電工學(xué)

電工學(xué)簡(jiǎn)介

　　電工學(xué)指研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，以及電力生產(chǎn)和電工制造兩大工業(yè)生產(chǎn)體系。電工的發(fā)展水平是衡量社會(huì)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志，是推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)文明的有力杠桿。也是工科高等院校為各類非電專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容包括：電路和磁路理論、電磁測(cè)量、電機(jī)與繼電接觸控制、安全用電、模擬電子電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。1986年以來(lái)，中國(guó)有些高等院校已將電工學(xué)課程改為電路與電機(jī)、電子技術(shù)、電路與電子技術(shù)等3門(mén)課程，以滿足不同專業(yè)的需要。

電工學(xué)百科

　　電工學(xué)指研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，以及電力生產(chǎn)和電工制造兩大工業(yè)生產(chǎn)體系。電工的發(fā)展水平是衡量社會(huì)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志，是推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)文明的有力杠桿。也是工科高等院校為各類非電專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容包括：電路和磁路理論、電磁測(cè)量、電機(jī)與繼電接觸控制、安全用電、模擬電子電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。1986年以來(lái)，中國(guó)有些高等院校已將電工學(xué)課程改為電路與電機(jī)、電子技術(shù)、電路與電子技術(shù)等3門(mén)課程，以滿足不同專業(yè)的需要。

　　理論編輯19世紀(jì)末在電工學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中形成了許多技術(shù)基礎(chǔ)理論分支。交流電路理論，磁路理論，電機(jī)與變壓器理論，電能傳輸理論，電工材料理論，電介質(zhì)理論，氣體放電理論等都發(fā)展成為系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)。20世紀(jì)50年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及工程控制論等一系列新興的科學(xué)技術(shù)理論蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)開(kāi)發(fā)之間的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加緊密，各門(mén)學(xué)科與專業(yè)之間互相滲透，互相交叉，使科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)形成一個(gè)既深入分化又高度綜合的龐大復(fù)雜的整體，同時(shí)也促進(jìn)了電工理論的發(fā)展。靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等結(jié)構(gòu)復(fù)雜又包括多種媒質(zhì)的三維物理場(chǎng)求解方法的研究取得新進(jìn)展。矩量法、變分原理、函數(shù)空間等都引入了電工理論?；诘刃Ｐ偷母拍畎l(fā)展了虛擬的磁荷與磁流模型，研究了多種動(dòng)態(tài)位及不同的規(guī)范選擇，提出了有關(guān)廣義能量的定理等。由于系統(tǒng)與元件相結(jié)合而擴(kuò)大了元件的內(nèi)涵，包括了邏輯門(mén)、可控源、回轉(zhuǎn)器以及大規(guī)模集成塊等。各類工程系統(tǒng)的發(fā)展形成了共同的網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)，使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展成為研究某種特定空間結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一般性理論方法。廣義網(wǎng)絡(luò)理論又將“場(chǎng)”與“路”結(jié)合起來(lái)，出現(xiàn)新的邊緣理論領(lǐng)域，如物理場(chǎng)論的網(wǎng)絡(luò)模擬、輻射場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)方法、等離子體的網(wǎng)絡(luò)圖解等；引用系統(tǒng)論的研究成果，將系統(tǒng)的整體性能和行為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及局部物理量結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步豐富了網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的內(nèi)容。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，多維系統(tǒng)的研究，狀態(tài)空間的拓?fù)涞戎敌?，?dòng)態(tài)系統(tǒng)的反饋理論和漸近性問(wèn)題，以及網(wǎng)絡(luò)故障的自動(dòng)偵察、診斷等，都成為引人注意的研究課題。在人類歷史發(fā)展的漫長(zhǎng)歲月里，技術(shù)革命是強(qiáng)大的推動(dòng)力。取火使人類擺脫了原始蒙昧；金屬工具幫助人類建立起農(nóng)業(yè)文明；動(dòng)力，特別是電能，擴(kuò)大了人類體力勞動(dòng)能力，出現(xiàn)了現(xiàn)代化的大工業(yè)生產(chǎn)。今天，以電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為特征的新技術(shù)又在延伸人類的智力功能。正是電磁規(guī)律在能源、信息、控制等領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，描繪出現(xiàn)代化社會(huì)的藍(lán)圖，形成新技術(shù)革命的主流。它沖激著社會(huì)生產(chǎn)和生活的每一個(gè)角落，不僅大幅度地提高了社會(huì)生產(chǎn)力，創(chuàng)造出豐富的物質(zhì)財(cái)富，而且改變著人們的生活方式、社會(huì)行為、教育訓(xùn)練、思維方法，促進(jìn)了社會(huì)的精神文明。電工正在與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相匯合，繼續(xù)發(fā)揮社會(huì)支柱的作用。

