《电气工程基础概览》课件

电气工程基础概览欢迎大家参加《电气工程基础概览》课程本课程将系统介绍电气工程的核心概念、基本原理及应用实践，旨在帮助初学者建立完整的电气工程知识框架无论您是电气专业的学生，还是对电气工程感兴趣的爱好者，这门课程都将为您打开电气工程的大门我们将从电气工程的历史发展、基础理论到实际应用，全方位、多角度地讲解电气工程的精髓课程内容既有理论深度，也有实践指导，力求理论与实际相结合，使您能够真正掌握电气工程的基本技能课程结构与学习目标电气基础知识掌握电荷、电流、电压等基本概念，理解欧姆定律、基尔霍夫定律等基本电路定律，熟悉电阻、电容、电感的基本特性及应用电路分析技术学习直流和交流电路分析方法，掌握示波器与万用表的使用，了解电路仿真软件的基本操作，能够进行简单电路故障排查电力设备应用了解变压器、电动机等电力设备的工作原理、分类及选型方法，掌握电气控制基础知识，能够阅读基础电气图纸实践与安全规范熟悉电气安全规范，掌握安全用电知识，了解节能与绿色用电的基本原则，具备解决实际电气工程问题的基本能力电气工程发展简史年17521富兰克林的风筝实验证明闪电是一种电现象，开启了电学研究的新篇章这一发现为后来的避雷针发明奠定了基础年18002伏特发明了第一个实用电池伏打电堆，为电流的持续研——究提供了稳定电源，推动了电化学和电动力学的发展年18313法拉第发现电磁感应现象，奠定了发电机和电动机的理论基础，这一发现彻底改变了人类的能源利用方式年18824爱迪生建立首个商业发电厂，标志着电气化时代的开始同期，中国上海开始使用电灯，开启了中国电气工程的发展历年19565程中国建成第一条千伏输电线路，此后中国电力工业快速330发展，如今已建成世界上最大的电力系统和特高压输电网络电气工程的主要分支电力系统工程电气自动化研究发电、输电、配电和用电系统的规研究自动控制理论及其在电气系统中的划、设计、运行与控制中国的特高压应用，包括工业自动化、智能控制系统输电技术处于世界领先地位，实现了电等广泛应用于现代制造业，提高生产能的远距离高效输送效率电气通信电子工程研究信息传输、交换与处理技术技研究电子元器件、集成电路及电子系统5G术的发展使通信速度大幅提升，物联网的设计与应用从消费电子到医疗设应用场景不断扩展，推动社会数字化转备，电子工程支撑了现代信息社会的发型展电气工程师的职业介绍电力系统工程师负责电网规划设计、运行维护和技术改造，需要掌握高压输配电技术在电力公司、电网企业、大型工业企业任职，就业前景稳定，薪资水平较高自动化工程师负责自动化系统设计、编程、工业机器人应用开发等工作在制造企业、系PLC统集成公司有广泛需求，随着智能制造升级，人才需求持续增长电气设计工程师负责建筑电气、工业配电系统设计，包括照明、配电、控制等在设计院、建筑企业、工程公司就业，需要专业资格认证，职业发展路径清晰电子工程师专注于电子产品、电路设计和嵌入式系统开发在电子制造、通信设备、消费电子等领域就业机会丰富，技术更新快，需持续学习电学基本概念电荷电流电压电荷是物质的基本属性之一，是产生电流是电荷的定向移动，表示单位时电压是电势差，表示单位电荷在电场电现象的根源电荷的基本单位是库间内通过导体截面的电荷量电流的中获得的能量电压的国际单位是伏仑（），电子带负电荷，质子带正国际单位是安培（），特（），C A1A=1C/s V1V=1J/C电荷，两者电荷量相等但符号相反按照电子流方向，电流从负极流向正生活中常见的电池电压为、

1.5V

