電氣工程概論 第一章 緒論

1、電氣工程概論電氣工程概論范瑜 主編高等教育出版社2第第1章章 緒論緒論3電氣工程的研究對(duì)象：電氣工程是與電能生電氣工程的研究對(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)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)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)化電氣工程及其自動(dòng)化或電氣工程電氣工程與自動(dòng)化。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.4199

2、8年國家頒布的大學(xué)本科專業(yè)目錄年國家頒布的大學(xué)本科專業(yè)目錄電機(jī)電器及其控制電機(jī)電器及其控制電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化高電壓與絕緣技術(shù)高電壓與絕緣技術(shù)電氣技術(shù)電氣技術(shù)電氣工程及其電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)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)化專業(yè)中的部分合并為電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)。專業(yè)和自動(dòng)化專業(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，二者并重強(qiáng)弱電結(jié)合，二者并重的專業(yè)的專業(yè)5 在研究生學(xué)科專業(yè)目錄中，電氣工程是工學(xué)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)

3、二級(jí)學(xué)科門類中的一個(gè)一級(jí)學(xué)科，包含五個(gè)二級(jí)學(xué)科:電氣工程電氣工程 代號(hào)代號(hào)0808 l080801電機(jī)與電器l080802電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化l080803高電壓與絕緣技術(shù)l080804電力電子與電力傳動(dòng)l080805電工理論與新技術(shù)電氣工程的學(xué)科地位和研究?jī)?nèi)容電氣工程的學(xué)科地位和研究?jī)?nèi)容6“電氣工程電氣工程” 的英文定義是：的英文定義是： The branch of engineering science that studies the uses of electricity and the equipment for power generation and distribution an

4、d 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。電氣工程的定義電氣工程的定義7電氣工程的理論基礎(chǔ)：電氣科學(xué)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：電氣科學(xué)與工程所涉及的領(lǐng)域：電磁學(xué)與電路理論電磁學(xué)與電路理論電機(jī)電器學(xué)電機(jī)電器學(xué)電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)電工材料學(xué)電工材料學(xué)高電壓與絕緣高電壓與絕緣電力電子學(xué)電力電子學(xué)脈沖功率技術(shù)脈沖功率技術(shù)放電理論與放電等離子體放電理論與放電等離子體超導(dǎo)電工學(xué)超導(dǎo)電工學(xué)生物電磁學(xué)生物電磁學(xué)電磁兼容電

5、磁兼容 新能源與新發(fā)電技術(shù)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)域電氣工程的理論基礎(chǔ)和涉及領(lǐng)域8現(xiàn)代五大工程現(xiàn)代五大工程電氣工程、土木工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程和管電氣工程、土木工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程和管理工程理工程與與“現(xiàn)代五大工程現(xiàn)代五大工程”的其它工程相比，電氣工程的突出特點(diǎn)：的其它工程相比，電氣工程的突出特點(diǎn)：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)。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，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)

6、、網(wǎng)絡(luò)等工程領(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)。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。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。9司南模型10時(shí)間時(shí)間典型事件典型事件人物人物/ /國家國家公元前七世紀(jì)公元前七世紀(jì) 發(fā)現(xiàn)磁石與磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)磁石與磁現(xiàn)象 中國、希臘中國、希臘 公元前一世紀(jì)公元前一世紀(jì) 靜電吸引靜電吸引 王充（敘述），中國王充（敘述），中國 16001600年年 論磁石論磁石論述磁論述磁現(xiàn)象現(xiàn)象（近代電磁學(xué)（近代電磁學(xué)研究的開端）研究的開端）吉爾伯特，英國吉爾伯特，英國 16601660年年發(fā)

7、明摩擦起電機(jī)發(fā)明摩擦起電機(jī) 奧托奧托馮馮庫克，德國庫克，德國 17451745年年 發(fā)明發(fā)明萊頓瓶萊頓瓶荷蘭萊頓大學(xué)，克里斯特與荷蘭萊頓大學(xué)，克里斯特與莫什布魯克莫什布魯克 1112荷蘭萊頓大學(xué)，克里斯特與莫什布魯克荷蘭萊頓大學(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。 13時(shí)間時(shí)間典型事件典型事件 人物人物/ /國家國家17471747年年 發(fā)明避雷針發(fā)明避雷針富蘭克林富蘭克林 ，美國，美國17851785年年 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)庫侖定律庫侖

