电气工程专业导论

1电气工程专业导论2电气工程在国民经济中的地位电气科学与工程的发展简史电气工程的发展前景电气工程的理论基础电气工程常用计算机程序简介第一章绪论3电气工程学科(专业代码0806)first-gradediscipline

（ElectricalEngineering——Thebranchofengineeringsciencethatstudiestheusesofelectricityandtheequipmentforpowergenerationanddistributionandthecontrolofmachinesandcommunication）.

它是工程科学的一个分支，主要研究电气系统的应用和发配电设备与机械的控制及通信。一、电气工程在国民经济中的地位4一、电气工程在国民经济中的地位(续）电气科学与工程学科分类电磁学与电路理论；电机电器学；电力系统；电工材料学；高电压与绝缘；电力电子学；脉冲功率技术；放电理论与放电等离子体；超导电工学；生物电磁学；电磁兼容；

新能源与新发电技术。

1.普通电机运行与控制；2.新型电机/微特电机；3.高低压电器;4.PLC1.输/配电系统；2.电力系统运行/优化；3.电能质量等。1.导电材料；2.磁性材料；3.半导体材料。1.高电压产生/控制2.工业过电压保护；3.绝缘。1.器件；2.变流；3.控制。1.可再生能源发电技术；2.节电新技术；3.储能技术；4.分布式发电技术。1.电磁兼容性分析与预测；2.电磁兼容性试验技术；5电气工程及其自动化（本科）（1998年专业目录）电机电器及其控制电力系统及其自动化高电压与绝缘技术工业自动化电气技术一、电气工程在国民经济中的地位(续）6电气工程一级学科（硕士、博士）电机与电器电力系统及其自动化高电压与绝缘技术电力电子与电力传动电工理论与新技术一、电气工程在国民经济中的地位(续）本学科内部密切交叉7控制科学与工程信息科学与技术电子科学与技术学科管理及其它相关学科学科与其他学科交叉电气工程及其自动化电机电器及其控制电力系统及其自动化高电压与绝缘技术工业自动化电气技术一、电气工程在国民经济中的地位(续）8二、电气科学与工程的发展简史这个过程大致可分为三个阶段。第一阶段，从公元前大约7世纪至公元16世纪上半叶，在长达两千余年的岁月里，人类对电、磁现象的认识十分缓慢，一直停留在单纯地观察记录的水平上。第二阶段，自16世纪下半叶英国女王的侍医官吉尔伯特开始，人们对电磁现象进行了探讨，并作了一些定性的归纳和总结。这一阶段大约持续了二百年。第三阶段，从18世纪的卡文迪许、库仑开始，人们对电磁现象的研究进入了用科学方法定量研究、总结归纳从而得出规律的阶段。9二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物公元前七世纪发现磁石管子(中国)thale(泰勒斯希腊)公元前二世纪静电吸引西汉初年1600年《论磁石》论述磁并导入“电”electricWilliamGilbert(吉尔伯特)1745年莱顿瓶电容器的原形，存贮电Pietervanmusschenbrock

(穆欣布罗克荷兰莱顿)

EwaldGeorgVonKleit

(克莱斯特德国)10二、电气科学与工程的发展简史（续）吉尔伯特和他的著作《论磁石》11二、电气科学与工程的发展简史（续）带有莱顿瓶的起电机12二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物1747年电荷守恒定律BenjamimFranktin(夫兰克林美国)1754年避雷针ProcopiusDirisch

(狄维施)1785年库仑定律—电磁学进入科学行列CharlesAugustedeCoulom

(库仑法国)13二、电气科学与工程的发展简史（续）库仑和他发明的扭力天平库仑定律14二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物1799年发明电池

提供较长时间的电流AlessandroGrafVolta

(伏特意大利)1820年电流的磁效应（电产生磁）

安培分子电流说

毕奥-萨伐尔定律HansChanstanOersted(奥斯特)

AndreMarieAmpere(安培)

Jean-BaptisteBiot,FelixSavart,French

15二、电气科学与工程的发展简史（续）伏特与伏打电池16二、电气科学与工程的发展简史（续）安培与他的实验装置安培定律17二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物1826年欧姆定律

GeorgSimonohm(欧姆)1831年电磁感应现象

（磁产生电）MichaelFaraday

(法拉第英国)1834年楞次定律楞次18二、电气科学与工程的发展简史（续）欧姆与他的实验装置欧姆定律19二、电气科学与工程的发展简史（续）法拉第与最早的发电机——法拉第盘法拉第电磁感应定律20二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物1832年第一台实用的直流发电机HippolytePixii（皮克斯，法国）1834年第一台实用的电动机

