第部分 电气工程专业概论培训

1、第部分 电气工程专业概论1.1 电气工程及其自动化专业概述 1.1.1 电气工程及其自动化专业的发展历史1电气工程的发展简史现阶段，从工程技术领域看，电是一种优质的能源形式和重要的信息载体。其显著特点在于易于变换、传输和控制。 图1-1 法拉第盘 1820年，安培(A.M.Ampere)发现了电磁效应。1831年，法拉第(M.Faraday)发现一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应就是电磁感应。(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 1834年，德籍俄国物理学家雅可比(Jacobi)发明了被世界公认的第一台功率为15W

2、的棒状铁芯实用电动机，如图1-2所示。 俄国工程师多里沃多勃罗沃尔斯基于1889年成功研制出第一台实用的三相交流单鼠笼异步电动机，并发明了第一台双鼠笼三相异步电动机。交流电机的研制和发展，特别是三相交流电机的研制成功为远距离输电创造了条件，同时把电工技术提高到了一个新的阶段。19世纪后期，电动机的使用已经相当普遍。电锯、车床、起重机、压缩机、岩石钻等都已由电动机带动，甚至电磨、牙医电钻、家用吸尘器等也都用上了电动机。图1-4 多里沃-多勃罗沃尔斯基三相电动机部件 图1-6 多里沃-多勃罗沃尔斯基的几种三相变压器 2国外大学电气工程专业发展过程及其教育状况简介1) 美国著名大学电气工程专业的设置

3、时间(1) 哥伦比亚大学于1882年建立电气工程系。(2) 1883年康乃尔大学建立电气工程系。(3) 普林斯顿大学于1889年建立电气工程系。(4) 1895年德州大学建立电气工程系。(5) 1902年麻省理工学院建立电气工程系。表1-1 征询回答概要 3国内大学电气工程专业发展概述(1) 1908年南洋大学堂(上海交通大学)设立了电机专科。这是我国最早的电机专业。该校电气工程系历史悠久，其源头可追溯到清光绪34年(1908年)，唐文治担任监督(即校长)，增设电机专科，预科一年，专科三年。在国内各大学中，上海交通大学最早创设电机工程专科。在建国前41年间，共培养毕业生1305人，他们服务于国

4、内电气工程领域的各部门，且成绩卓越，人才辈出。 (2) 1912年，同济医工学堂(同济大学)设立电机科，现在发展为同济大学电子与信息工程学院的一个系。同济大学电气工程系由上海交通大学原机车车辆工程系电力机车专业发展而来，长期从事电气工程及自动化、电力牵引领域的研究，并紧密配合国民经济的发展，坚持理论研究与生产实践的结合。在铁道牵引、城市轨道交通、电动汽车和磁悬浮列车等技术领域内及电力电子、传动控制、检测与仿真技术等方面的研究一直处于国内领先水平。(3) 1920年浙江大学(公立工业专门学校)设立电机科。浙江大学是国家教育部直属，学科门类齐全的综合性重点大学。电气工程学院(简称电气学院)由原浙江

5、大学电机工程学系发展而来。该系历史悠久，始建于1920年，是我国创建最早的电机系之一。(5) 1932年清华大学设立电机系，现为电机工程与应用电子技术系。大批基础扎实、知识面宽、适应能力强的毕业生已成为我国各条战线上科技和管理方面的栋梁。随着科学技术的发展，本系早已突破了传统的学科范围，在电气工程的基础上，扩展到计算机、电子技术、自动控制、系统工程、信息科学与生物医学工程等新科技领域，开拓了许多新的研究方向。 (6) 1933年北洋大学(天津大学)设立电机工程系，现已发展成为天津大学电气与自动化工程学院。学院现设2个系、5个中心、2个研究所。学院2个一级学科电气工程和控制科学与工程均具有博士学