8、定律 庫侖，法國庫侖，法國18001800年年發(fā)明伏打電池發(fā)明伏打電池伏打，意大利伏打，意大利1415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。小范圍，極大地推動(dòng)了電學(xué)的研究與應(yīng)用。16時(shí)間時(shí)間典型事件及意義典型事件及意義人物人物/ /國家國家18201820年年 發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)奧斯特，丹麥奧斯特，丹麥18201820年年研究通電導(dǎo)線之間的吸研究通電導(dǎo)線之間的吸引或排斥現(xiàn)象，隨后建引或排斥現(xiàn)象，隨后建立安培定律立安培定律 安培，法國（電流的單位安培，法國（電

9、流的單位A A）18261826年年 歐姆定律歐姆定律 歐姆，德國（電阻）歐姆，德國（電阻）18311831年年 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并建發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并建立電磁感應(yīng)定律立電磁感應(yīng)定律法拉第，法拉第，英國（電容英國（電容F F）18641864年年麥克斯韋方程（現(xiàn)代電麥克斯韋方程（現(xiàn)代電磁學(xué)最重要的理論基礎(chǔ)）磁學(xué)最重要的理論基礎(chǔ)）麥克斯韋，英國麥克斯韋，英國17181920時(shí)間時(shí)間典型事件及意義典型事件及意義代表人物代表人物18321832年年 第一臺(tái)實(shí)用的直流發(fā)電機(jī)第一臺(tái)實(shí)用的直流發(fā)電機(jī)皮克斯皮克斯，法國，法國18341834年年 第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī)第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī) 雅可比雅可比，德籍俄國人

10、，德籍俄國人18661866年年 第一臺(tái)自激式發(fā)電機(jī)第一臺(tái)自激式發(fā)電機(jī) 西門子西門子，德國，德國2122232425261882年，愛迪生在紐約建立發(fā)電廠年，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，年美國的著名發(fā)明家愛迪生開始籌建中央發(fā)電廠，1882年總共有兩座年總共有兩座初具規(guī)模的發(fā)電廠投產(chǎn)。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)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)，電壓為直流發(fā)電機(jī)，電

11、壓為110伏，電力可供伏，電力可供1000個(gè)愛迪生燈泡用。同年末紐約個(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，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)裝內(nèi)裝6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可供臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可供6000個(gè)愛迪生燈泡用電個(gè)愛迪生燈泡用電 。27電氣工程電氣工程信息化信息化信息獲取與處理信息獲取與處理信息傳輸信息傳輸信息應(yīng)用信息應(yīng)用信息系統(tǒng)安全信息系統(tǒng)安全網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化電力網(wǎng)絡(luò)電力網(wǎng)絡(luò)信息通信網(wǎng)絡(luò)信息通信網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)SCADA/EMSDMS/DSM/GIS數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字化測(cè)控?cái)?shù)字化測(cè)控?cái)?shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字仿真

12、分析數(shù)字仿真分析數(shù)字電力系統(tǒng)數(shù)字電力系統(tǒng)樓宇智能化樓宇智能化智能建筑供配電智能建筑供配電智能建筑通訊智能建筑通訊智能建筑防盜智能建筑防盜綜合布線系統(tǒng)綜合布線系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)與電氣驅(qū)動(dòng)與控制控制“線控線控”汽車汽車全電艦船全電艦船多多(全全)電飛機(jī)電飛機(jī)材料科學(xué)材料科學(xué)生命科學(xué)生命科學(xué)生物醫(yī)學(xué)電磁技術(shù)生物醫(yī)學(xué)電磁技術(shù)磁共振成像技術(shù)磁共振成像技術(shù)電工高新技術(shù)電工高新技術(shù)磁懸浮技術(shù)磁懸浮技術(shù)磁流體發(fā)電技術(shù)磁流體發(fā)電技術(shù) 28返回29返回30采用電磁懸浮軸承取代發(fā)動(dòng)機(jī)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)行器并且采用代液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器并且采用很多電力電