MoritzHermannVonJaccobi

(雅可比，德籍俄国)1866年第一台自激式发电机

ErnstWernerVonSiemens

(西门子，德国)21二、电气科学与工程的发展简史（续）皮克斯发明的直流发电机22二、电气科学与工程的发展简史（续）雅可比发明的世界上第一台电动机模型（左）与实用电动机（右，复制品）23二、电气科学与工程的发展简史（续）西门子与他的自激式发电机24二、电气科学与工程的发展简史（续）时间典型事件及意义代表人物1873年麦克斯韦方程组

建立了电磁学理论，

预言了电磁波Maxwell(麦克斯韦，英国)1879年电灯泡的发明Edison(爱迪生美国)1896年光速公式HendrikAnoenLorentz

(洛仑兹)25二、电气科学与工程的发展简史（续）麦克斯韦与他所著的《电磁通论》麦克斯韦方程26二、电气科学与工程的发展简史（续）电弧灯（左）与爱迪生发明的白炽灯27二、电气科学与工程的发展简史（续）1831年英国人Faraday发现电磁感应现象1832年法国人Orsted制成第一部发电机1834年德国人Heinrich发现楞次定律1864年德国人Maxwell发表电磁波理论1866年德国人Gramme发明自激式直流发电机1876年美国人Bell发明磁铁式电话1875年法国巴黎火车站建立了世界上第一座火力发电厂1879年西门子设计了第一台能乘坐18人的小型电力机车1882年纽约出现第一座直流配电系统28二、电气科学与工程的发展简史（续）1885年美国人Stanley研制成功变压器1886年美国开始发展交流电力系统1887年德国人Hertz实验证明电波存在1888年美国人Tesla发表感应电动机理论1890年美国第一座3.3kv交流输电系统完成1893年芝加哥美国博览会展出双相交流配电系统1896年意大利人Popov发明无线电1897年英国人Thomson证实电子存在1912年美国GE公司正式使用消弧室29二、电气科学与工程的发展简史（续）1918年美国人Fortescue发表解析不平衡理论1933年德国