　　電氣化

　　能源是人類社會(huì)賴以生存的最基本的物質(zhì)條件之一。電能以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為人類開(kāi)發(fā)自然能源的最重要方式，是人類征服自然過(guò)程中所取得的具有劃時(shí)代意義的光輝成就。自19世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用電能以來(lái)，幾乎所有社會(huì)生產(chǎn)的技術(shù)部門(mén)以及人民生活，都逐步轉(zhuǎn)移到這一嶄新的技術(shù)基礎(chǔ)上，極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，改變了人類的社會(huì)生活方式，使20世紀(jì)以“電世紀(jì)”載入史冊(cè)。電照明是較早開(kāi)發(fā)的電能應(yīng)用。它消除了黑夜對(duì)人類生活和生產(chǎn)勞動(dòng)的限制，大大延長(zhǎng)了人類用于創(chuàng)造財(cái)富的勞動(dòng)時(shí)間，并且改善了勞動(dòng)生產(chǎn)條件，豐富了人們的生活。這為電能的應(yīng)用奠定了最廣泛的社會(huì)基礎(chǔ)，成為推動(dòng)電能生產(chǎn)的強(qiáng)大動(dòng)力。電傳動(dòng)是范圍最廣、形式最多的電能應(yīng)用領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)是冶金、機(jī)械、化工、紡織、造紙、礦山、建工等一系列工業(yè)部門(mén)與交通運(yùn)輸以及醫(yī)療電器、家用電器的最重要的動(dòng)力源。各種類型的電動(dòng)機(jī)占去全部用電設(shè)備總功率的70%左右。電傳動(dòng)在效率、精度、操作、控制、節(jié)能、安全等許多方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，并且在向著機(jī)電一體化以及工業(yè)機(jī)器人等新技術(shù)方向發(fā)展，從根本上改變了19世紀(jì)以蒸汽動(dòng)力為基礎(chǔ)的初級(jí)工業(yè)化的面貌。電能轉(zhuǎn)換為熱能是電能的另一重要用途。電加熱可以直接作用到物體內(nèi)部，且加熱均勻、熱效率高、容易控制。因此，電加熱在冶金工業(yè)及制造工業(yè)中成為重要的加工方式。電能在化工領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了電化學(xué)工業(yè)體系，包括電解工業(yè)、電熱化學(xué)工業(yè)，以及等離子體化學(xué)、放電化學(xué)、界面電化學(xué)、電池工業(yè)等，推動(dòng)了化工工業(yè)的發(fā)展。電物理裝置的研制成為電能應(yīng)用的新領(lǐng)域。各種能級(jí)和不同用途的加速器、大功率電脈沖裝置、大功率激光設(shè)備、受控核聚變裝置等所需要的電源技術(shù)、磁體技術(shù)、控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)等都促進(jìn)了電能的利用和電工的發(fā)展?？傊?，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電的應(yīng)用不僅影響到社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)的各個(gè)側(cè)面，也越來(lái)越廣地滲透到人類生活的各個(gè)層面（醫(yī)療電器的廣泛應(yīng)用和家用電器的普及只是人們熟知的兩個(gè)例證）。 電氣化已在某種程度上成為現(xiàn)代化的同義語(yǔ)，電氣化程度已成為衡量社會(huì)物質(zhì)文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志。世界各國(guó)都十分重視電能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用。近一個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐表明，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的電力生產(chǎn)大約以年平均7%的速率增長(zhǎng)，超前于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，避免了經(jīng)濟(jì)發(fā)展受電能短缺的限制。例如，1950～1980年30年間，美國(guó)實(shí)際國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值年平均增長(zhǎng)率為3.4%，而電能生產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率為6.26%，兩者之比即電力彈性系數(shù)為1.84；英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家的電力彈性系數(shù)也在1.28與1.97之間。1937年世界發(fā)電量為455.8億千瓦時(shí)，1950年9589億千瓦時(shí)，1980年約為82400億千瓦時(shí)，1988年已達(dá)到 11萬(wàn)億千瓦時(shí)。50年來(lái)增長(zhǎng)了240倍，大大超過(guò)其他經(jīng)濟(jì)部門(mén)的增長(zhǎng)速度。中國(guó)1949～1991年間，電力工業(yè)發(fā)展也極為迅速。年發(fā)電量1949年為43.1億千瓦時(shí)，居世界第25位，而1991年已增至6750億千瓦時(shí)，躍升為世界第4位。據(jù)數(shù)十個(gè)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)，各國(guó)人均年產(chǎn)值的增長(zhǎng)與人均年耗電量的增長(zhǎng)呈線性關(guān)系。電能消費(fèi)的單位指標(biāo)如單位國(guó)民生產(chǎn)總值、單位國(guó)民收入和單位人口的電能消費(fèi)也都呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。例如，1920～1970年期間美國(guó)的人均用電量由540千瓦時(shí)增加到7950千瓦時(shí)，年增長(zhǎng)率約為5.56%；1989年達(dá)到13450 千瓦時(shí)。50年代以前發(fā)達(dá)國(guó)家的電能消耗量約占能源消耗總量的4%，1985年已占30%以上，預(yù)測(cè)2000年將達(dá)到40～50%。擴(kuò)大電能應(yīng)用是20世紀(jì)各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的顯著特征。電能已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)須臾不可中斷的經(jīng)濟(jì)命脈。社會(huì)發(fā)展對(duì)電能的需求成為電工必將持續(xù)發(fā)展的巨大動(dòng)力。

