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电气工程学科概论论文
电气工程学科概论论文
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电气工程概论论文
摘要：
电气工程是现代社会的重要支柱。
不论是电气时代还是信息时代，都是建立在对电能的利用与控制上，电是能量转换的枢纽和信息的载体，电能普遍应用在人民生活和社会生产中，为提高现代社会的生活水平及文明程度奠定了物质基础。
电气自动化在工厂里应用比较广泛，可以这么说,电气自动化是工厂里唯一缺少不了的东西，是工厂里的支柱。
本文介绍电气工程中的电机与电器、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、电工理论与新技术学科，以及各自的研究热点内容，其中还有个人的展望和心得体会。
关键字：
电气工程 电机与电器 电力系统及其自动化电力电子与电力传动高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术
绪论
经过本科阶段的学习，我对自己选择的电气工程专业有了一定的认识，它与人们的日常生活以及工业生产密切相关，是高新技术产业的重要组成部分，广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中发挥着越来越重要的作用，而且它发展迅速，有着广阔的前景[1].
电气工程及其自动化涉及电力电子技术[2],计算机技术,电机电器技术信息与网络控制技术,机电一体化技术等诸多领域,是一门综合性较强的学科,其主要特点是强弱电结合,机电结合,软硬件结合.在这里要学习电工技术、电子技术、信息控制、计算机技术、电气工程及自动化技术等方面较宽广的工程技术基础和一定的专业知识，使学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练，以及电气工程及自动化领域的专业训练，具有解决电气工程技术与控制技术问题的基本能力[3]。
她要培养的是德、智、体、美全面发展，知识、能力、素质协调进步，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、电子与计算机技术应用等领域工作的“高素质、强能力、应用型”高级工程技术人才。
电气工程下设5个二级学科，分别为电机与电器、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个学科的研究领域自成一体，各有所长，发展势头强劲。
电机与电器
电机与电器的研究领域包括：
电力系统中的大型发电机、电动机，有着广泛应用的中小型电机。
前者侧重于运行分析、建模仿真及监测诊断，后者侧重于理论分析、设计方法及现代节能控制技术[4]。
就电力工业本身而言，电机就是发电厂和变电站的主要设备，它在机器制造业和轻、重型制造工业中应用广泛。
可以说，只要涉及电机的场所都能看到该学科的研究成果。
主要从事大型电机运行分析、监测控制或故障诊断等相关技术工作，也可从事电机设计及运行控制和节能技术开发工作。
电机与电器专业主要培养掌握计算机应用技术、具备中小型电机和低压电器的制造与设计能力，电气控制系统的安装、调试、维护、技术管理等实践能力的应用型技术人才。
电机的类型：
按功能分为：
1）发电机:
把机械能转换为电能；
2）电动机:
把电能转换为机械能；
3）变压器、变频机、变流机、移相机:
分别用于改变电能的电压、频率、电流及相位；
4）控制电机:
作为自控系统中的元件。
按功能分为：
电机中所用的材料：
1．导电材料作为电机中的电路系统。
为减小I2R损耗，要求材料的电阻率小。
常用紫铜及铝。
2．导磁材料作为电机中的磁路系统。
要求材料具有较高的磁导率和较低的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和铸钢。
3．绝缘材料作为带电体之间及带电体与铁心间的电气隔离。
要求材料的介电强度高且耐热强度好。
按耐热能力可分为A、E、B、F、H、C等6级.
4结构材料使各部分构成整体、支撑和连接其他机械。
要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。
常用铸铁、铸钢、钢板、铝合金及工程塑料。
电机中的损耗：
铜耗pcu：
电机运行时，导体中电流产生电阻损耗I2R
铁耗pFe：
铁心中交变磁通产生磁滞损耗和涡流损耗
机械损耗pm：
转动部分与轴承、电刷及空气间的摩擦，其大小与电机结构及转速有关。
附加损耗pad：
由于齿槽存在，谐波，漏磁等因素而引起的额外损耗。
当电机产生的热量等于电机散发出去的热量时，电机的温度便不再上升而达到某一稳定数值，此值与周围冷却介质温度之差，称为温升.
