第1讲---电气工程学科概述

电气工程导论朱义强二〇一三年九月教学安排课程学时：18学时课程性质：学科基础课程目标：“导航”在不涉及过多理论知识的前提下，使学生对本专业的概貌有一个全面、系统的了解。课程考核：出勤50%+课程论文50%主要内容第一讲电气工程学科概述第二讲电气工程专业概述第三讲电机与电器第四讲电力系统及其自动化第五讲电力电子与电力传动第六讲高电压与绝缘技术第七讲电工理论与新技术第八讲电气测量学科与专业学科的含义含义1：学术的分类，一定科学领域或一门科学的分支。是与知识相联系的学术概念，是分化的科学领域。含义2：高校教学科研的功能单位，是对高校人才培养、教师教学、科研业务隶属范围的相对界定，是高校的细胞组织。世界上不存在没有学科的高校。专业的含义学校根据社会分工的需要而划分的学业门类。社会分工是其基础，学科知识时是其内核，教育结构为其表现形式。学科与专业的关系学科专业概念知识体系的分类按社会分工划分的学业门类基本要素独特的研究对象；理论体系；方法论。培养目标；课程体系；专业人员。发展目标知识的发现和创新培养各级各类人才学位授予和人才培养学科目录（2011年）普通高等学校本科专业目(2012)第一讲电气学科概述一、电气工程及其自动化的发展历史电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，是以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术。电气工程学科是一门历史悠久的学科，从世界范围来看，早在第二次工业革命时期，英、法、美等许多国家就已经开设了这一学科；对于我国来说，电气工程学科也已经有了近百年的历史。同时，电气工程学科是一门涉及范围很广，与其他学科联系较为密切的学科，其中电子信息、通信工程等许多学科都是由电气工程学科派生出来的。时间代表人物突出贡献历史地位1820安培电磁效应1831法拉第电磁感应奠定电磁学基础1832法：匹克斯直流发电机第一台1834雅可比15W棒状铁芯电动机第一台1866德：西门子自励式发电机第一台1873麦克斯韦《电磁学通论》预言电磁波存在与牛顿《自然哲学的数学原理》相媲美；奠定电工基础1885费拉里斯旋转磁场理论；两相异步电动机模型1886特斯拉两相异步电动机1889多勃罗沃尔斯基三相交流单双鼠笼异步电动机第一台时间电厂类型1875法国巴黎火车站第一座火力发电厂直流1882美国第一座水力发电站直流1885英国第一座单相交流发电站交流1892法国第一座三相交流发电站交流电机制造技术的进步和电能的应用的扩展，促进了发电厂和发电站的建设。时间类型距离1873第一条直流输电线路2Km1882法国物理学家和电气工程师德普勒，实验高压直流输电线路57Km1876-1878俄国亚布洛契可夫实验成功单相交流输电技术1880英国费朗蒂改进了交流电机1882法：高兰德和英：吉布斯：第一台使用价值的变压器1884英埃德瓦德和霍普金生发明封闭磁路变压器1891布洛：高压油浸变压器1891多勃罗沃尔斯基三相交流输电实验180Km远距离输电图1-1法拉第盘(a)(b)图1-2雅可比电动机模型和实用电动机(a)电动机模型；(b)实用电动机图1-3特斯拉发明的二相异步电动机图1-4多里沃-多勃罗沃尔斯基三相电动机部件图1-5多里沃-多勃罗沃尔斯基三相电动机外观图1-6多里沃-多勃罗沃尔斯基的几种三相变压器力主采用交流输电英国的费朗蒂、高登美国的威斯汀豪斯、特斯拉(1857—1943年)、斯普拉戈(1857—1934年)等反对交流输电，主张直流输电当时美国电气界最负盛名发明家爱迪生对电气化作出了重要贡献的著名英国物理学家威廉·汤姆生(即开尔文勋爵)罗克斯·克隆普顿(1845—1940年)等随着输电技术的发展，交流电很快取代了直流电。这场关于交、直流输电方式的争论，最终以力主交流输电派的暂时取胜而告结束。目前，交直流并存。争论远距离输电问题的根本解决是三相交流理论的形成与技术发明的结果。其主要发明者是在德国、瑞士工作的俄国电工学家多里沃-多勃罗沃尔斯基。