3.7V在自然界中，物体通常带有等量的正极；按照传统约定，电流方向从正极等，家庭用电为，不同国家的标220V负电荷，表现为电中性当物体得失流向负极在分析电路时，我们通常准电压有所不同，如美国为高110V电子时，就会带电，产生各种电现采用传统电流方向压输电线路的电压可达数十万伏象电流与电压的关系水流类比电流好比水流，电压类比水压，导体好比水管水压越高，水流越大；电压越高，电流越大这一类比直观展示了电压作为电流推动力的本质物理关系电压提供电场力，使电荷在导体中定向移动形成电流没有电压就没有持续的电流，电压是电流产生的必要条件电流是电压作用的结果生活实例家用电器标注，表示工作电压为伏，频率220V/50Hz220为赫兹不同功率的电器在相同电压下，消耗的电流不50同如瓦电器约消耗安培电流

10004.5电能与电功率×××W=U It P=U I电能公式电功率公式电能（）等于电压（）、电流（）和时间电功率（）等于电压（）与电流（）的乘W U I PU I（）的乘积，单位是焦耳（）或千瓦时积，单位是瓦特（）t JW（）kWh1kWh常用能量单位千瓦时焦耳，是家庭用电计费的基本1=

3.6×10^6单位在实际生活中，不同家用电器的功率差异很大节能灯约为，电风扇约为，空调约为5-15W60-100W，电热水器约为了解电器功率有助于合理用电和节约能源1000-2000W2000-4000W电费计算公式为电费用电量（）电价（元）例如，一台的空调运行小时，=kWh×/kWh1500W5消耗电能为，按照元计算，电费为元

7.5kWh

0.5/kWh

3.75基本电路定律欧姆定律数学表达式欧姆定律表示为，其中为电流，为电压，为电阻这一简洁公式揭示I=U/R IU R了电路三个基本量之间的定量关系，是电路分析的基础物理意义导体中的电流强度与加在其两端的电压成正比，与导体的电阻成反比电阻越大，电流越小；电压越高，电流越大这反映了电流受阻的基本规律应用示例灯泡的发光原理就是应用欧姆定律电流通过灯丝（高电阻），产生热量使灯丝发光可调电阻器通过改变电阻值来调节电流大小，实现亮度调节使用限制欧姆定律并非对所有导体都适用某些电子元件如二极管、晶体管等具有非线性伏安特性，不遵循欧姆定律，需要使用其特性曲线进行分析基本电路定律基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律推导应用KCL KVL在任何节点上，流入的电流总和等于在任何闭合回路中，所有电压降的代考虑一个包含电池和两个电阻的简单流出的电流总和数学表达式入数和等于零数学表达式电路∑I∑U=0出=∑I反映了能量守恒定律，表明电荷应用KVL KCLI1=I2+I3反映了电荷守恒定律，表明电荷在回路中运动一周后，能量状态保持KCL应用KVL E-I1R1-I2R2=0不会在节点累积或消失这一规律适不变这一规律使我们能够分析复杂用于任何复杂电路的节点分析，是电电路中的电压分布通过这两个方程，结合欧姆定律，我路求解的基础方法之一们可以求解出电路中的电流和电压电阻、电容、电感基础电阻电容电感R CL阻碍电流通过的元储存电荷的元件，单储存磁能的元件，单件，单位为欧姆位为法拉电容器位为亨利电感线ΩF H电阻将电能转换为热由两个导体极板和中圈在电流变化时产生能，符合欧姆定律间的绝缘介质组成感应电动势，阻碍电电阻的大小与电容具有阻断直流、流变化电感具有通U=IR材料、长度、截面积通过交流的特性，其过直流、阻断交流的和温度有关常见类阻抗与频率成反比特性，其阻抗与频率型包括固定电阻、可基本关系式成正比基本关系变电阻和热敏电阻，式Q=CU I=C·dU/dt U=L·dI/dt等电阻的串联与并联串联电阻并联电阻多个电阻串联时，总电阻等于各电多个电阻并联时，总电阻的倒数等阻之和总于各电阻倒数之和总R=R1+R2+R3+...1/R=1/R1+1/R2+1/R3+...串联电阻上的电压分配遵循Ui=总总两个电阻并联的特殊情况总Ri/R×U R=R1×R2/R1+R2串联电路中，各电阻上的电流相同，电压不同并联电路中，各电阻上的电压相同，电流不同应用实例电阻分压器利用串联电阻的电压分配原理，从高电压获取所需的低电压电阻分流器利用并联电阻的电流分配原理，扩展电流测量范围可调电阻网络通过串并联组合实现精确的电阻值调节电容的串联与并联串联电容电容串联时，总电容的倒数等于各电容倒数之和总1/C=1/C1+1/C2+1/C3+...