6、位授予权并设有博士后流动站。学院8个二级学科(电力系统及其自动化、电机与电器、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、控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置和模式识别与智能系统)均具有博士和硕士学位授予权，其中电力系统及其自动化和检测技术与自动化装置为国家重点建设学科。1952年，我国进行大规模的院系调整，出现了一批以工科为主的多科性大学，也出现了一批机电学院。1966年，文革开始，大学正常招生暂停。1977年，恢复高考制度，之后大部分学校的“电机工程系”改为“电气工程系”，90年代之后，又陆续改称“电气工程学院”。1998年，我国高校进行了大规模专业目录调整，将电工类专业和

7、电子与信息类专业合并为“电气信息类”专业，专业数大大减少，专业口径大大拓宽。表1-2是50多年来我国大学本科专业目录的调整情况。表1-3是全国设置电气工程专业大学数量的变化情况。 表1-2 50年来我国大学本科专业目录的调整 表1-3 全国设置电气工程专业大学数量的变化 1.1.2 电气工程及其自动化专业的地位和任务1电气工程学科的具体内容及其内在联系从电气工程内部各学科的关系看，电气工程主要包含三个领域：电工理论电工理论与新技术、电路理论(含电网络理论)、电磁理论；电工制造电机与电器、绝缘技术、电力电子技术；电力系统电力系统及其自动化(运行)、高电压技术、电力传动。三者相互联系、相互渗透，不

8、能截然分开。 图1-7 多电飞机系统的电气设备构成 图1-8 电驱动战车电气装备 3机电系统中的电气技术机电一体化系统设计涉及的主要内容包括机电系统机械设计技术、控制系统设计技术、伺服系统设计技术和检测技术。机电一体化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。机电一体化的应用领域不同，它所涉及到的单元技术也略有差别。图1-9为一般机电一体化系统所涉及到的各单元技术及其相互联系。 图1-9 机电一体化系统各单元技术构成 1.1.3 电气工程及其自动化专业的特点电气工程及其自动化专业是为各行业培养能够从事电气工程及其自动化、计算机技术应用、经济管理等领域工作的宽

9、口径、复合型的高级工程技术人才。该专业的特色体现在：强电与弱电相结合，电工技术与电子技术相结合，软件与硬件相结合，元件与系统相结合，使学生获得电气控制、电力系统自动化、电气自动化装置及计算机应用技术等领域的基本技能，具有分析和解决电气工程技术领域技术问题的能力。 1.1.4 电气工程及其自动化专业的发展前景我国目前高等学校的专业数大约有249个，还有进一步减少的趋势。教学改革的方向必然是进一步加强基础，拓宽专业口径。电气工程专业也必然与时俱进，与信息科学、自动化科学、计算机科学、电子科学、能源科学、材料科学等其他学科进行交叉和融合，以求自身发展。未来20年，我国电力工业和电工制造业将持续高速度

10、发展。受此拉动，我国设置电气工程专业的高等学校也将持续高速度发展。正像我国正在成为世界制造业的中心，成为世界工厂一样，我国也必将成为世界电气工程高等教育、科学研究和技术开发的中心。2020年，我国发电机装机容量将稳居世界第一。未来20年，中国将是全球电力工业和电工制造业的最大市场。我国电气工程领域集中了一批最优秀的人才。我国将成为世界电气工程高等教育的中心。我国也将成为世界电气工程科学研究和技术开发的中心。 1.2 电气工程及其自动化专业的课程体系与知识结构 1.2.1 电气工程及其自动化专业的课程体系电气工程及其自动化本科专业，是根据教育部颁布的最新专业目录，为拓宽专业口径，增强人才的适应性

11、而设立的，体现了强电与弱电结合、电力与电子技术结合、元件与系统结合、计算机软件与硬件结合的特点，优化学生的知识结构，增强学生的实践能力和创新能力，致力于培养具有坚实的数学、物理学和电工理论基础，系统的专业理论，广泛的技术知识，良好的实际动手能力和计算机应用能力，较高的外语水平和管理能力的复合型人才。 低年级学生所学的主干课程有电路分析、电子技术、电机学、信号与系统、自动控制理论、信息技术、计算机科学与工程、电力系统基础等。高年级学生所学的学科方向课程有电力电子技术、网络技术、电力系统计算机分析、电力系统保护与控制、微机测控技术、微机原理及应用、电力传动、微特电机及其控制系统等。大多数学校的课程