电机的发热：
温度极限内长期工作时，绝缘材料的电性能、机械性能和化学性能都不会显著变坏，通常可保证20年的寿命。
若超过此温度，绝缘材料会因迅速老化而使性能变坏，严重时可被烧毁，造成电机的损坏
电机的防护：
方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种
开启式电机的定子两侧和端盖上都有很大的通风口，只能在清洁、干净的环境中使用。
防护式电机的机座下面有通风口，适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境。
封闭式电机的机座和端盖上均无通风孔，完全是封闭的，适用于尘土多、特别潮湿，有腐蚀性气体，易受风雨、易引起火灾等较恶劣的环境
防爆式电机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃易爆气体的场所，如矿井、油库、煤气站等。
研究电机时常用的基本定律：
全电流定律（安培环路定律）、电磁感应定律、电磁力定律、电路定律、磁路及磁路定律。
Ansoftmaxwell基本操作介绍：
磁场分析方法：
有限元计算步骤:
Maxwell场量计算过程:
现在电机设计是该专业中比较热门的方向，电机的设计不得不提到设计软件有：
ansoft、ansys、flux。
其中较为常用的是ansoft其分析的基本过程：
建模材料属性载荷及边界网格剖分计算机解算后处理[5].
高电压与绝缘技术
高电压与绝缘技术主要运用于：
电力系统防雷保护设计、绝缘子在线监测、防污闪、水果保鲜、真空断路器设计、脉冲储能技术及军工产品等，其研究内容与多个学科交叉，如脉冲与等离子方向、超导技术方向、自动化方向等[7]。
主要在电力系统、电工制造和技术物理等领域从事高电压、强电流技术、绝缘技术、放电应用技术、过电压防护技术、电磁兼容技术等方面的研究，或从事设计、制造、运行工作[8]。
如今，高电压这一传统专业又创新意，显现出前所未有的生机，可谓“老树发新枝”。
绝缘：
是指使用不导电的物质将电位不等的导体分隔开来，从而保持不同的电位。
绝缘分类：
绝缘通常可分为气体绝缘、液体绝缘和固体绝缘三类。
在实际中，研究最多的是气体绝缘，使用最多的且最为可靠的是固体绝缘。
绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高绝缘体的耐压[9]。
气体放电：
气体中流通电流的各种形式统称为气体放电。
气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
当击穿过程发生在气体与液体或者气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
在实际中，很多设备采用空气绝缘，有可能发生电晕放电、火花放电和电弧放电。
两大理论：
汤逊放电理论（需要巴申定律的补充）和流注理论[10]。
防雷装置：
常用的防直接雷的装置是：
避雷针和避雷线。
它们是由导体制成，比被保护设备为高，且具有良好的接地装置。
避雷针（线）的作用是将雷吸引到自己身上并安全导入地中[11]。
常用的防进行波过电压的装置是避雷器。
避雷器与被保护设备并联，其作用是释放过电压能量，限制过电压水平，从而保护设备的绝缘。
目前使用最广泛的避雷器是氧化锌避雷器[12].
架空输电线路防雷：
1.为了降低雷绕击导线的概率，通常330~500kV线路采用双避雷线（保护角不同）；山区的220kV线路也采用双避雷线；
2.平原的220kV及110kV线路可用单避雷线。
35kV及以下的线路，因其绝缘很弱，装避雷线对限制感应雷过电压的效果不大，所以一般不沿全线装设避雷线。
3.增加绝缘子片数亦可提高线路的防雷水平，但这会增加费用（包括绝缘子和杆塔），一般不会采取这种办法。
4.降低杆塔的接地电阻是提高线路耐雷水平的最经济的办法。
电力系统接地：
电力系统接地主要分为三种：
防雷接地，工作接地和保护接地[13]。
防雷接地：
以把强大的雷电流安全导入大地为目的的接地。
防雷接地要求接地电阻值在1~30Ω。
工作接地：
因电力系统正常运行方式的需要而设置的接地。
通常要求接地电阻为0.5~10Ω。
保护接地：
为保证人身安全而设置的接地，如高压电气设备的金属外壳接地。
要求接地电阻为1~10Ω。
接地体：
输电线路杆塔和避雷针的防雷接地常采用占地面积不大的垂直接地体和水平接地体。
在一般土壤中，单根长度为2.5m的垂直接地体的工频接地电阻约为30Ω。
如果单根接地体不能满足需求时，可以用多根垂直接地体并联。
电力系统及其自动化
一、二次系统：
与电能的发送传输分配直接有关的系统属于一次系统。
用于一次系统的设备属于一次设备，如发电机、传输线、开关、断路器等[14]。
对于一次系统实现测量、控制、信号、保护、自动及远动的功能的系统属于二次系统。
用于二次系统的设备属于二次设备，如保护继电器、控制装置、计量表等。
电气主接线：
发电厂和变电所的电气主接线分为四类：
单母线接线、单母线分段接线、带旁路母线的单母线、双母线接线[15]。
电网调度:
常用电气主接线：
电力系统分析:
包括稳态分析和暂态分析[16]。
电力系统及其自动化涉及电力生产的全过程（包括发电、输电、配电、用电等），其研究内容衍生的各项技术成果广泛应用于发电厂、变压器、输电线路和配电装置中，涉及控制、优化、经济、稳定等多项指标。
除了涉及电气工程相关知识外，该专业对自动化、测量、计算机、通信等技术也有较高要求。
四遥[17]：
四遥功能是遥测、遥信、遥控、遥调；
遥测：
应用通信技术，传输被测变量的测量值。
遥信：
应用通信技术，完成对设备状态信息的监视。
遥控：
应用通信技术，完成改变设备运行状态的命令。
遥调：
应用通信技术，完成具有两个以上状态的运行设备的控制。
现场总线分类：
全双工（RS232、RS422）半双工（RS485、PROFIBUS）[18].