　　新技術(shù)

　　電工制造業(yè)為電能的生產(chǎn)和消費(fèi)系統(tǒng)提供物質(zhì)裝備。隨著各國(guó)對(duì)電能需求的不斷增加，為滿足建設(shè)大型電站的需要，通過(guò)改進(jìn)發(fā)電機(jī)的冷卻技術(shù)，采用新型絕緣材料、鐵磁材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使發(fā)電機(jī)的單機(jī)功率增大、效率提高、成本降低。最大火力發(fā)電機(jī)組的功率1926年為160兆瓦，到60年代已成批生產(chǎn)500～600兆瓦火電機(jī)組，1973年第一臺(tái)1300兆瓦火電機(jī)組投入運(yùn)行。此后，由于受到材料性能以及大型機(jī)組在設(shè)計(jì)制造上的缺陷等因素的限制，投運(yùn)后事故較多，可用率降低，使大型火電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)減緩。80年代，大約有四分之三的火電設(shè)備單機(jī)功率穩(wěn)定在300～700兆瓦。水力發(fā)電機(jī)組的最大功率由1942年的108兆瓦提高到1961年的230兆瓦，1978年700兆瓦機(jī)組投入運(yùn)行。核電機(jī)組的功率由1954年5兆瓦（第一臺(tái)工業(yè)用試驗(yàn)性機(jī)組）提高到80年代的1300～1500兆瓦。隨著大型電站以及跨地區(qū)、跨國(guó)際大電網(wǎng)的建設(shè)，要求提供超高壓、大容量的輸變電設(shè)備。繼1952年制造第一套 380千伏交流輸變電成套設(shè)備后，1965年制成了735千伏交流輸變電成套設(shè)備。70年代以來(lái)，又先后制成1000～1500千伏交流輸變電設(shè)備。50年代最大變壓器容量為500兆伏安，1975年已達(dá)1800兆伏安。斷路器的制造經(jīng)歷了多油式、少油式、壓縮空氣式和六氟化硫 （SF6）氣體絕緣等不同發(fā)展階段，近10多年又發(fā)展了SF6組合式電器，縮小了占地面積（750千伏級(jí)約為1/75）和空間，并提高了運(yùn)行可靠性。到80年代，高壓斷路器的額定開(kāi)斷電流已達(dá)80～100千安，全開(kāi)斷時(shí)間已從50年代的3周波縮短至2周波和1周波，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。在用電設(shè)備中，約有70%左右的負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)，大的如軋鋼電動(dòng)機(jī)（單機(jī)功率達(dá) 12785千瓦）和高爐鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)（單機(jī)功率達(dá)36000千瓦），小的有千百種用途各異的微特電機(jī)。工廠中電動(dòng)機(jī)分散傳動(dòng)代替了過(guò)去的皮帶傳動(dòng)，改善了工廠的環(huán)境，提高了機(jī)床的效率和精度。電力機(jī)車(chē)同柴油機(jī)車(chē)一道代替了蒸汽機(jī)車(chē)。在家用電器中，出現(xiàn)了洗衣機(jī)、吸塵器、電風(fēng)扇、空調(diào)器、電灶、微波爐等，使家庭生活更省力、更舒適。為滿足冶金和機(jī)械工業(yè)的需要，各類電爐正向大容量、大功率、低能耗方向發(fā)展。1971年已有 360噸電弧爐投產(chǎn)。進(jìn)入80年代又開(kāi)發(fā)了 800噸電弧爐。采用超大功率電弧爐一般可將熔煉時(shí)間縮短三分之二，電耗降低23%。電力電子技術(shù)的出現(xiàn)不僅使直流輸電技術(shù)得以穩(wěn)步發(fā)展，而且使交、直流傳動(dòng)技術(shù)和各種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)都得到革新。它將微機(jī)控制與功率執(zhí)行緊密結(jié)合，統(tǒng)一完成邏輯、控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷等綜合功能，有力地推動(dòng)著機(jī)電一體化的技術(shù)潮流。80年代，在電動(dòng)機(jī)上采用功率因數(shù)控制器后，一般單相電動(dòng)機(jī)可節(jié)能20～50%，三相電動(dòng)機(jī)可節(jié)能5～10%。通過(guò)設(shè)備性能改進(jìn)，產(chǎn)品容量增大，電壓等級(jí)提高，電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行等，使發(fā)電設(shè)備容量的利用率得到合理地提高，輸配電設(shè)備每千伏安的造價(jià)大幅度降低。發(fā)達(dá)國(guó)家電力系統(tǒng)的損耗，從30年代約占電能生產(chǎn)總量的18%減少至80年代的7%，預(yù)計(jì)還將會(huì)進(jìn)一步降低。在此期間，電價(jià)降低了約65%。