第1章 绪绪 论论 第1章 绪绪 论论 1.1 电气工程及其自动化专业概述电气工程及其自动化专业概述 1.2 国内外大学电气工程专业设置国内外大学电气工程专业设置 1.3 电气工程专业的课程体系与知识结构电气工程专业的课程体系与知识结构 1.4 影响电气工程发展的主要因素影响电气工程发展的主要因素 1.5 电气工程专业人才培养目标电气工程专业人才培养目标 第1章 绪绪 论论 1.1 电气工程及其自动化专业概述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。 第1章 绪绪 论论 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。法拉第的电磁感应定律是他最伟大的贡献，揭示了电磁感应原理，奠定了电磁学基础。正像法拉第用他发明的第一台发电机(法拉第盘，见图1-1)所演示的那样，电磁感应可以用来产生连续电流。虽然给城镇和工厂供电的现代发电机比法拉第发明的发电机要复杂得多，但是它们同样都是根据电磁感应原理设计的。 第1章 绪绪 论论 第1章 绪绪 论论 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。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的棒状铁芯实用电动机，如图1-2所示。 第1章 绪绪 论论 (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 第1章 绪绪 论论 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，见图1-3。其工作过程是把几个线圈按辐射状排成一圈，接通交流电，交流电的频率相同，但电压和电流存在相移，于是，在线圈之间的空间就形成了旋转磁场，磁场带动金属使之产生旋转运动。据此，成功研制出二相异步电动机。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。 第1章 绪绪 论论 图1-3 特斯拉发明的二相异步电动机 第1章 绪绪 论论 19世纪后期，在资本主义迅速发展、商品竞争日益加剧的形势下，新技术的采用往往成为维持生计、藉以发展和出奇制胜的法宝，此时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。第1章 绪绪 论论 电机制造技术的进步和电能应用范围的扩展以及工业生产对电能需要的迅速增长，大大促进了发电厂和发电站的建设。这些发电厂、发电站最初都是从直流发电开始的，1875年，法国巴黎火车站建成了世界上最早的一座火力发电厂。1882年，“爱迪生电气照明公司”建成了商业化电厂和直流电力网，能发电660 kW。1882年，美国兴建第一座水力发电站，之后水力发电逐步发展起来。 1898年，纽约又建立了容量为30 000 kW的火力发电站，用87台锅炉推动12台大型蒸汽机为发电机提供动力。由于当时直流发电厂的供电范围有限，仅能对一栋房子或一条街道供电，此后建立的中心电厂也仅能供几平方千米内用户用电，而再扩大供电范围，直流电厂已不能胜任，于是代之而起的是交流发电站的建立。 第1章 绪绪 论论 1885年，英国工程师菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建成发电，这座发电站建在距伦敦12 km的捷伯特弗尔得，发电机功率为1000 kW，电压高达2500 V，经变压后升高到10 kV向伦敦输送，经过几次变压后，用户的供电电压为100 V。1888年，由费朗蒂(18641930年)设计，建设在泰晤士河畔的伦敦大型交流发电站开始输电，其输出电压高达10kV，经两级变压输送到用户。1892年，法国建成了第一座三相交流发电站，把交流发电站的发展向前推进了一步。随后，美国于1893年建成了第一座三相交流发电站，并于1895年建成了尼亚加拉3675kW的交流水电站。1894年，俄罗斯建成了当时世界上最大的单相交流发电站，其功率为800kW，由四台蒸汽机提供动力发电。 第1章 绪绪 论论 电这种新能源刚刚被人们使用的时候，它的主要作用是作为照明的光源。电被发出来之后，再把它输送给用户，输送的距离越远，经济价值就越大。在远距离输电方面，人们首先尝试了直流电输电方式。第一条直流输电线路于1873年建成，长度仅有2 km。世界上第一条远距离直流输电实验线路是由法国人建立的。1882年，法国物理学家和电气工程师德普勒(18431918年)由德国葛依吉工厂资助在慕尼黑国际博览会上展出了一条实验高压直流输电线路，把米斯巴赫一台容量为2.2 kW的水轮发电机发出的电能输送到相距57 km的慕尼黑，驱动博览会上的一台水泵形成了一个人工喷泉。这一成功演示，展示出了电力的巨大潜力，证明了远距离输电的可能性。 第1章 绪绪 论论 在这次实验中，线路始端电压为1343V，末端降至850V，输送功率不到200W，线路损耗达78%，说明效率较低。在直流输电的发展过程中，经过技术改进曾一度达到甚为可观的水平。直流电机能发出电压高达57.6kV，功率为4650kW的电能，输送距离达到180km。但这种势头很快达到了技术上的极限，难以再取得新的进展。由焦耳-楞次定律可知，输送相同容量的电能，电压越高，热损耗就越小。要加长输电距离、增大输电容量，又要减少输电损失，最为有效的办法就是提高输电电压。由于当时的直流输电只能靠发电机的电压把电力输送给用户，因此，若使直流电大幅度地升压或降压在当时是难以想象的。而用户的电压一般要求在250V以下，直接使用高压既不安全也不经济。