1電氣工程專業導論2電氣工程在國民經濟中的地位電氣科學與工程的發展簡史電氣工程的發展前景電氣工程的理論基礎電氣工程常用計算機程序簡介第一章緒論3電氣工程學科(專業代碼0806)first-gradediscipline

（ElectricalEngineering——Thebranchofengineeringsciencethatstudiestheusesofelectricityandtheequipmentforpowergenerationanddistributionandthecontrolofmachinesandcommunication）.

它是工程科學的一個分支，主要研究電氣系統的應用和發配電設備與機械的控制及通信。一、電氣工程在國民經濟中的地位4一、電氣工程在國民經濟中的地位(續）電氣科學與工程學科分類電磁學與電路理論；電機電器學；電力系統；電工材料學；高電壓與絕緣；電力電子學；脈沖功率技術；放電理論與放電等離子體；超導電工學；生物電磁學；電磁兼容；

新能源與新發電技術。

1.普通電機運行與控制；2.新型電機/微特電機；3.高低壓電器;4.PLC1.輸/配電系統；2.電力系統運行/優化；3.電能質量等。1.導電材料；2.磁性材料；3.半導體材料。1.高電壓產生/控制2.工業過電壓保護；3.絕緣。1.器件；2.變流；3.控制。1.可再生能源發電技術；2.節電新技術；3.儲能技術；4.分布式發電技術。1.電磁兼容性分析與預測；2.電磁兼容性試驗技術；5電氣工程及其自動化（本科）（1998年專業目錄）電機電器及其控制電力系統及其自動化高電壓與絕緣技術工業自動化電氣技術一、電氣工程在國民經濟中的地位(續）6電氣工程一級學科（碩士、博士）電機與電器電力系統及其自動化高電壓與絕緣技術電力電子與電力傳動電工理論與新技術一、電氣工程在國民經濟中的地位(續）本學科內部密切交叉7控制科學與工程信息科學與技術電子科學與技術學科管理及其它相關學科學科與其他學科交叉電氣工程及其自動化電機電器及其控制電力系統及其自動化高電壓與絕緣技術工業自動化電氣技術一、電氣工程在國民經濟中的地位(續）8二、電氣科學與工程的發展簡史這個過程大致可分為三個階段。第一階段，從公元前大約7世紀至公元16世紀上半葉，在長達兩千余年的歲月里，人類對電、磁現象的認識十分緩慢，一直停留在單純地觀察記錄的水平上。第二階段，自16世紀下半葉英國女王的侍醫官吉爾伯特開始，人們對電磁現象進行了探討，并作了一些定性的歸納和總結。這一階段大約持續了二百年。第三階段，從18世紀的卡文迪許、庫侖開始，人們對電磁現象的研究進入了用科學方法定量研究、總結歸納從而得出規律的階段。9二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物公元前七世紀發現磁石管子(中國)thale(泰勒斯希臘)公元前二世紀靜電吸引西漢初年1600年《論磁石》論述磁并導入“電”electricWilliamGilbert(吉爾伯特)1745年萊頓瓶電容器的原形，存貯電Pietervanmusschenbrock

(穆欣布羅克荷蘭萊頓)

EwaldGeorgVonKleit

(克萊斯特德國)10二、電氣科學與工程的發展簡史（續）吉爾伯特和他的著作《論磁石》11二、電氣科學與工程的發展簡史（續）帶有萊頓瓶的起電機12二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物1747年電荷守恒定律BenjamimFranktin(夫蘭克林美國)1754年避雷針ProcopiusDirisch

(狄維施)1785年庫侖定律—電磁學進入科學行列CharlesAugustedeCoulom

(庫侖法國)13二、電氣科學與工程的發展簡史（續）庫侖和他發明的扭力天平庫侖定律14二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物1799年發明電池

提供較長時間的電流AlessandroGrafVolta

(伏特意大利)1820年電流的磁效應（電產生磁）

安培分子電流說

畢奧-薩伐爾定律HansChanstanOersted(奧斯特)

AndreMarieAmpere(安培)

Jean-BaptisteBiot,FelixSavart,French

15二、電氣科學與工程的發展簡史（續）伏特與伏打電池16二、電氣科學與工程的發展簡史（續）安培與他的實驗裝置安培定律17二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物1826年歐姆定律

GeorgSimonohm(歐姆)1831年電磁感應現象

（磁產生電）MichaelFaraday

(法拉第英國)1834年楞次定律楞次18二、電氣科學與工程的發展簡史（續）歐姆與他的實驗裝置歐姆定律19二、電氣科學與工程的發展簡史（續）法拉第與最早的發電機——法拉第盤法拉第電磁感應定律20二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物1832年第一臺實用的直流發電機HippolytePixii（皮克斯，法國）1834年第一臺實用的電動機