他在1889年制成最早的一台功率为100W的三相交流异步发电机。1891年又制成了75kW的三相交流异步电动机(见图1-4和图1-5)和150kW的三相变压器(见图1-6)。正是他的发明，人们在电能应用中广泛采用了三相制。1891年，多里沃-多勃罗沃尔斯基在德国法兰克福的电气技术博览会上，成功地进行了远距离三相交流输电实验。他将180km外三相交流发电机发出的电能用8500 V的高压输送，输电效率达到75%，在当时的条件下，如此高的传输效率是直流输电所不能办到的。从此，高压交流输电的有效性和优越性得到了公认。电力的作用已不仅仅是用于照明，而开始成为新兴工业的动力和能源。电力的应用和输电技术的发展，促使一大批新的工业部门相继产生。首先是与电力生产有关的行业，如电机、变压器、绝缘材料、线路器材等电力设备的制造、安装、维修和运行等生产部门；其次是以电作为动力和能源的行业，如照明、电镀、电解、电车、电梯等工业交通部门；另外还有各种与生产、生活有关的新的电器生产部门也相继出现了。这种发展的结果，又反过来促进了发电和高压输电技术的提高。随着电力的应用和发电、输电、配电技术的发展，不但有力地促进了电机、电器、照明、电力电子技术、电车等行业的发展，同时反过来又促进了电气工程学科研究内容的丰富。电气工程学科与其他学科相互交叉，相互融合，相互促进，现已形成了相对独立的电机与电器、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5门分学科。电气工程正进一步从广度和深度上向前发展，客观世界也在不断提出新的挑战。例如：到处存在的工频电磁场对人体机能影响的研究；太阳活动周期所引起的地磁暴对电力设施的破坏作用；新型柔性输电技术和电动汽车技术所提出的多学科协同研究的新需要；人类从总体上对能源和环境的宏观评估，向更有效地利用太阳能、风能、水能等可再生能源方向发展而提出的新技术要求；CDM（温室气体减排）项目、电力驱动、电气节能和储能技术的新发展等。此外，电磁兼容技术、电工环境技术可能发展为新的共性分学科，信息管理自动化技术也在迅速发展。二、电气工程学科的知识体系与内涵1电气工程学科的知识体系电气工程学科除具有各分支学科的专业理论外，还具有本学科的共性基础理论(电路理论、电磁场理论、电磁测量理论等)，它与基础科学(物理、数学等)中的相应分支具有密切的关系，但又具有明显的差别。因为基础科学的主要任务是认识客观世界的本质及其内在规律，而技术科学的目的则在于改造客观世界以达到人们的预定要求。所以，电气工程的基础理论所研究的对象是经过人类加工改造后出现的新现象，而不是自然界固有存在的现象；另外，不能只限于对现象的分析，还应包括实现所需现象的综合技术以及为此所付出的代价，从而使方法和途径也占有重要的地位。例如：近年来电磁场理论中提出的广义能量、伴随场方法等，对场的分析、边值计算等大有益处，从而对产品优化设计产生了重要作用；在电路理论中应用了状态空间、拓扑图论、混沌理论之后，对系统分析、网络计算、现象判断等起了重要作用。电气测量技术在电气工程各分支学科的技术发展中具有“耳目”和“神经”的作用，它是定量研究电气工程技术问题的手段，且随着各分支学科的发展而迅速发展。电气测量技术及其仪器的自动化、智能化、多功能化等发展趋势，已深深渗透到电气工程各分支学科。新原理、新技术和新仪器日新月异，例如测量、监视、控制等多功能新型装置以及现场测试或实时监测技术对整体系统精确度的改进等，都对电气工程分支学科的发展起了重要作用。人类社会发展到任何时候也离不开能源，能源是人类永恒的研究对象，电能是利用最为方便的能源形式。在现代人类生产、生活和科研活动中一刻也离不开电。许多情况是先将初始能量转换成电能，然后再转换成所需要的其他能量形式，电已经成为能量转换的枢纽。不仅如此，信息的处理和传输也要依靠电，计算机、通信网和无线电等无不以电作为信息的载体。现代高科技的发展也离不开电，从探索物质粒子的加速度到发射宇宙飞船和卫星，从研究微型电机、机器人到可作为未来能源技术的受控核聚变装置，都需要电气科学与技术的支撑。