在这种情况下，交流输电显示了其优越性，从而促进了交流高压输电方式的发展。交流输电技术最早获得成功的是俄国的亚布洛契可夫，他在18761878年成功试验了单相交流输电技术。 第1章 绪绪 论论 1880年前后，英国的费朗蒂改进了交流发电机，并力主采用交流高压输电方式。1882年，英国的高登制造了大型二相交流发电机。1882年，法国人高兰德(18501888年)和英国人约翰吉布斯获得了“照明和动力用电分配办法”的专利，并成功研制了第一台具有实用价值的变压器。可以说，它是交流输配电系统中的主要设备或心脏部分。变压器的基本结构是铁芯和绕组，以及油箱和绝缘套管等部件，它所依据的工作原理是法拉第在1831年发现的互感现象，即由于一个电路中电流变化，而在邻近另一电路中引起感生电动势的现象。在同一铁芯上绕上原线圈和副线圈，如在原线圈中通入交变电流，由于电流的不断变化，而使其产生的磁场也随之不断变化，在副线圈中也就感应出电动势来。 第1章 绪绪 论论 变压器靠这一工作原理，把发电机输出的电压升高，而在用户那里又把电压降低。有了变压器可以说就具备了高压交流输电的基本条件。1884年，英国人埃德瓦德、霍普金生(18591922年)又发明了具有封闭磁路的变压器。1885年，威斯汀豪斯(18461914年)对高兰德和吉布斯变压器的结构又进行了改进，使之成为一台具有现代性能的变压器。1891年，布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，后又研制出巨型高压变压器。由于变压器的不断改进，因此远距离高压交流输电取得了长足的进步。 第1章 绪绪 论论 在采用直流输电还是交流输电的问题上曾产生过一场争论。当时在美国电气界最负盛名的大发明家爱迪生和对电气化作出了重要贡献的著名英国物理学家威廉汤姆生(即开尔文勋爵)以及罗克斯克隆普顿(18451940年)等人都极力反对采用交流输电，主张发展直流输电方式；而英国的费朗蒂、高登等人和美国的威斯汀豪斯、特斯拉(18571943年)、斯普拉戈(18571934年)等人则力主采用交流输电。随着输电技术的发展，交流电很快取代了直流电。这场关于交、直流输电方式的争论，最终以力主交流输电派的取胜而告结束。 第1章 绪绪 论论 远距离输电问题的根本解决是三相交流理论的形成与技术发明的结果。18871891年德国电机制造公司取得了三相交流技术的成功。其主要发明者是在德国、瑞士工作的俄国电工学家多里沃-多勃罗沃尔斯基。他在1889年制成最早的一台功率为100 W的三相交流异步发电机。1891年又制成了75 kW的三相交流异步电动机(见图1-4和图1-5)和150 kW的三相变压器(见图1-6)。正是他的发明，人们在电能应用中广泛采用了三相制。1891年，多里沃-多勃罗沃尔斯基在德国法兰克福的电气技术博览会上，成功地进行了远距离三相交流输电实验。他将180 km外三相交流发电机发出的电能用8500V的高压输送，输电效率达到75%，在当时的条件下，如此高的传输效率是直流输电所不能办到的。从此，高压交流输电的有效性和优越性得到了公认。 第1章 绪绪 论论 由于交流输电的发展和成功，美国当时正在准备建设的尼亚加拉水电站最终决定采用三相交流输电系统。威斯汀豪斯为其公司争得了这座水电站的承建合同，从1891年开始建设，1895年建成，1896年投入运行。这座发电站的总容量近100 kW。它将发出的5000 V电压的电用变压器升至11 000 V，输送到距离40 km的布法罗市。电力的作用已不仅仅是用于照明，而开始成为新兴工业的动力和能源。电力的应用和输电技术的发展，促使一大批新的工业部门相继产生。首先是与电力生产有关的行业，如电机、变压器、绝缘材料、线路器材等电力设备的制造、安装、维修和运行等生产部门；其次是以电作为动力和能源的行业，如照明、电镀、电解、电车、电梯等工业交通部门；另外还有各种与生产、生活有关的新的电器生产部门也相继出现了。这种发展的结果，又反过来促进了发电和高压输电技术的提高。到1903年输电电压达到60 kV；第一次世界大战前夕，输电电压达到150 kV。 第1章 绪绪 论论 图1-4 多里沃-多勃罗沃尔斯基三相电动机部件 第1章 绪绪 论论 图1-5 多里沃-多勃罗沃尔斯基三相电动机外观 第1章 绪绪 论论 图1-6 多里沃-多勃罗沃尔斯基的几种三相变压器 第1章 绪绪 论论 2国外大学电气工程专业发展过程及其教育状况简介国外大学电气工程专业发展过程及其教育状况简介国外电气工程专业设置较早，各个国家的专业特色也不一样。这里首先简要介绍美国一些著名大学电气工程专业的设置时间，其次介绍美国几所高等学校电气工程专业情况。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。哥伦比亚大学位于纽约市中心，于1754年成立，属美国常青藤八大盟校之一。哥伦比亚大学设有一百余个学科专业，大部分可以授予硕士、博士学位。 第1章 绪绪 论论 (2) 1883年康乃尔大学建立电气工程系。康乃尔大学坐落于纽约州伊萨卡市，1865年由商人埃兹拉康乃尔和学者安德鲁迪克森怀特创建。康乃尔大学是美国最有名的大学之一，共有29位诺贝尔奖获得者曾在这里就读。它是美国东部第一所同时招收男女生的主要学校。1872年康乃尔大学录取了第一位女大学生。康乃尔大学还是第一所教授美国历史和拥有自己出版社的大学。康乃尔大学包括七个本科生学院和七个硕士生学院、三个跨学院系、继续教育学院、夏校和康乃尔大学图书馆。 第1章 绪绪 论论 (3) 普林斯顿大学于1889年建立电气工程系。普林斯顿大学始建于1746年。作为一所著名的综合性大学