AEG

公司制造220kv级之气冲式断路器1936年美国自到LA之间完成287kv线路1938年美国人应用布尔代数于交换电路1946年美国宾州大学

Eckert完成ENIAC真空管计算器1948年美国人Bardeen发明晶体管1951年世界第一部商用计算器UNIVAC1951年

美国西屋公司产制

SF6断路器1954年100kV之

HVDC

线路于瑞典正式运行30二、电气科学与工程的发展简史（续）1957年第一座商用

核能电厂

于美国运转1960年美国人

Maiman作雷射证明1961年美国Fairchild及TI公司推出商用IC1962年美国发射第一枚通讯卫星Telstar11969年美国

765kv交流线路完成1971年各型集成电路时期1975年美国Intel公司推出4004、8080

微处理器1976年大型电子计算器及微电脑问世后，诸如电力系统分析、电力控制、电机设计及保护系统等技术不断推陈出新电气工程被人们誉为“现代文明之轮”31电气工程信息化信息获取与处理信息传输信息应用信息系统安全……网络化电力网络信息通信网络工业控制网络SCADA/EMSDMS/DSM/GIS……数字化数字化测控数字信号处理数字仿真分析数字电力系统……楼宇智能化智能建筑供配电智能建筑通讯智能建筑防盗综合布线系统……电气驱动与控制“线控”汽车全电舰船多(全)电飞机……材料科学超导材料半导体材料永磁材料……三、电气科学的发展前景生命科学生物医学电磁技术磁共振成像技术……电工高新技术磁悬浮技术磁流体发电技术……32三、电气科学的发展前景(续）线控汽车34三、电气科学的发展前景(续）全电旅游船电气设备布置36三、电气科学的发展前景(续）多电飞机电气设备布置37三、电气科学的发展前景(续）智能楼宇示意图38三、电气科学的发展前景(续）近年来的研究热点有：电力大系统、电力传动系统及电力电子变流系统中的各类问题；生物、医学与健康领域中的电磁方法与新技术；气体放电及多相混合体放电问题；基于新材料、新原理或为开拓新应用领域的电机、电器；反映各类电器设备电器或绝缘性能演变的多因子规律及其观察和测量技术；电能质量的理论及其测量、控制；可再生能源发电、电能存储和电力变换技术；现代测量原理及传感技术；脉冲功率技术与低温等离子体应用基础；电力电磁兼容问题以及复杂电力系统的经济安全运行、控制及规划的理论及其应用。39四、电气工程的理论基础电路理论的基本概念与基本定律电路的基本物理量及其正方向；欧姆定律；基尔霍夫定律。电磁场理论的基本概念与基本定律UIRUIRU6VI-2AR+-－40五、电气工程常用的计算机程序简介MATLAB数值分析、数值计算• 工程与科学绘图• 控制系统设计与仿真• 数字信号/图像处理生物工程/生命科学通信系统设计与仿真• 财务与金融、化学工程• 机电一体化设计与开发MATLAB名称源自MatrixLaboratory，它最早是一种以矩阵形式处理数据的科学计算软件，以C语言为内核，提供了大量内置函数，被广泛用于科学计算、控制、信息处理、生物计算、金融和工程设计等领域的分析、仿真和设计工作.MATLAB产品为开放式结构，功能易于扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，完善MATLAB产品。目前MATLAB产品族可以用来进行：20世纪70年代后期，美国新墨西哥大学的CleveMoler教授为减轻学生编程负担，用FORTRAN编写了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口软件，此即萌芽状态的MATLAB。经几年流传，1984年成立了MathWorks公司，把MATLAB正式推向市场。此时，MATLAB内核采用C语言编写，除原有数值计算功能外，增加了数据图视化功能。此后，MATLAB以其良好的开放性和运行可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，改以MATLAB为平台。20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界公认的标准计算软件。1984年，MATLAB第1版(DOS版)1992年推出基于Windows的MATLAB4.x版本。1997年推出5.1版。1998年推出5.2版。1999年推出MATLAB5.3版（Release11）。2000年推出了MATLAB6.0版（Release12）。2002年推出了MATLAB6.5版（Release13）。2004年推出了MATLAB7.0版（Release14）。2006年9月推出MATLAB2006b。2007年起，每半年进行一次版本更新目前用的较多的是MATLAB2008a和2010b语言简洁紧凑，使用方便灵活，内嵌库函数极其丰富。运算符丰富，提供了和C语言几乎一样多的运算符。既有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性。语法限制不严格，程序设计自由度大。图形功能强大。具有功能强劲的各类专业工具箱。源程序的开放性。Matlab程序为解释执行，故运行速度较慢。MATLAB的主要特点45五、电气工程常用的计算机程序简介(续）PSpiceSPICE(SimulationProgramwithIntegrated-CircuitEmphasis)是美国加州大学Berkely分校在20世纪70年代早期为集成电路仿真开发的，它是低功率等级电力电子最广泛应用的仿真程序。微机版本的SPICE称为PSpice，国外许多大学课程和电路及电子学方面的大学教科书均编入了基于PSpice的例子和练习，熟悉PSpice有利于在电力电子学课程中学习。

OrCAD是美国OrCADSystem公司推出的著名的EDA软件，它覆盖了电子设计的4项核心任务电路仿真

OrCAD的组成Pspice软件功能

1.仿真功能：（1）静态工作点分析（2）瞬态分析（时域分析）（3）交流小信号分析（频域分析）（4）直流扫描分析（5）直流小信号传递函数值分析（6）直流小信号灵敏度分析（7）统计特性分析（蒙特卡罗分析和最坏情况分析）

Pspice包含着众多的电子元件库BIPOLAR.lib

半导体器件OPAMP.lib

运放Breakout.lib

要考虑参数发生变化的元器件符号应

采用此库中的Analog.lib

和Analog_p.lib

常用的无源元器件符号Source.lib

各种电源符号Sourcestm.lib

需要调用激励信号波形生成模块

设置的各种电源符号。Special.lib

与电路模拟有关的一些专用符号Abm.lib

代表某些模拟功能的符号49五、电气工程常用的计算机程序简介(续）EMTP

EMTP(Electro-MagneticTransientProgram)是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件,是电力系统中高电压等级的电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序。EMTP侧重的是系统级的运行工况而不是个别元件的细节。它包含电机、变压器、传输线、二极管、晶闸管和开关等元件的模型。EMTP是一个不断发展的软件，拥有推动其发展的大量资源，成为美国电力系统和电力电子仿真方面的工业标准。

50Thanks!51IntroductiontoElectricalEngineeringanditsAutomation521)Electromagnetics

andCircuitTheory；2)Motor

&ElectricalAppliances；3)Power

System；4)Electrotechnicsmaterials；5)HighVoltageandInsulationTechnology；6)Power

Electronics；BranchesofElectricalEngineering537)Pulsed

PowerTechnology(PPT)；8)DischargeTheoryandDischargePlasma；9)Superconducting

Electronics；10)BioElectroMagnetics；11)Electromagnetics

Compatibility(EMC)；

12)New

EnergySourceandInventions;54>Thedisciplinesforpostgraduate>>Motor&ElectricAppliances>>PowerSystemAutomation>>HighVoltageandInsulationTechnology>>PowerElectronicsandElectricalDrives>>TheoryandNewTechnologyofElectricalEngineering

