School of Electrical Engineering

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2017年3月17日 电气工程及其自动化 专业导论 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 第一章 绪论 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 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 一、电气工程在国民经济中的地位 电气工程学科(专业代码0806) （Electrical Engineering——The branch of engineering science that studies the uses of electricity and the equipment for power generation and distribution and the control of machines and communication）. 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。 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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。 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 一、电气工程在国民经济中的地位(续） 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 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 一、电气工程在国民经济中的地位(续） 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 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 一、电气工程在国民经济中的地位(续） 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 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 自动化控制 现代化管理 商业化运营 信息化改造 学科交叉 自动化：古典控制、现代控制、智能控制 电厂：单机分控—集控—DCS——AGC)； 变电站：监控保护—微机化—微机监控—综合自动化 信息化： 信息获取：传感测量、采集变送 信息处理：预处理、防误究错、 信息传输：点对点、现场总线、网络通信、传输规约、通信系统 信息应用 网络化： 电力网络：机组并列，系统互联，区域电网、大区互联、国际联网 信息通信网络：接口技术、现场总线、计算机网络（LAN、W AN、INTERNET） SCADA监控与数据采集系统 EMS能量管理系统 DMS配电管理系统 DSM需求侧管理 GIS地理信息系统（注： 与“气体绝缘系统” 缩写相同） 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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。 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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”electric William Gilbert(吉尔伯特) 1745年 莱顿瓶电容器的原形，存贮电 Pieter van musschenbrock (穆欣布罗克 荷兰莱顿) Ewald Georg Von Kleit (克莱斯特 德国) 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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》 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 二、电气科学与工程的发展简史（续） 带有莱顿瓶的起电机 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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 Benjamim Franktin (夫兰克林 美国) 1754年 避雷针 Procopius Dirisch (狄维施) 1785年 库仑定律—电磁学进入科学行列 Charles Auguste de Coulom (库仑 法国) 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

13 School of Electrical Engineering
2017年3月17日 二、电气科学与工程的发展简史（续） 库仑定律 库仑和他发明的扭力天平 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 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 Alessandro Graf Volta (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 Hans Chanstan Oersted (奥斯特 丹麦) Andre Marie Ampere(安培 法国) Jean-Baptute Biot,Felix Savart (毕奥，萨伐尔) 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

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2017年3月17日 二、电气科学与工程的发展简史（续） 伏特与伏打电池 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

16 School of Electrical Engineering
2017年3月17日 二、电气科学与工程的发展简史（续） 安培定律 安培与他的实验装置 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

17 Michael Faraday (法拉第 英国)
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 1827年 欧姆定律 Georg Simon ohm(欧姆 德国) 1831年 电磁感应现象 （磁产生电） Michael Faraday (法拉第 英国) 1834年 楞次定律 楞次 电气工程专业导论

18 二、电气科学与工程的发展简史（续） 欧姆定律 欧姆与他的实验装置 电气工程专业导论

19 二、电气科学与工程的发展简史（续） 法拉第电磁感应定律 法拉第与最早的发电机——法拉第盘 电气工程专业导论

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 Hippolyte Pixii
（皮克斯，法国） 1834年 第一台实用的电动机 Moritz Hermann Von Jaccobi (雅可比，德籍俄国) 1866年 第一台自激式发电机 Ernst Werner Von Siemens (西门子，德国) 电气工程专业导论

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 电气工程专业导论

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） 电气工程专业导论

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 电气工程专业导论

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 Hendrik Anoen Lorentz (洛仑兹) 电气工程专业导论

25 二、电气科学与工程的发展简史（续） 麦克斯韦方程 麦克斯韦与他所著的《电磁通论》 电气工程专业导论

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 电气工程专业导论

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 电气工程专业导论

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 电气工程专业导论

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UNIVAC 1951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 电气工程专业导论

30 电气工程被人们誉为“现代文明之轮” 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IC 1962年 美国发射第一枚通讯卫星Telstar 1 1969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” 电气工程专业导论

31 电气工程专业导论

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2017年3月17日 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 …… 电气工程 材料科学 超导材料 半导体材料 永磁材料 …… 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/EMS DMS/DSM/GIS …… 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 …… 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 …… 电气驱动与控制 “线控”汽车 全电舰船 多(全)电飞机 …… 自动化：古典控制、现代控制、智能控制 电厂：单机分控—集控—DCS——AGC)； 变电站：监控保护—微机化—微机监控—综合自动化 信息化： 信息获取：传感测量、采集变送 信息处理：预处理、防误究错、 信息传输：点对点、现场总线、网络通信、传输规约、通信系统 信息应用 网络化： 电力网络：机组并列，系统互联，区域电网、大区互联、国际联网 信息通信网络：接口技术、现场总线、计算机网络（LAN、W AN、INTERNET） SCADA监控与数据采集系统 EMS能量管理系统 DMS配电管理系统 DSM需求侧管理 GIS地理信息系统（注： 与“气体绝缘系统” 缩写相同） 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University

33 三、电气科学的发展前景(续） 线控汽车 电气工程专业导论

34 三、电气科学的发展前景(续） 全电旅游船电气设备布置 电气工程专业导论

35 三、电气科学的发展前景(续） 多电飞机电气设备布置 电气工程专业导论

36 三、电气科学的发展前景(续） 智能楼宇示意图 电气工程专业导论

37 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。 电气工程专业导论

38 四、电气工程的理论基础 电磁场理论的基本概念与基本定律 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 U I R U 6V I -2A R + - － 电气工程专业导论

39 五、电气工程常用的计算机程序简介 MATLAB
MATLAB是美国Mathwork公司自1984年开始推出的一种使用简便的工程计算语言，由于其强大的数值运算能力和开放灵活的应用界面而在科学技术和工程应用的各个领域得到广泛的应用.其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件几乎支持各个工程领域。 电气工程专业导论

40 PSpice 五、电气工程常用的计算机程序简介(续）
SPICE (Simulation Program with Integrated-Circuit Emphasis) 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。 电气工程专业导论

41 五、电气工程常用的计算机程序简介(续） EMTP EMTP (Electro-Magnetic Transient Program) 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。 电气工程专业导论

42 PSASP 五、电气工程常用的计算机程序简介(续）
PSASP（Power System Analysis Software Package）是 一个用于电力系统分析计算的集成工作环境，将潮流计算、短路计算、稳定计算、以及绘图等程序有机地结合起来 。成为我国电力系统仿真计算标准 电气工程专业导论

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2017年3月17日 有志者事竟成 电气工程专业导论 Beijing JiaoTong University