第1部分 电气工程专业概论

第1部分绪论

1.1电气工程及其自动化专业概述

1.2电气工程及其自动化专业的课程体系与知识结构

1.3电气工程专业人才培养目标

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。

19世纪60年代，麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。而这种理论上的预见后来得到了充分的实验证实。1873年，麦克斯韦完成了他的巨著——《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的著作，具有划时代的意义，奠定了广泛应用电磁技术的理论基础。(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15 W的棒状铁芯实用电动机，如图1-2所示。1885年，意大利物理学家加利莱奥·费拉里斯提出了旋转磁场原理，并研制出了二相异步电动机模型。1886年，美国的尼古拉·特斯拉也独立地研制出了二相异步电动机。图1-3特斯拉发明的二相异步电动机

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1-5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

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。2)美国大学电气工程教学情况简介对应于我国大学的电气工程学院和电子与信息工程学院，美国大学一般将其称为电气工程与计算机科学系(简称EECS系)或电气工程与计算机工程系(简称ECE系)。他们的一个系对应我们的两个学院。为了更有针对性，这里着重介绍美国EECS系或ECE系中主修电气工程专业的教学和改革情况。

美国125所大学对电气工程学士(BSEE)学位的总学分要求和一、二年级电气工程(EE)课程设置：1992年3月全美电气工程系系主任协会对大约280位系主任发出征询函，调查美国EE系对BSEE学位总学分的要求，主要是对毕业生必须完成的总学分和一、二年级EE课程及实验课程的开设情况进行征询。结果有125位系主任做了回答，情况如表1-1所示。

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。(4) 1923年东南大学(后改为中央大学)设立电机工程系，现已发展成电气工程学院。从中央大学、南京工学院到今天的东南大学都一直设有电气工程相关学科和专业。曾经有大批国内外学术界知名的专家、学者在这里工作，如吴玉麟、陈章、吴大榕、程式、杨简初、严一士、闵华、周鹗、陈珩等。

(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1-250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，不能截然分开。

2．电气工程与其他学科的关系其他专业普遍需要电气工程知识，例如建筑工程领域涉及的电气内容主要包括供电电源及电压的选择、电力负荷的计算、短路电流计算、高压接线、低压配电线路设计、电气设备选择、继电控制与保护、电力管理、变配电所设计、电梯、照明系统、安全用电等电气知识。多电飞机系统的电气装备，包含了电气领域的诸多技术，如电力系统技术、电力电子技术、电力传动技术和电气装置自动控制技术等。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。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。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)电气储能技术及高效储能系统。

5）电工理论与新技术学科本学科主要研究电磁场理论及其应用、电路理论及其应用、电磁测量技术及仪器等。研究领域包含生物电磁场、生命科学仪器、超导磁体技术、超导磁悬浮与磁屏蔽、脉冲功率技术、电力系统电磁干扰与电磁兼容、电力系统通信、大型电力设备的电磁暂态与故障分析、电力设备的辅