55ControlScienceandEngineeringInformationScienceandTechnologyElectronicsScienceandTechnologyManagementAutomaticControlModernmanagementCommercialoperationInformationreformDisciplineCrossingElectricalEngineeringandit’sAutomation56Theprocesscanbedividedintothreeperiods:First,ittookpeoplealongtimetounderstandtheelectromagnetismphenomenoninthepasttwothousandyearsfrom7thBCtothefirsthalfof16thAC.ItwasalwaysjustinobservingandrecordinglevelSecond,

Gilbert,medicalofficialofBritishQueen,discussedtheelectromagneticinthelate16thcentury.Fromthenon,peoplegotsomequalitativeinductioninabouttwohundredyears.Third,peoplewereabletoobtainthelawbyquantitativestudy，summarizeandinductionduringCavendishandCoulombtimesfrom18thcentury.1.2BriefhistoryofElectricalScienceandEngineering57TimeEventsRepresentatives7thCenturyBC

DiscoveryofMagnets

Kuanci,ChineseThales,Greek

2thcenturyBC

ElectrostaticAttraction

EarlyyearofXihan

1600

“OntheMagnet”,DiscussedthemagnetandintroducedtheelectricWilliamGilbert,English1745

‘LeydenJar’,prototypeofthecapacitor,UsingElectricchargestoragePietervanmusschenbrock

ofLeyden,HollandEwaldGeorgVonKleit,German

58WilliamGilbertandhisworks“OntheMagnet”59Frictiongeneratorwith‘LeydenJar’60TimeEventsRepresentatives1747Lawofconservationofcharge

BenjaminFranklin,American1754LightningrodProcopiusDirischm,

Czech1785Coulomb’sLaw,madeElectromagneticanewscienceCharlesAugustindeCoulomb,

French61Coulombandhisinvention,TorsionBalanceCoulomb’sLaw62TimeEventsRepresentatives1799InventionoftheElectricBattery,producedasteadystreamofelectricity

AlessandroGrafVolta,

Italian1820MagneticEffectofanElectricCurrent(ElectricitycanproduceMagnetism)

Ampere'sMolecularCurrentHypothesis

Biot-Savart’sLawHansChanstanOersted,DaneAndreMarieAmpere,FrenchJean-BaptisteBiot,FelixSavart,French

63VoltaandhisVoltaicCell64AmpereandhisexperimentaldeviceAmpere’sLaw65TimeEventsRepresentatives1826Ohm’sLawGeorgSimonohm,German1831ElectromagneticInduction(magneticfieldcangenerateanelectriccurrent)MichaelFaraday,

English1834Lenz’slawLenz,Russian66OhmandhisexperimentaldeviceOhm’sLaw67Faradayandthefirstgenerator—CopperDiscElectromagneticInduction68TimeEventsRepresentatives1832ThefirstpracticalDCgeneratorHippolytePixii,French1834ThefirstpracticalDCmotorMoritzHermannVonJaccobi

Russian1866Thefirstself-excitationgeneratorErnstWernerVonSiemens,German

69DCgeneratorinventedbyPixii70Thefistmotormodel(left)andpracticalmotor(right,duplicate),InventedbyJaccobi71Siemensandhisself-excitationgenerator

72TimeEventsRepresentatives1873MaxwellEquation,ElectromagneticTheory,prophesizedtheexistenceofelectromagneticwaveJamesClerkMaxwell,English1879InventionoftheLightbulbThomasEdison,American1896FormulaofthevelocityoflightHendrikAnoenLorentz,

Dutch73Maxwellandhis

book,ATreatiseonElectricityandMagnetism

MaxwellEquation74Electricarclamp(left,inventedbyHumphreyDavy,English)Incandescentelectriclight(right,inventedbyEdison)751831Faraday,English,discoveredElectromagneticInduction1832Orsted,French,executedthefirstgenerator1834HeinrichLenz,German,discoveredtheLenz’sLaw1864Maxwell,German,publishedElectromagneticTheory1866Gramme,German,inventedself-excitationedDCgenerator1876Bell,American,inventedthemagnettelephone1875Thefirstcoal-firedpowerplantwasbuiltinParistrainstationbyFrench