12、体系由以下几大模块组成：人文社科必修课、公共基础必修课、学科基础必修课、专业方向必修课、专业方向限(任)选课、全校性公共选修课、实践教学环节等。 1.2.2 电气工程专业的知识结构1基础理论方面掌握马克思主义、毛泽东思想、邓小平理论的基本原理；熟练掌握高等数学、工程数学和大学物理的基本知识；比较熟练地掌握一门外语，能够比较熟练地阅读本专业的外文书刊，并具备一定的听、说、读、写能力。 2专业基础理论方面掌握电气工程学科的基础知识，掌握电路理论、电磁场理论、电子技术、电机理论、电器理论、数字信号处理方法，掌握常用电气、电子仪表的测量原理和使用方法，具有计算机网络与通信的基本知识。 3专业知识方面熟

13、练掌握电气工程领域1或2个专业方向的专业知识，具有从事科学研究或独立担负专业技术工作的能力，有较强的工作适应能力。4学科前沿方面了解电气工程学科的发展趋势，在相应的专业方向上基本了解该方向的发展现状和热点问题。 5学科交叉知识方面了解与本学科有关的电子信息、计算机、自动控制、仪器仪表及测试技术等学科的基本知识。 6我院本专业的培养方案培养目标为：适应国家发展需要，培养学生具有综合素质高，理论基础坚实，知识面广和创新能力强，能较系统地掌握电子技术、控制理论、计算机应用技术、电气系统设计与控制技术等宽广学科知识，使学生具备科技设计、开发、应用，科学研究和企业管理的综合能力。 本科专业教学计划课分为

14、公共课程、学科基础课程、专业课程、实践教学四个平台：其中：公共基础课程平台（自然科学、外语、体育等）占总学分的36.8%；人文社科经管课程平台占总学的14%；学科基础课程平台占总学分的22.7%；专业课程平台占总学分的26.4%。 四年内在教学计划中加大实践教学学时。包括课程设计、实验、电工实习、金工实习、军训、专业生产实习毕业实习和毕业设计(论文)。 1） 根据专业方向，开设专业核心（主干）课程体系 本学科的核心(主干)课程包括：基本电路理论、电子技术、电磁场、自动控制原理、电气工程基础、电力电子技术基础、数字信号处理、微机原理与接口技术、电机学、电机控制技术、电力系统继电保护等方面的课程。

15、 2） 实践教学环节的安排 本学科强调实践能力的培养，具体安排如下： 本学科的实验由四类组成：独立设置的实验课，创新实践，综合实验，结合课程的实验。 （1）独立设置的实验课大学物理实验由大学物理实验中心单独设课：实验学时较大的课程单独开设实验课，基本电路实验、数字电子技术实验、模拟电子技术实验，微机原理与接口技术实验。 （2）综合实验 （3）结合课程的实验结合课程进行； 实习安排 （1）军事训练：1周 （2）电子实习：3周 （3）金工实习：1周 （4）生产实习：2周，安排到有关的国有企业或科研单位参观实习。课程设计安排 课程设计可选题目有：电力电子课程设计、智能仪表设计、电机的DSP 控制、变

16、电站电气部分设计、高压数字测量系统设计、继电保护设计，地点在各专业实验室。 毕业设计安排 学生毕业设计经批准可在其所分配的本市单位中进行，教研室应对题目和外单位导师资格进行审查并进行辅导和论文评审，答辩需在校内进行。 3）毕业规定 学生修满规定学分的必修课、选修课、实验课以及课程设计、生产实习、毕业设计等实践性教学环节，且成绩合格可予以毕业。 1.3 电气工程专业人才培养目标 1业务培养目标本专业培养能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机应用等领域工作的宽口径复合型高级工程技术人才。毕业生可从事电力电子与电力传动、电力系