电力监控系统的基本结构：
信息采集和命令执行子系统：
包括信息输入设备和命令输出执行设备
信息传输子系统：
包括通信机和信道
信息采集处理和控制子系统：
处理采集信息，送往人机联系系统，接受人机联系系统下达的命令[19]
人机联系子系统：
为运行人员提供完整的电力系统实时运行状态信息
配电自动化系统组成结构[20]：
电工理论与新技术
电工理论与新技术专业主要是在电网络理论和电磁场理论的基础上，研究电网络分析方法及其在电力系统中的应用、电磁场数值分析方法及其工程应用、电力系统的电磁兼容技术、基于微机的现代电磁测量技术、电力系统的信号分析与处理技术。
电工新技术的分类：
超导技术：
超导是指某些物质在温度下降到某一温度Tc以下时，电阻变为零的现象。
Tc称为该物质的转变温度或临界温度；当超导体内通过的电流超过某一数值Ic时，超导体会由超导态变为正常态，Ic则称为临界电流。
当外磁场强度超过某一数值Hc时，超导现象也会消失，Hc称为临界磁场。
超导态的基本性质:
1、零电阻效应；
2、完全抗磁性；即超导体内磁感应强度为零。
3、上述特性可稳定保持和重复。
这三点是国际上公认的检验物体是否超导的准则。
应用：
1.超导电机绕组由实用超导线绕制成的电机。
具有功率密度大、效率高等优点
2.超导变压器电力系统内部能量损失除发电机的损失外，变电和输电系统的损失也占有很大的比例，减少后者就是减少变压器等变电设备和输电线路的损失，超导技术的发展为此提供了有利的技术支持
3.超导输电利用超导体在临界温度下失去电阻转变成超导态的原理而研制和开发的输电技术。
超导输电的输送容量远远超过传统的架空输电线路和充油电缆输电线路，也大于充气（如充SF6气体）输电管道和低温低阻电缆输电
4.超导储能将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。
试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。
这是一种理想的储能装置，称为超导储能
5.在电气工程领域的其他应用超导磁悬浮列车、托克马克装置、磁流体发电机、磁悬浮轴承、磁流体推进器等。
聚变电工技术：
核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。
在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。
氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。
与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。
磁流体发电技术：
磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据电磁感应原理，用导电流体，例如空气或液体，与磁场相对运动而发电的一种设备。
磁流体发电，是将带电的流体（离子气体或液体）以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而产生电能。
电工理论与新技术在国内的发展还不成熟，很多人对这个专业了解不深，由于其涉及面广，各院校在该专业上的发展侧重点也不尽相同。
电力电子与电力传动
电力电子与电力传动专业在各级工业、交通运输、电力系统、新能源系统、计算机系统、通信系统以及家电产品等各个领域都有广泛应用，如航天飞行器中的特种电源、远程特高压电压传输系统，家用的空调、冰箱和计算机电源，都离不开电力电子及电力传动技术[24]。
电力电子技术在输电网中的应用——直流输电已是较为成熟的技术，可控串补、静态无功发生装置等技术也正在快速发展中，而电力电子技术应用于配电系统则是近年来随着电力用户对电能质量要求的提高发展起来的，发展前景光明
主要研究内容：
电力电子变流技术，电机数字控制实现，谐波治理与无功补偿、电机调速技术。
下面分别介绍！
电力电子变流技术：
两电平pwm
两电平结构简单，易于实现，利用伏秒平衡原理通过调制脉宽得到我们所期望的波形。
但谐波较多，调速时造成转矩扰动，最重要的是过高的谐波含量会干扰电网侧！
[23]
为了提高其性能所以提出了多电平技术：
三电平pwm
三电平方式也称为中心点钳位方式，当输出电压较高时，它可以避免器件串联引起的动态均压问题，且能够降低输出谐波和du/dt，三电平PWM电压源型高压变频器与普通的两电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，在同等开关频率下，能够较大程度地改善输出波形。
在相同输出电压条件下，这种结构可使功率器件耐压等级降低1/2。