电气工程学科专业主要研究电能的产生、传输、转换、控制、储存和利用。电磁理论是电气工程的理论基础，而电磁理论是从物理学中的电学和磁学逐步发展而成的。其中电信息的检测、处理、控制等技术在电能从产生到利用的各个环节中都起着越来越重要的作用。按照电气工程及其自动化专业教学指导分委会的专业规范，电气工程及其自动化专业的专业范围主要包括电工基础理论、电气装备制造和应用、电力系统运行和控制3个部分。电工理论是电气工程的基础，主要包括电路理论和电磁场理论。这些理论是物理学中电学和磁学的发展和延伸。而电子技术、计算机硬件技术等可以看成是由电工理论的不断发展而诞生的，电工理论是它们的重要基础。电气装备制造主要包括发电机、电动机、变压器等电机设备的制造，也包括开关、用电设备等电器与电气设备的制造，还包括电力电子设备的制造、各种电气控制装置、电子控制装置的制造以及电工材料、电气绝缘等内容。电气装备的应用则是指上述设备和装置的应用。电力系统主要指电力网的运行和控制、电气自动化等内容。在专业内容和知识结构上，以电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理与应用、计算机语言与程序设计、信号分析与处理、自动控制原理课程作为专业基础，以电气工程导论、电机学、电力电子技术、电力系统基础作为专业课，以电力系统分析、电力系统继电保护、电机设计、电机控制、电器学、高电压工程、电气绝缘、电力拖动作为专业方向课程，达到掌握电机学理论、电力电子技术和电力系统基础相关知识，掌握电工技术、电子技术、计算机与网络、控制原理、信号分析与处理等专业类的基础理论与技术，掌握电机理论、电力电子技术和电力系统基础专业知识与相关理论，掌握电力系统及其自动化、电机电器及其控制、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动专业方向之一的相关知识内容与理论。2电气工程学科的内涵电气工程学科包含电能科学与技术、电磁场与物质相互作用等两个知识领域，它们相互依存、相互渗透和相互支撑，共同的理论基础是电网络理论、电磁场理论、电磁测量技术。电能科学与技术领域主要研究：电能与机械能、热能、声能、光能、化学能、风能、磁能等其他形式的能量直接和间接转化的原理、方法及其与信息控制组成的一体化系统的过程建模、行为控制和结果仿真，电磁能量储存的新原理、新介质、新器件及其控制技术，大型电力系统及特种电力系统的建模与仿真，安全稳定控制和灾变性事故的防治，以及考虑经济、环保、能源布局、市场机制等多种因素的电力系统最优规划、建设及运行的理论和方法；电力电子新材料和新器件的基础理论和基础技术，电力电子变流、控制、应用的理论、方法和技术；电磁能量在时间和空间上压缩形成功率脉冲的原理、器件、方法和技术。电磁场与物质相互作用领域主要研究：电介质材料的宏观特性与微观结构的相互关系，微观带电粒子的输运、极化与松弛、老化与破坏、空间电荷效应，电介质微观结构设计与改性的原理和方法；高电压的产生、测量和控制原理及方法，高压绝缘结构中气、液、固不同介质分界面、介质组合体放电击穿及老化的特性和机理，雷电及过电压的防护理论和方法，绝缘检测及故障诊断的原理和方法；气体放电的理论模型与仿真，特种条件下的放电规律，特种放电形式与放电等离子体的产生方法及控制技术，放电等离子体与物质相互作用的现象、机理及应用技术；脉冲功率作用下物质的电磁特性及其对功率脉冲生成的影响，脉冲功率作用下的新现象及其在高技术领域中应用的理论和方法；超导强磁体的制造及其在高科技领域中应用的理论和方法，超导电机、超导储能、超导输电、超导故障限流技术及其在电力系统中应用的理论和方法；生命活动中电磁现象的规律、产生机理、测量方法及其应用电磁场和电网络理论进行分析和建模，电磁场对生物体作用的现象、规律、机理及其在医学诊断与治疗中的应用；电磁污染的产生、危害、评估方法及防护技术，利用电磁场效应或放电等离子体处理废水、废气、废渣等环境污染的原理、方法和技术；电磁干扰产生的原