串联特例两个电容串联总，总电容小于最小的单个电容C=C1×C2/C1+C2并联电容电容并联时，总电容等于各电容之和总C=C1+C2+C3+...应用场景滤波电路、定时电路、耦合电路和储能系统中广泛应用不同的电容连接方式电容器在电路中的应用非常广泛在电源电路中，电容可以用来滤除纹波，稳定输出电压；在音频电路中，电容可以作为耦合元件传输信号；在振荡电路中，电容与电感配合可以产生特定频率的振荡选择电容时，除了容量外，还需考虑耐压、漏电流、温度特性等参数电解电容具有极性，安装时必须注意正负极方向，否则可能导致电容损坏甚至爆炸电感的串联与并联电感的串联与并联计算与电阻类似多个电感串联时，总电感等于各电感之和总这适用于各电感之间没有互感的L=L1+L2+L3+...理想情况若考虑互感，则总电感还需加上或减去互感值多个电感并联时，总电感的倒数等于各电感倒数之和总特别地，两个电感并联时总1/L=1/L1+1/L2+1/L3+...L=L1×L2/L1+L2电感在高频电路中应用广泛，如振荡电路、滤波电路、阻抗匹配等电感也是开关电源、变压器等设备的核心元件选择电感时，需考虑电感值、品质因数、饱和电流、直流电阻等参数电源与负载的基本类型电压源电流源负载类型理想电压源无论负载如何变化，两理想电流源无论负载如何变化，提阻性负载如电热器、白炽灯，电流端电压保持恒定实际电压源有内供恒定电流实际电流源负载增大与电压同相位，只消耗有功功率阻，负载增大时输出电压会略有下时输出电流会略有减小感性负载如电动机、变压器，电流降常见电流源有恒流充电器、驱滞后于电压，消耗有功功率同时产生LED常见电压源包括电池、市电、稳压动电源等恒流源通常由电压源和控感性无功功率电源等电池的内阻随使用时间增加制电路组成，用于需要稳定电流的场容性负载如电容器、荧光灯，电流而增大，这也是电池老化后电压迅速合超前于电压，消耗有功功率同时产生下降的原因容性无功功率直流与交流电简介直流电特点交流电特点直流电的电流方向和大小不随时交流电的电流方向和大小周期性DC AC间变化，如电池提供的电能适用于变化，如家用电源便于变压，适合电子设备、照明等低压应用场远距离输电，在大多数家用和工业设LED景，传输距离受限备中应用相互转换家用交流电整流通过整流器将交流电转换为直中国家用电为单相交流电，电压流电，如手机充电器逆变通过逆，频率插座有火线、零220V50Hz变器将直流电转换为交流电，如太阳线和地线，正确连接确保用电安全能发电系统正弦交流电的基础参数交流电基础分析阻性电路感性电路容性电路在纯电阻电路中，电流与电压同相位，在感性电路中，电流滞后于电压，在容性电路中，电流超前于电压，90°90°即电压与电流同时达到峰值，同时过即电压达到峰值后，电流才达到峰值即电流先达到峰值，电压后达到峰值零功率因数为，电路仅消耗有功功功率因数小于，电路既消耗有功功功率因数小于，电路既消耗有功功111率常见于电阻加热器、白炽灯等设率，又产生感性无功功率常见于电动率，又产生容性无功功率常见于电容备机、变压器等设备补偿装置交流电的分量分解视在功率S单位为伏安，VAS=UI有功功率P单位为瓦特，WP=UI·cosφ无功功率Q单位为乏，varQ=UI·sinφ在交流电路中，功率可分为三种有功功率、无功功率和视在功率有功功率是真正被电路消耗并转化为热能、机械能等有用功的部分；无功功率是在电感或电容元件中循环往复的能量，不产生有用功；视在功率是有功功率和无功功率的合成，代表了电源的负载能力三相电是三个相位相差的正弦交流电的集合三相电系统包括三相三线制和三相四线制两种连接方式三相电在工业中广泛应用，因为它120°具有功率传输效率高、电机启动转矩大等优点工业与生活中的三相电三相四线制三相四线制由三相线（、、）和一条中性线（）组成相电压是相线与中性线之间A