國（電阻）1831年 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并建立電磁感應(yīng)定律法拉第，英國（電容F）1864年麥克斯韋方程（現(xiàn)代電磁學(xué)最重要的理論基礎(chǔ)）麥克斯韋，英國16安培與他的實(shí)驗(yàn)裝置17歐姆與他的實(shí)驗(yàn)裝置18法拉第與最早的發(fā)電機(jī)法拉第盤19時(shí)間典型事件及意義代表人物1832年 第一臺(tái)實(shí)用的直流發(fā)電機(jī)皮克斯，法國1834年 第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī) 雅可比，德籍俄國人1866年 第一臺(tái)自激式發(fā)電機(jī) 西門子，德國20皮克斯發(fā)明的直流發(fā)電機(jī)21雅可比發(fā)明的世界上第一

7、臺(tái)電動(dòng)機(jī)模型與實(shí)用電動(dòng)機(jī)22西門子與他的自激式發(fā)電機(jī)23麥克斯韋與他所著的電磁通論24電弧燈（左）與愛迪生發(fā)明的白熾燈251882年，愛迪生在紐約建立發(fā)電廠 1881年美國的著名發(fā)明家愛迪生開始籌建中央發(fā)電廠，1882年總共有兩座初具規(guī)模的發(fā)電廠投產(chǎn)。1月倫敦荷陸恩橋的愛迪生公司開始發(fā)電，供應(yīng)圣馬廠郵局，橋西的城市大教堂和橋頭旅館等用電，發(fā)電廠利用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，電壓為110伏，電力可供1000個(gè)愛迪生燈泡用。同年末紐約珍珠街愛迪生公司發(fā)電廠也裝上了同型機(jī)組，這是美國的第一座發(fā)電廠，內(nèi)裝6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可供6000個(gè)愛迪生燈泡用電 。26電氣工程信息化信息獲取與處理信息傳輸信息應(yīng)用信息系統(tǒng)安

8、全網(wǎng)絡(luò)化電力網(wǎng)絡(luò)信息通信網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)SCADA/EMSDMS/DSM/GIS數(shù)字化數(shù)字化測(cè)控?cái)?shù)字信號(hào)處理數(shù)字仿真分析數(shù)字電力系統(tǒng)樓宇智能化智能建筑供配電智能建筑通訊智能建筑防盜綜合布線系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)與控制“線控”汽車全電艦船多(全)電飛機(jī)材料科學(xué)超導(dǎo)材料半導(dǎo)體材料永磁材料生命科學(xué)生物醫(yī)學(xué)電磁技術(shù)磁共振成像技術(shù)電工高新技術(shù)磁懸浮技術(shù)磁流體發(fā)電技術(shù)1.3 電氣工程的發(fā)展前景 27線控汽車返回28全電旅游船電氣設(shè)備布置返回29多電飛機(jī)電氣設(shè)備布置采用電磁懸浮軸承取代發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械軸承，用電液執(zhí)行器取代液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器并且采用很多電力電子裝置。30飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)分類機(jī)械式液壓式電驅(qū)式電傳式智能式光纖

9、式通過機(jī)械裝置將駕駛艙控制桿與方向舵踏板的操縱量傳遞到副翼和升降舵。（滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航）通過機(jī)械液壓裝置將駕駛艙控制桿與方向舵踏板的操縱量傳遞到副翼和升降舵。（滾轉(zhuǎn)，俯仰和偏航）用電傳操縱代替機(jī)械回路，用液壓回路控制相關(guān)控制面。用光纖代替電纜，提高信號(hào)傳遞的速度和抗干擾能力。用電傳代替機(jī)械回路，用電力回路代替液壓回路?，F(xiàn)代電傳操縱系統(tǒng)的一種擴(kuò)充，目的是增強(qiáng)對(duì)飛行中的損壞和失效等情況的控制性。3132電驅(qū)式操縱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)省重量；可以配置更多的冗余電力回路以保證飛機(jī)飛行的可靠性。飛控系統(tǒng)和航電系統(tǒng)具有更高的集成度；取消液壓回路極大地降低了維護(hù)成本。我國的殲-10飛機(jī)就采用放寬靜穩(wěn)定度的4余度電傳

10、操縱系統(tǒng)。返回33智能樓宇示意圖返回在建筑中綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和電氣工程技術(shù)構(gòu)成樓宇自動(dòng)化技術(shù)。智能樓宇的目標(biāo)是：提供安全、舒適、快捷的優(yōu)質(zhì)服務(wù)；建立先進(jìn)的管理機(jī)制；節(jié)省能耗和降低人工成本。34近年來的研究熱點(diǎn)：電力大系統(tǒng)、電力傳動(dòng)系統(tǒng)及電力電子變流系統(tǒng)中的各類問題；生物、醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域中的電磁方法與新技術(shù)；氣體放電及多相混合體放電問題；基于新材料、新原理或?yàn)殚_拓新應(yīng)用領(lǐng)域的電機(jī)、電器；反映各類電器設(shè)備電器或絕緣性能演變的多因子規(guī)律及其觀察和測(cè)量技術(shù)；電能質(zhì)量的理論及其測(cè)量、控制；可再生能源發(fā)電、電能存儲(chǔ)和電力變換技術(shù)；現(xiàn)代測(cè)量原理及傳感技術(shù)；脈沖功率技術(shù)與低溫等離子體應(yīng)用