17、统自动化和电气控制自动化装置等方面的技术工作。 2业务培养要求本专业学生主要学习电工技术、电子技术、信息控制、电力传动、电力系统自动化和计算机应用技术等方面的较宽广的工程技术基础和一定的专业知识。本专业的主要特点是强、弱电结合，电工技术与电子技术相结合，软件与硬件相结合，元件与系统相结合。学生受到电工电子、信息控制及计算机应用技术方面的基本训练，具有解决电气工程技术分析与控制技术问题的基本能力。 毕业生应获得以下几个方面的知识和能力：(1) 掌握较扎实的数学、物理等自然科学的基础知识，具有较好的人文、社会科学和管理科学基础知识和外语综合能力；(2) 系统掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知

18、识，主要包括电工理论、电子技术、信息处理、控制理论、计算机软硬件原理及应用、电力传动、电力系统自动化等；(3) 获得较好的工程实践训练，具有熟练的计算机应用能力； (4) 具有本专业领域内1或2个专业方向的专业知识与技能，了解本专业学科前沿和发展趋势；(5) 具有较强的工作适应能力，具有一定的科学研究、科技开发和组织管理能力。电气工程及其自动化专业毕业的学生适应面宽，可在电气工程领域的各类部门(研究机构、高等院校、公司)以及计算机和自动化公司从事科研、教学、开发、工程设计和管理等工作。 电气工程学科的主要研究领域和未来研究热点 1 电气工程学科的主要研究领域传统的电气工程定义为用于创造产生电气

19、与电子系统的有关学科的总和。但随着科学技术的飞速发展，今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为，是现代科技领域中的核心学科之一，更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。例如，正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来，并将改变人类的生活工作模式等。 1）电机与电器学科本学科专业主要从事有关电机理论、运行、设计及其控制方面的研究工作和技术开发。电机是实现机电能量转换和控制的关键设备，除大容量发电设备外，工业自动化、机器人和家用电器等现代科技需要各种微特电机以及电机的调速和控制系统。由于引入电力电子、微机控制、计算机技术、信号监测等新技术手段，开辟了新的研究方

20、向。 (1) 电机在线运行监测、参数辨识；(2) 电机中各种物理场的研究；(3) 新型电机及其控制系统；(4) 大型电机的设计运行理论和关键技术；(5) 可再生能源转换中的关键技术；(6) 电动汽车驱动系统；(7) 电机的节能与智能控制技术；(8) 新型机电一体化能量转换装置与系统；(9) 新电磁材料的开发应用研究；(10) 大容量超高、低转速电机设计和制造技术。 2）电力系统及其自动化学科电力系统及其自动化学科主要研究电力系统规划设计、特性分析、电网品质校正、运行管理、控制保护等理论和方法。随着电力系统的发展、电压等级的提高，电网容量越来越大，自动控制和微波通信等先进技术的应用，电力系统对大

21、气过电压防护的可靠性要求越来越高。研究电力系统仿真计算、运行特性分析、接地参数的测量和计算、控制和保护的新理论和新方法，研究和运用各种新型的输配电技术和分布式发电技术，研究区域稳定控制系统、电网能源管理、调度自动化，开发太阳能、风能、生物质能等清洁能源也是电力系统及其自动化学科的研究方向。现阶段，该学科主要有如下几个研究方向： (1) 电力系统分析和仿真；(2) 电力系统调度自动化；(3) 电力系统运筹学与电力市场；(4) 电力系统稳定监测与控制；(5) 电厂自动化；(6) 电力系统规划；(7) 电力系统继电保护；(8) 新型输配电技术与分布式发电；(9) 电力系统节能与储能技术；(10) 新