BC N的电压，线电压是任意两相线之间的电压在中国，三相四线制的相电压为，线电220V压为380V家庭与工业用电家庭用电通常采用单相供电（），使用相线和中性线工业用电多采用三相供电，220V大型设备如电动机直接使用三相电，小型设备和照明则从三相系统中取单相供电负载均衡三相系统中，各相负载应尽量平衡严重不平衡会导致中性线过载、设备效率降低和电网损耗增加工业中通过合理分配负载和使用平衡器来保持三相平衡安全保护三相系统的保护措施包括过载保护、短路保护和接地保护配电箱内设有断路器、熔断器等保护装置，确保在故障情况下能快速切断电源，保障人身和设备安全电路分析方法综述直接分析法基于欧姆定律和基尔霍夫定律，按照电路结构直接列写方程求解适用于简单电路，思路清晰但计算量可能较大以一个包含两个回路的电路为例，可以列写两个电流方程和一个节点方程，通过解联立方程得到所需的电流和电压值网孔分析法以回路电流为未知量，应用基尔霍夫电压定律建立方程组求解适用于复杂电路，尤其是含有电压源的电路网孔分析法的方程数等于独立回路数，减少了未知量和方程数，简化了计算过程节点分析法以节点电压为未知量，应用基尔霍夫电流定律建立方程组求解适用于含有较多电流源的电路节点分析法的方程数等于独立节点数减一，在某些情况下比网孔法更加高效叠加定理将电路中的多个电源分别单独作用，然后将各自产生的效果叠加适用于线性电路，能够分析特定电源对电路的影响在故障分析和灵敏度分析中特别有用示波器与万用表基本应用示波器测量内容万用表功能安全使用规范示波器主要用于测量电信号的波形、万用表是集成了电压、电流、电阻等使用测量仪器前，应检查仪器状态和幅值、频率、相位等参数它能直观多种测量功能的便携式仪表数字万测试线完好性测量前正确选择功能地显示电信号随时间的变化情况，是用表还可测量电容、频率、温度等参档位，测量电流时万用表串联，测量分析电路动态特性的重要工具数，是电气工作者的基本工具电压时并联现代数字示波器还具有自动测量、波万用表按功能可分为指针式和数字测量高电压电路时，应使用具有相应形存储、频谱分析等功能，能满式，数字式具有精度高、读数方便、耐压等级的测试仪器和测试线，并佩FFT足复杂的电路测试需求自动量程等优点戴绝缘手套等防护装备测量完毕后，应将仪器恢复到安全状态电路仿真软件简介系列Multisim ProteusSPICE是公司开发的电路设计与仿是公司Multisim NIProteus LabcenterElectronics SPICESimulationProgram with真软件，特点是界面友好，虚拟仪器丰的产品，集成了电路图设计、设计是最早的PCB IntegratedCircuit Emphasis富，仿真速度快它内置了示波器、频和仿真功能其最大特点是支持微控制电路仿真程序，有多种商业和开源版谱分析仪等多种测量工具，能够直观地器仿真，能够模拟与外围电路的交本，如、等强MCU PSpiceLTspice SPICE观察电路响应在教学和中小互，是嵌入式系统开发的有力工具调精确的器件模型和仿真算法，适用于Multisim规模电路设计中应用广泛在单片机教学和开发中尤为实模拟电路、混合信号电路的精确分析Proteus用在专业电路设计中应用广泛电流保护与断路器熔断器断路器熔断器是最基本的过电流保护装置，由断路器是能自动检测过载、短路并断开易熔金属丝封装在绝缘外壳中组成当电路的保护装置与熔断器不同，断路电流超过额定值时，金属丝熔断，切断器可以重复使用，不需更换元件电路熔断器按特性分为快速熔断和延时熔断家用断路器主要有热磁式和漏电保护型两类前者用于保护半导体设备，后者两种热磁式利用热元件和电磁铁保护用于电动机等启动电流大的设备过载和短路；漏电保护型能检测电流不平衡，保护人身安全保护协调在复杂供电系统中，需要合理配置各级保护装置的动作特性，确保故障时只切断最接近故障点的保护装置，最大限度减小停电范围家用保护典型配置总进线漏电断路器分路热磁断路器，形成两级保护体系，兼顾+安全性和选择性接地系统基础系统系统系统TN