11、基礎(chǔ)；電力電磁兼容問題以及復(fù)雜電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行、控制及規(guī)劃的理論及其應(yīng)用。351.4 電氣工程的理論基礎(chǔ)電路的基本物理量及其正方向；歐姆定律；基爾霍夫定律。UIRUIRU6VI-2AR+-（1）電路理論的基本概念與基本定律36（2）電磁場(chǎng)理論的基本概念與基本定律1.法拉第電磁感應(yīng)定律（磁生電的基本定律）2.安培環(huán)路定律（電生磁的基本定律）3.電磁力定律（電磁相互作用的基本定律）4.麥克斯韋方程組（聯(lián)系電荷、電流和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本微分方程組）371.5 電氣工程常用的計(jì)算機(jī)程序簡(jiǎn)介1. MATLAB MATLAB是美國Mathwork公司自1984年開始推出的一種使用簡(jiǎn)便的工程計(jì)算語言，由

12、于其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力和開放靈活的應(yīng)用界面而在科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件幾乎支持各個(gè)工程領(lǐng)域。382. PSpice SPICE 是美國加州大學(xué)Berkely分校在20世紀(jì)70年代早期為集成電路仿真開發(fā)的，它是低功率等級(jí)電力電子最廣泛應(yīng)用的仿真程序。 微機(jī)版本的SPICE稱為PSpice。 393.EMTP EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) 是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件,是電力系統(tǒng)中高電壓等級(jí)的電力網(wǎng)絡(luò)和電力電子仿真應(yīng)用最廣泛的程序。

13、EMTP側(cè)重的是系統(tǒng)級(jí)的運(yùn)行工況而不是個(gè)別元件的細(xì)節(jié)。它包含電機(jī)、變壓器、傳輸線、二極管、晶閘管和開關(guān)等元件的模型。 EMTP是一個(gè)不斷發(fā)展的軟件，擁有推動(dòng)其發(fā)展的大量資源，成為美國電力系統(tǒng)和電力電子仿真方面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 40電氣工程常用的軟件還有混合信號(hào)及混合技術(shù)仿真軟件Saber、電磁場(chǎng)分析計(jì)算軟件Ansoft等。41學(xué)科的知識(shí)教育部將高等院校里的學(xué)科門類分類為一級(jí)學(xué)科和二級(jí)學(xué)科一級(jí)學(xué)科是學(xué)科大類,用四位碼表示。二級(jí)學(xué)科是其下的學(xué)科小類，用六位碼表示。01 哲學(xué) 02 經(jīng)濟(jì)學(xué) 03法學(xué)04教育學(xué)05文學(xué)06歷史學(xué)07理學(xué)08工學(xué)09農(nóng)學(xué)10醫(yī)學(xué)11軍事學(xué)12管理學(xué)（門類）0808 電氣工程

14、 （一級(jí)學(xué)科）080801電機(jī)與電器 080802電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 080804電力電子與電力傳動(dòng) 返回42電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)介紹學(xué)科：工學(xué) 門類：電氣信息類 專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)：本專業(yè)培養(yǎng)能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗(yàn)分析、研制開發(fā)、經(jīng)濟(jì)管理以及電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作的寬口徑復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才。業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)電工技術(shù)、電子技術(shù)、信息控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面較寬廣的工程技術(shù)基礎(chǔ)和一定的專業(yè)知識(shí)。本專業(yè)主要特點(diǎn)是強(qiáng)弱電結(jié)合、電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合，學(xué)生受到電工電子、

15、信息控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的基本訓(xùn)練，具有解決電氣工程技術(shù)分析與控制技術(shù)問題的基本能力。修業(yè)年限：四年授予學(xué)位：工學(xué)學(xué)士 43畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：1掌握較扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等自然科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，具有較好的人文社會(huì)科學(xué)和管理科學(xué)基礎(chǔ)和外語綜合能力；2系統(tǒng)地掌握本專業(yè)領(lǐng)域必需的較寬的技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)，主要包括電工理論、電子技術(shù)、信息處理、控制理論、計(jì)算機(jī)軟硬件基本原理與應(yīng)用等；3獲得較好的工程實(shí)踐訓(xùn)練，具有較熟練的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；4具有本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)1-2個(gè)專業(yè)方向的專業(yè)知識(shí)與技能，了解本專業(yè)學(xué)科前沿的發(fā)展趨勢(shì)；5具有較強(qiáng)的工作適應(yīng)能力，具備一定的科學(xué)研究、科技開發(fā)和組織管理的實(shí)際工作能力。44主干學(xué)科：電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程。主要課程：電路原理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、電氣控制、單片機(jī)原理、微機(jī)原理與接口、技術(shù)電力拖動(dòng)與控制