1879Asmallelectriclocomotive,whichcancarrying18persons,wasdesignedbySiemens1882ThefirstDCpowerdistributionsystemwasappearedinNewYork761885Stanley,American,successfullyresearchedatransformer1886ACpowersystembegantobeingdevelopedinAmerica1887ElectromagneticwavewasprovedtobeexistingbyHertz’sexperiment1888Teslapublishedtheinductionmotortheory1890Thefirst3.3kvACpowertransmissionsystemwasbuiltinAmerica1893Thedual-phaseACpowerdistributionsystemwasexhibitedatAmericaExpositioninChicago1896Popovinventedthewirelesscommunication1897ElectronwasprovedtobeexistingbyThomson1912ArcextinguishchamberwaspracticallyusedbyGE771918Fortescuepublishedtheimbalancedanalyticaltheory

1933AEGcompanyproducedthe220kvgascirculationcooledcircuitbreaker1936The287kVpowerlinewereaccomplishedinAmerica1938BooleanalgebrawasusedinswitchingcircuitbyAmerican1946EckertfromUniversityofPennsylvaniadesignedavacuumtubecomputer1948Bardeen,American,inventedthetransistor1951Thefirstcommercialcomputerintheworld,NIVAC,wasdesigned1951WestingHouseCompanyworkedoutSF6circuitbreak1954The100kVHVDCpowerlinewaspracticallyusedinSweden781957ThefirstcommercialnuclearpowerplantwasoperatedinAmerica1960Maimanmadeuseoflaserlighting1961FairchildandTIcompany

launchedcommercialIC1962AmericalaunchedthefirstTelstar1969The765kVACpowerlinewasaccomplishedinAmerica1971Integratedcircuitperiod1975Intelcompanylaunched4004and8080microprocessors1976WithLargeelectroniccomputersandmicrocomputerscomingout,powersystemsanalysis,electricalpowercontrol,motordesignandprotectionsystemgetridofthestaleandbringforththefreshElectricalengineeringwasknownas“thewheelofmoderncivilization”791.3ProspectofElectricalEngineeringElectricalEngineeringInformationInformationsystemsecurity……NetworkPowernetwork,Industrialcontrol,SCADA/EMSDMS/DSM/GIS……DigitalDigitalmeasurementandcontrol,Digitalpowersystem……IntelligentbuildingIntelligentpowersupplyanddistribution,Premisesdistributionsystem(PDS)……Electricaldriveandcontrol‘Drive-by-wiretechnology’

car,Fullelectricship,More(full)electricplane

……MaterialScienceSuperconductingmaterial,Semiconductor,……LifeScienceBiomedicineelectromagnetictech,MRItech……Electricianhighandnewtech

Magneticsuspensiontechnology……80Drive-by-wirecarActiveshockabsorbersBrakebywire

Electronicfuelinjection

steer-by-wireElectronicAcceleratorelectricalpowersteering

42Vconverter81ElectricalequipmentsarrangementoffullelectriccruiseshipEnginecontrollerMotorpropellerConverterMainGeneratorandDistributionSystemControlnetworkPowersystemAuxiliarygeneratorLateralpropellerDevicesCommunicationsystemSteeringcontroller82ElectricalequipmentsarrangementofMoreelectricplanePowerelectronicspowercontrollerFaulttolerantpowerelectronicsdistributionsystemElectricalDeicerElectromagneticbrakesGenerationPowerelectronicsremotecontrollerAuxiliarygeneratorControlplaneelectromagneticactuatorAuxiliaryengine83IntelligentbuildingMicroprocessorInternetexplorerLightingSecurityescalatorServerFirealarmsystemWorkstationRemotecontrolstationHighVoltagePowerSupply84VariousProblemsofLargepowersystems,electricaldrives,andpowerelectronicsconverter;Newmethodsandtechniquesofelectromagneticinbiology,medicalscienceandhealthfields;Gasorheterogeneousmixturedischarge;Motorandelectricalappliancesbasedonnewmaterials,newmethodsornewappliances;Multi-factors,observationandmeasurementtechnologiesaboutvariouselectricalappliancesorinsulationperformance;Theories,measurement,controlofthepowerquality;Renewableenergypowergeneration、electricalenergystorageandpowerelectronicsconverting;Modernmeasuringprincipleandsensortechnology；Pulsepowertechnologyandbasictheorieslowtemperatureplasmaapplication;EMCandsecureeconomicaloperationofthepowersystem;Researchfocusinrecentyears:85BasicconceptsandlawsinelectricalcircuittheoryBasicphysicalvariablesandpositivedirection;Ohm’slaws;Kirchhoff’slaw

Basicconceptsandlawsinelectroma