TTIT变压器中性点直接接变压器中性点直接接变压器中性点不接地或地，电气设备外露导电地，电气设备外露导电通过高阻抗接地，电气部分通过线与中性点部分接到独立的接地装设备外露导体部分接PE相连系统又分为置此系统在电网改造地单一接地故障不会TN（线、中常见，漏电保护装置导致断电，但需快速排TN-C PENTN-S（线和线分开）和必不可少当发生接地除故障广泛应用于对PE N（部分合并部分故障时，通过漏电保护供电连续性要求高的场TN-C-S分开）三种中国多数装置切断电源所，如医院手术室、计区域采用系统，安算机中心等TN-S全性较高防雷接地防雷接地系统包括接闪器、引下线和接地装置三部分建筑防雷分类由高到低分为三类，不同类别建筑采用不同防雷措施防雷接地与工作接地、保护接地宜共用一套接地装置，形成综合接地系统电气设备常用符号电气符号是电气图纸上表示各种电气设备、器件和连接关系的标准图形符号通过这些符号，工程师能够准确表达电气系统的结构和功能中国的电气符号主要遵循系列标准，与国际电工委员会标准基本一致GB/T4728IEC常见电气符号包括电源类（如交流电源、直流电源）、开关类（如断路器、隔离开关）、测量仪表类（如电压表、电流表）、变压器类、电动机类、保护装置类等电气图纸主要有主接线图、二次接线图和平面布置图三种主接线图表示系统的电力流程，二次接线图表示控制和保护回路，平面布置图表示设备的空间位置关系变压器基础原理工作原理结构组成功率级别变压器基于电磁感应原理工作当初变压器主要由铁芯、绕组、绝缘材料变压器按功率可分为微型（，1VA级线圈通以交流电时，在铁芯中产生和散热系统组成铁芯采用硅钢片叠如电子电路中的信号变压器）、小型交变磁通，这一磁通穿过次级线圈，装，减少涡流损耗；绕组通常使用漆（，如家用电器变压1VA-5kVA感应产生电动势根据法拉第电磁感包线，具有良好的绝缘性能；大型变器）、中型（，如配电5kVA-500kVA应定律，感应电动势的大小与磁通变压器采用油浸式冷却，油起到绝缘和变压器）和大型（，如电力500kVA化率成正比散热双重作用变压器）理想变压器中，初、次级电压比等于中国特高压变电站的主变压器容量可绕组匝数比达以上，是世界上最大的变U₁/U₂=N₁/N₂1000MVA压器之一变压器类型与选型电力变压器配电变压器用于发电厂和变电站的大容量变压将中压电网变换为低压10kV/35kV器，额定容量从几到几百不MVA MVA供用户使用的变压器容量一400V等具有高效率（）、高可靠性99%般为至，是电力系统30kVA2500kVA和长寿命（年）特点通常采用30-40中数量最多的变压器类型干式配电油浸式冷却，配有复杂的保护监测系变压器适用于对防火要求高的场所统仪用变压器特种变压器包括电压互感器和电流互感器PT如调压器、整流变压器、试验变压器，用于测量和保护系统将高电CT等专用变压器根据具体应用场景定压大电流按比例转换为标准低值，便/制，具有特殊的电气特性如电炉变于仪表测量精度等级通常为级、

0.2压器能承受大电流冲击，试验变压器级、级等，选择时应考虑测量要