22、型能源开发和可再生能源综合利用技术。 3）高电压与绝缘技术学科 高电压是针对强电应力条件下电磁现象的一种相对物理概念，在电压数值上没有确定的界限；绝缘的作用是分隔不同电位的导体，使其能保持不同的电位。高电压的产生、测量与控制技术，高电压设备技术、电介质放电与绝缘击穿理论、过电压及其防护技术、绝缘监测与诊断技术等构成了高电压与绝缘学科的学科体系。 高电压的产生、测量与控制是研究绝缘材料和结构在各种形式高电压下物理现象的手段。目前，传统的高电压测量技术正面临新的发展契机，基于瞬态电磁测量、光电测量、非接触测量以及数字化测量等高电压测试新理论和新技术正成为重要的研究方向。 高电压设备技术是研究变压器

23、和高电压电器等高电压设备的绝缘理论与技术。随着超、特高压输电等级的相继出现，尤其是特高设备技术方面，国际上还没有成熟的经验可借鉴，急需解决相应设备的绝缘理论和关键技术问题，因而对高电压与绝缘学科的基础研究更具有实际的紧迫性。 电介质放电与绝缘击穿包括气体、液体、固体介质和复合绝缘介质的放电、界面放电和局部放电等，其物理现象不仅与电极的电场结构和介质本身的特性有关，而且还与外加电压的种类、参数以及环境状态和条件等密切相关。随着超、特高压输电系统、超导技术的发展和太空探索的需要，极端环境(如强辐射和低温)下的绝缘技术也是本学科面临的新问题。 研究雷电过电压、内部过电压的产生、传播及其防护，对电力行

24、业和国民经济其他行业的安全运行与防灾都具有重要的意义。随着大规模交直流互联网络的形成，其过电压的产生和传播机理将更加复杂，需要研究基于全波过程的电力系统电磁暂态过程理论和分析方法。 绝缘监测与诊断是本学科近十几年来的研究热点，目的是通过在线监测获得运行中的高电压设备绝缘的状态信息，提取其特征参量并诊断绝缘状态，以便及时发现绝缘的缺陷及其发展趋势，实现状态评估，以提高设备及系统运行的安全性和经济性。研究的重点是：新型传感技术、监测装置及系统的准确性和可靠性，强电磁环境中的信号处理与智能化故障诊断技术、监控装置及系统的抗干扰能力和故障诊断的准确性、大型高电压设备绝缘状态评估模型等，为实施高电压设备

25、状态维修体制提供理论依据。 总之，本学科一直围绕国家建设和学科发展的需要，围绕发、输、配电中的重大技术难题，形成了很多新的研究领域方向。例如：(1) 高电压测试技术；(2) 电力设备诊断及状态监测技术；(3) 新型绝缘材料与绝缘结构；(4) 电力系统过电压与绝缘技术；(5) 高压电器及其智能化；(6) 气体放电及高电压大功率脉冲技术及其应用； (7) 电磁环境技术；(8) 电磁生物学；(9) 接地技术；(10) 电介质材料及其应用；(11) 配电自动化技术。 4）电力电子与电力传动学科电力电子与电力传动学科是一门集电力、电子与控制于一身，综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算

26、机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科。该学科涉及各种大功率的能量变换和控制、最新的自动控制技术、电子信息科学中的检测技术、信息处理技术、计算机控制技术和电力电子与电力传动工业应用新技术等。 该学科主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论技术和应用，稀土永磁电机设计及控制、新型电力电子装置及控制、电力传动及自动化、检测技术与仪表，新型节能电机制造理论、技术及调速控制技术，开关电源技术、电能质量管理、电力电子系统集成等。它对电气工程学科的发展和社会进步具有广泛的影响和巨大的作用。其主要研究方向有： (1) 电力电子元器件及功率集成电路；(2) 全数字化开关变流理论和控制技术；(3) 电力电子系统集成与仿真；(4) 高效电力电子电源和装置；(5) 高性能电力传动与控制系统；(6) 电力系统无功补偿和滤波技术；(7) 电力电子与传动系统模型与仿真；(8) 电力电子系统的电磁兼容技术；(9) 电力驱动系统及控制技术；(10) 新型能源开发及节能技术；(11)