MoritzHermannVonJaccobi

(雅可比，德籍俄國)1866年第一臺自激式發電機

ErnstWernerVonSiemens

(西門子，德國)21二、電氣科學與工程的發展簡史（續）皮克斯發明的直流發電機22二、電氣科學與工程的發展簡史（續）雅可比發明的世界上第一臺電動機模型（左）與實用電動機（右，復制品）23二、電氣科學與工程的發展簡史（續）西門子與他的自激式發電機24二、電氣科學與工程的發展簡史（續）時間典型事件及意義代表人物1873年麥克斯韋方程組

建立了電磁學理論，

預言了電磁波Maxwell(麥克斯韋，英國)1879年電燈泡的發明Edison(愛迪生美國)1896年光速公式HendrikAnoenLorentz

(洛侖茲)25二、電氣科學與工程的發展簡史（續）麥克斯韋與他所著的《電磁通論》麥克斯韋方程26二、電氣科學與工程的發展簡史（續）電弧燈（左）與愛迪生發明的白熾燈27二、電氣科學與工程的發展簡史（續）1831年英國人Faraday發現電磁感應現象1832年法國人Orsted制成第一部發電機1834年德國人Heinrich發現楞次定律1864年德國人Maxwell發表電磁波理論1866年德國人Gramme發明自激式直流發電機1876年美國人Bell發明磁鐵式電話1875年法國巴黎火車站建立了世界上第一座火力發電廠1879年西門子設計了第一臺能乘坐18人的小型電力機車1882年紐約出現第一座直流配電系統28二、電氣科學與工程的發展簡史（續）1885年美國人Stanley研制成功變壓器1886年美國開始發展交流電力系統1887年德國人Hertz實驗證明電波存在1888年美國人Tesla發表感應電動機理論1890年美國第一座3.3kv交流輸電系統完成1893年芝加哥美國博覽會展出雙相交流配電系統1896年意大利人Popov發明無線電1897年英國人Thomson證實電子存在1912年美國GE公司正式使用消弧室29二、電氣科學與工程的發展簡史（續）1918年美國人Fortescue發表解析不平衡理論1933年德國