0.51具有高绝缘强度求变压器的能量损耗变压器总损耗通常不超过额定容量的3%铁损由磁滞损耗和涡流损耗组成铜损由绕组电阻产生的热损耗变压器的铁损（也称空载损耗）主要包括磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗与铁芯材料、磁通密度和频率有关；涡流损耗与铁芯厚度、电阻率和频率的平方成正比为减少铁损，通常使用硅钢片叠装铁芯，增加铁芯电阻率并降低厚度铜损（也称负载损耗）与负载电流的平方成正比为减少铜损，可以增加导线截面积，降低绕组电阻；采用并联绕组结构；使用导电率更高的材料现代变压器通过优化设计，能够实现高达的效率能效等级从高到低分为、、、等，数字越小能效越高在经98%-99%S15S13S11S9济运行方面，变压器的最佳负载率约为，既能保证效率，又不会造成设备过载40%-60%电动机分类简介直流电动机结构包括定子（磁场）和转子（电枢），通过换向器实现转子电流方向的周期性变化具有起动转矩大、调速范围广的特点，主要应用于精密控制场合，如电动工具、电动汽车和机器人等交流电动机包括同步电动机和异步电动机两大类异步电动机结构简单、维护方便，是工业应用最广泛的电动机类型，应用于水泵、风机、压缩机等设备；同步电动机转速稳定，效率高，多用于大功率场合步进电动机通过脉冲信号控制，每个脉冲使电机旋转固定角度精确定位是其最大特点，广泛应用于数控机床、打印机、扫描仪等需要精确控制位置的设备伺服电动机伺服系统的执行元件，具有响应速度快、定位精度高的特点通常配合编码器使用，组成闭环控制系统，在工业自动化、机器人技术和精密机械中应用广泛直流电动机结构转子（电枢）转子是电动机的旋转部分，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴组成电枢铁芯采用硅钢片叠装，以减少涡流损耗；电枢绕组通常采用波绕组或叠绕组形式，连接到换向器上；换向器由铜片和云母绝缘片组成，是直流电动机的核心部件定子（磁场）定子是电动机的固定部分，由机座、主磁极和换向极组成主磁极产生主磁场，可以是永磁体或电磁铁；换向极（也称中间磁极）用于改善换向过程，减少电火花，延长电刷寿命定子结构决定了电动机的磁路分布电刷系统电刷通常由碳材料制成，通过弹簧压力压在换向器上，实现电流从外部电源到转子绕组的传递电刷与换向器的接触面是直流电动机的主要磨损部位，需定期检查和更换现代无刷直流电动机通过电子换向技术，消除了传统碳刷换向器的机械接触端盖与轴承端盖支撑转轴，内装轴承，保持转子在定子内同轴旋转轴承类型通常为滚珠轴承，减少摩擦损耗，提高效率端盖还装有通风孔，帮助散热大型电动机还配备风扇强制冷却，以提高输出功率交流异步电动机原理定子结构转子类型启动过程三相异步电动机定子由机座、定子铁芯和定异步电动机的转子有鼠笼式和绕线式两种电动机启动时，转子静止，定子旋转磁场切子绕组组成定子铁芯采用硅钢片叠装，内鼠笼式转子由铁芯和导条组成，导条一般为割转子导体，在转子中感应大电流，产生电部开有均匀分布的槽，嵌入三相绕组三相铝或铜，两端用端环短接绕线式转子内有磁转矩带动转子旋转随着转速提高，转差绕组在空间上相差电角度，通入三相交三相绕组，通过滑环和电刷引出，可串入电率减小，转子电流和转矩逐渐降低，最终在120°流电后产生旋转磁场旋转磁场的转速称为阻调节转子参数鼠笼式结构简单、维护额定转差率下稳定运行启动电流可达额定同步转速，由频率和极对数决定少，是使用最广泛的类型；绕线式起动转矩电流的倍，大功率电动机需采用降压启5-7大，调速性能好，但结构复杂，价格高动、星三角启动或软启动等方式降低启动电n₁=60f/p流冲击电动机参数与特性曲线电动机常见控制方式直接启动星三角启动软启动器-最简单的启动方式，直启动时电动机绕组星形通过可控硅逐渐增加电接将电动机接入电网连接，运行时改为三角动机电压，实现平滑启优点是控制简单，成本形连接能将启动电流动能有效降低启动电低；缺点是启动电流降低到直接启动的流，减少机械冲击，延大，对电网冲击大适，但启动转矩也随长设备寿命适用于风1/3用于小功率电动机通之降低适用于轻载启机、水泵等对启动过程常或电网容量足动的中等功率电动机有要求的场合5kW5-够大的场合50kW变频调速变频器通过改变电源频率和电压