13、子裝置。很多電力電子裝置。31飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)分類飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)分類機(jī)械式機(jī)械式液壓式液壓式電驅(qū)式電驅(qū)式電傳式電傳式智能式智能式光纖式光纖式通過機(jī)械裝置將駕駛艙控制桿與方向舵踏板的操通過機(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）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）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。關(guān)控制面。用光纖

14、代替電纜，提高信號(hào)傳遞的速度和抗干擾能用光纖代替電纜，提高信號(hào)傳遞的速度和抗干擾能力。力。用電傳代替機(jī)械回路，用電力回路代替液壓回路用電傳代替機(jī)械回路，用電力回路代替液壓回路。現(xiàn)代電傳操縱系統(tǒng)的一種擴(kuò)充，目的是增強(qiáng)對(duì)現(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。飛行中的損壞和失效等情況的控制性。3233電驅(qū)式操縱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)電驅(qū)式操縱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1. 節(jié)省重量；節(jié)省重量；2. 可以配置更多的冗余電力回路以保證飛機(jī)飛行的可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?？啃浴?. 飛控系統(tǒng)和航電系統(tǒng)具有更高的集成度；飛控系統(tǒng)和航電系統(tǒng)具有更高的集成度；4. 取消液壓回路

15、極大地降低了維護(hù)成本。取消液壓回路極大地降低了維護(hù)成本。我國的殲我國的殲-10飛機(jī)就采用放寬靜穩(wěn)定度的飛機(jī)就采用放寬靜穩(wěn)定度的4余度電傳操縱系統(tǒng)。余度電傳操縱系統(tǒng)。返回34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。3536UIRUIRIUR IURU6VI-2AR+-（1）371.法拉第電磁感應(yīng)定律（磁生電的基本定律）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）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

16、）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）基本微分方程組）38 MATLAB MATLAB是美國是美國MathworkMathwork公司公司自自19841984年開始推出的一種使用簡(jiǎn)年開始推出的一種使用簡(jiǎn)便的工程計(jì)算語言，由于其強(qiáng)大便的工程計(jì)算語言，由于其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力和開放靈活的應(yīng)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)用的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用. .其其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪

17、圖功能。在工程仿真方處理和繪圖功能。在工程仿真方面，面，MATLABMATLAB提供的軟件幾乎支持提供的軟件幾乎支持各個(gè)工程領(lǐng)域。各個(gè)工程領(lǐng)域。39 SPICE 是美國加州是美國加州大學(xué)大學(xué)Berkely分校在分校在20世紀(jì)世紀(jì)70年代早期為集年代早期為集成電路仿真開發(fā)的，成電路仿真開發(fā)的，它是低功率等級(jí)電力它是低功率等級(jí)電力電子最廣泛應(yīng)用的仿電子最廣泛應(yīng)用的仿真程序。真程序。 微機(jī)版本的微機(jī)版本的SPICE稱為稱為PSpice。403.EMTP EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) 是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿

18、真軟件件,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。子仿真應(yīng)用最廣泛的程序。 EMTP側(cè)重的是系統(tǒng)級(jí)的運(yùn)行工況而不是個(gè)別側(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。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)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)。真方面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。41電氣工程常用的軟件還有混合信號(hào)及混

19、合技術(shù)仿真軟件Saber、電磁場(chǎng)分析計(jì)算軟件Ansoft等。42學(xué)科的知識(shí)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。學(xué)科小類，用六位碼表示。01 哲學(xué)哲學(xué) 02 經(jīng)濟(jì)學(xué)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）l0808 電氣工程電氣工程 （一級(jí)學(xué)科）l080801電機(jī)與電器 l080802電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 l080804電力電子與電力傳動(dòng)

20、 返回返回43電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)介紹電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)介紹l學(xué)科學(xué)科：工學(xué) 門類門類：電氣信息類 專業(yè)名稱專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化l業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)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。l業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求業(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、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。l修業(yè)年限修業(yè)年限：四年l授予學(xué)位授予學(xué)位：工學(xué)學(xué)士 44畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力畢業(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