AEG

公司制造220kv級之氣沖式斷路器1936年美國自到LA之間完成287kv線路1938年美國人應用布爾代數于交換電路1946年美國賓州大學

Eckert完成ENIAC真空管計算器1948年美國人Bardeen發明晶體管1951年世界第一部商用計算器UNIVAC1951年

美國西屋公司產制

SF6斷路器1954年100kV之

HVDC

線路于瑞典正式運行30二、電氣科學與工程的發展簡史（續）1957年第一座商用

核能電廠

于美國運轉1960年美國人

Maiman作雷射證明1961年美國Fairchild及TI公司推出商用IC1962年美國發射第一枚通訊衛星Telstar11969年美國

765kv交流線路完成1971年各型集成電路時期1975年美國Intel公司推出4004、8080

微處理器1976年大型電子計算器及微電腦問世后，諸如電力系統分析、電力控制、電機設計及保護系統等技術不斷推陳出新電氣工程被人們譽為“現代文明之輪”31電氣工程信息化信息獲取與處理信息傳輸信息應用信息系統安全……網絡化電力網絡信息通信網絡工業控制網絡SCADA/EMSDMS/DSM/GIS……數字化數字化測控數字信號處理數字仿真分析數字電力系統……樓宇智能化智能建筑供配電智能建筑通訊智能建筑防盜綜合布線系統……電氣驅動與控制“線控”汽車全電艦船多(全)電飛機……材料科學超導材料半導體材料永磁材料……三、電氣科學的發展前景生命科學生物醫學電磁技術磁共振成像技術……電工高新技術磁懸浮技術磁流體發電技術……32三、電氣科學的發展前景(續）線控汽車34三、電氣科學的發展前景(續）全電旅游船電氣設備布置36三、電氣科學的發展前景(續）多電飛機電氣設備布置37三、電氣科學的發展前景(續）智能樓宇示意圖38三、電氣科學的發展前景(續）近年來的研究熱點有：電力大系統、電力傳動系統及電力電子變流系統中的各類問題；生物、醫學與健康領域中的電磁方法與新技術；氣體放電及多相混合體放電問題；基于新材料、新原理或為開拓新應用領域的電機、電器；反映各類電器設備電器或絕緣性能演變的多因子規律及其觀察和測量技術；電能質量的理論及其測量、控制；可再生能源發電、電能存儲和電力變換技術；現代測量原理及傳感技術；脈沖功率技術與低溫等離子體應用基礎；電力電磁兼容問題以及復雜電力系統的經濟安全運行、控制及規劃的理論及其應用。39四、電氣工程的理論基礎電路理論的基本概念與基本定律電路的基本物理量及其正方向；歐姆定律；基爾霍夫定律。電磁場理論的基本概念與基本定律UIRUIRU6VI-2AR+-－40五、電氣工程常用的計算機程序簡介MATLAB數值分析、數值計算? 工程與科學繪圖? 控制系統設計與仿真? 數字信號/圖像處理生物工程/生命科學通信系統設計與仿真? 財務與金融、化學工程? 機電一體化設計與開發MATLAB名稱源自MatrixLaboratory，它最早是一種以矩陣形式處理數據的科學計算軟件，以C語言為內核，提供了大量內置函數，被廣泛用于科學計算、控制、信息處理、生物計算、金融和工程設計等領域的分析、仿真和設計工作.MATLAB產品為開放式結構，功能易于擴充，從而在不斷深化對問題認識的同時，完善MATLAB產品。目前MATLAB產品族可以用來進行：20世紀70年代后期，美國新墨西哥大學的CleveMoler教授為減輕學生編程負擔，用FORTRAN編寫了一組調用LINPACK和EISPACK庫程序的“通俗易用”的接口軟件，此即萌芽狀態的MATLAB。經幾年流傳，1984年成立了MathWorks公司，把MATLAB正式推向市場。此時，MATLAB內核采用C語言編寫，除原有數值計算功能外，增加了數據圖視化功能。此后，MATLAB以其良好的開放性和運行可靠性，使原先控制領域里的封閉式軟件包（如英國的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德國的KEDDC）紛紛淘汰，改以MATLAB為平臺。20世紀90年代，MATLAB已成為國際控制界公認的標準計算軟件。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，每半年進行一次版本更新目前用的較多的是MATLAB2008a和2010b語言簡潔緊湊，使用方便靈活，內嵌庫函數極其豐富。運算符豐富，提供了和C語言幾乎一樣多的運算符。既有結構化的控制語句，又有面向對象編程的特性。語法限制不嚴格，程序設計自由度大。圖形功能強大。具有功能強勁的各類專業工具箱。源程序的開放性。Matlab程序為解釋執行，故運行速度較慢。MATLAB的主要特點45五、電氣工程常用的計算機程序簡介(續）PSpiceSPICE(SimulationProgramwithIntegrated-CircuitEmphasis)是美國加州大學Berkely分校在20世紀70年代早期為集成電路仿真開發的，它是低功率等級電力電子最廣泛應用的仿真程序。微機版本的SPICE稱為PSpice，國外許多大學課程和電路及電子學方面的大學教科書均編入了基于PSpice的例子和練習，熟悉PSpice有利于在電力電子學課程中學習。

OrCAD是美國OrCADSystem公司推出的著名的EDA軟件，它覆蓋了電子設計的4項核心任務電路仿真

OrCAD的組成Pspice軟件功能

1.仿真功能：（1）靜態工作點分析（2）瞬態分析（時域分析）（3）交流小信號分析（頻域分析）（4）直流掃描分析（5）直流小信號傳遞函數值分析（6）直流小信號靈敏度分析（7）統計特性分析（蒙特卡羅分析和最壞情況分析）

Pspice包含著眾多的電子元件庫BIPOLAR.lib

半導體器件OPAMP.lib

運放Breakout.lib

要考慮參數發生變化的元器件符號應

采用此庫中的Analog.lib

和Analog_p.lib

常用的無源元器件符號Source.lib

各種電源符號Sourcestm.lib

需要調用激勵信號波形生成模塊

設置的各種電源符號。Special.lib

與電路模擬有關的一些專用符號Abm.lib

代表某些模擬功能的符號49五、電氣工程常用的計算機程序簡介(續）EMTP

EMTP(Electro-MagneticTransientProgram)是用于電力系統電磁暫態分析的仿真軟件,是電力系統中高電壓等級的電力網絡和電力電子仿真應用最廣泛的程序。EMTP側重的是系統級的運行工況而不是個別元件的細節。它包含電機、變壓器、傳輸線、二極管、晶閘管和開關等元件的模型。EMTP是一個不斷發展的軟件，擁有推動其發展的大量資源，成為美國電力系統和電力電子仿真方面的工業標準。

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