三电平克服了两电平的缺点，但其也有自身的问题。
这是我们以后努力的方向！
谐波治理与无功补偿：
谐波抑制：
为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：
一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
无功补偿的作用主要有以下几点：
（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。
（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
（3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。
无功方式及各自特点如下：
（1）同步调相机：
响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术；
（2）开关投切固定电容：
慢响应补偿方式，连续可控能力差；
（3）静止无功补偿器（SVC）：
目前相对先进实用技术，在输配电电力系统中得到了广泛应用；
（4）静止无功发生器SVG（STATCOM）：
目前虽然有技术上局限性，属少数示范工程阶段，但SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，现代无功功率补偿装置的发展方向。
电机调速技术：
直流电动机传动控制（转速电流双闭环）
以直流电机调速为例。
转速外环使得转速跟随速度给定，PI形式的转速调节器能使稳态速度误差为零[24]。
转速调节器的限幅值给出了最大的电流给定，一方面能够实现恒流升速，以达到最快的启动速度，另一方面也是限制了电机的最大电流。
电流内环也使其环内扰动的抑制速度大大提高（例如对电网电压的扰动抑制）。
以此为基础可研究交流电机的调速：
交流永磁同步电动机矢量控制下的等效模型
在矢量控制方式下，参数是完全解耦的，结果有下图所示的等效模型。
其中，R、L为定子绕组等效电阻和电感，Kc为转矩常数，J为电机与负载的转动惯量，p为极对数，φr为转子磁链。
可见，该模型与直流电动机等效模型基本一致。
可以按照直流电动机转速电流双闭环系统的参数设计方法进行调解器参数的整定[21]。
电机数字控制实现：
随着电力电子技术的迅猛发展，数字信号处理器（DSp）和微控制器（MCU）逐步应用到电机控制领域，使实现高精度的信号处理、复杂的非线性控制算法成为可能，极大地促进了电机控制的发展。
DSP在性能和设计复读方面介于ASIC和PC之间，其利用C语言或者汇编语言进行开发，在开发中，需要较少的硬件设计知识。
降低了难度！
[22]
以ASIC/FPGA为平台的算法开发是一种硬件的实现方法，可以针对具体情况实现专门化，切不需要耗费对指令进行解释的时间，可以利用空间的扩展实现高度并行性，因此速度更快，硬件利用率更高！
而且实时性高，灵活性也高！
总结
同时电气工程对于我国经济的发展也有着至关重要的作用, 随着时代的进步,世界开始进入新技术革命时代。
在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,现代工业生产过程中,要用各种自动化设备来监视和控制整个生产过程,使各个设备能够在工作过程中呈现出最佳状态,生产出最好的产品。
因此,没有电气自动化的发展,现代化生产也就失去了根基。
伴随着我国工业化的到来,信息化时代已经先一步到达,如果我们没有实现工业化,那信息化就更不可能完成,因为信息和工业化有着密不可分的关系。
我国的工业化还没有完全实现,世界信息化的浪潮就已经到来,我们不可能跨越工业化去实现信息化,工业自动化就是信息化和工业化的结合点,我们将密切关注国内外电气自动化先进技术的发展趋势,结合国内实际情况继续创新和发展，在技术先进、经济合理的前提下为我国的电气自动化事业的跨越式发展作出贡献。
也因此,发展工业自动化技术可以促进工业化的实现从而逐步缩短与发达国家之间的差距。
通过这一个学期电气工程概论这门课程的学习，使我们认识到本专业的性质、特点、发展以及所学技术的作用和地位，了解与本专业相关行业的工程现状和发展趋势，了解本专业的培养目标、培养规格、基本要求、课程体系结构、教学计划安排和教学内容，树立正确的专业思想和学习观，了解本专业各阶段的学习要求、重点、要点和学习方法，积极引导我们专业入门，为我们打开研究生学习之门，使我们在研究生时代能充分发挥学习主动性、积极性与创造性，从而成为研究生时代学习的真正主人。
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