，实现电动机转速的无级调节具有启动平滑、调速范围宽、节能效果好等优点广泛应用于需要精确速度控制或节能要求高的场合机床与家用电动机案例洗衣机电机空调压缩机电机数控机床应用现代洗衣机多采用无刷直流电机或变空调压缩机采用单相或三相感应电数控机床工作台和主轴驱动系统采用频电机，替代传统的单相感应电机机，高端产品使用直流变频电机变伺服电机或步进电机伺服电机配合无刷电机具有高效率、低噪音、寿命频空调通过改变压缩机电机转速，调编码器形成闭环控制系统，能实现精长、转速可调等优点，能实现各种洗节制冷量，实现恒温控制和节能减确定位；步进电机通过脉冲控制，适涤模式通过电子控制系统，洗衣机排电机与压缩机一体化设计，密封用于定位精度要求不太高的场合可以根据衣物重量和类型自动调整转在压缩机壳体内，使用专用冷冻油润现代数控机床多采用交流伺服系统，速和洗涤力度滑具有动态响应快、定位精度高、维护洗衣机脱水过程中，电机转速可达现代空调压缩机电机效率可达以简便等特点一台高端数控机床可能90%以上，通过皮带或直驱方式上，其能效水平直接影响空调的整体配备十几个不同规格的伺服电机1000r/min带动滚筒旋转，产生离心力甩干衣能效比物与自动化基础PLC定义与结构编程语言PLC可编程逻辑控制器编程语言主要包括梯形图、功Programmable PLCLD是一种专用于工能块图、指令表、结构化文本Logic Controller,PLC FBDIL业控制的数字运算操作电子系统它采和顺序功能图五种其中梯形ST SFC用可编程的存储器，用于存储执行逻辑图最为常用，它源于继电器控制电路，运算、顺序控制、定时、计数和算术运直观易懂，便于掌握算等操作的指令，通过数字或模拟的输不同品牌编程软件各不相同，如西PLC入和输出，控制各种类型的机械或生产门子的、三菱的、施STEP7GX Works过程主要由、存储器、输入输出接耐德的等PLC CPU/Unity Pro口、电源和通信接口等部分组成应用领域广泛应用于离散制造业，如汽车装配线、包装生产线、机床控制等；过程工业，如PLC石油化工、钢铁冶炼等；公共设施，如楼宇自动化、交通信号控制、水处理系统等在智能制造趋势下，正向网络化、智能化方向发展，与工业物联网、大数据等技术PLC融合，实现更高级别的自动化和信息化电气控制常用元件接触器继电器按钮与指示灯接触器是一种电磁操作的开关，用于频繁接通和断开继电器是一种电控制器件，利用电磁感应原理，将小按钮开关是人机交互的基本元件，用于手动控制设备电路主要由线圈、铁芯、触点系统和灭弧装置组电流控制回路的变化转换为大电流回路的通断结构的启停和操作常见类型有点动型（释放后自动复成当线圈通电时，产生电磁力吸合铁芯，带动触点上与接触器类似，但一般体积更小，触点容量较低位）和自锁型（需再次按下才释放）按钮颜色有规闭合；断电后，在弹簧作用下触点断开接触器按照根据工作原理和用途，继电器有电磁型、热继电器、定红色表示停止或紧急操作，绿色表示启动，黑色触点容量和用途分为主接触器和辅助接触器根据控时间继电器、固态继电器等多种类型热继电器用于或灰色表示一般功能制回路电压，线圈有、、等电动机过载保护；时间继电器可实现延时控制；中间AC24V AC220V DC24V指示灯用于显示设备的工作状态，颜色含义红色表多种规格继电器用于控制回路的逻辑转换示危险或故障，绿色表示正常运行，黄色表示注意或警告，白色表示一般指示现代控制面板多采用LED指示灯，具有寿命长、能耗低的优点基础电气图识读主电路图主电路图表示电能传输的路径，包含电源、断路器、接触器主触点、电动机等大电流设备通常用粗线表示，清晰显示三相线路识读重点电源进线方式、短路保护装置类型、主接触器配置、电机接线方式（星形或三角形）控制电路图2控制电路图表示控制逻辑，包含按钮、继电器、接触器线圈、辅助触点等小电流元件通常用细线表示，侧重展示控制逻辑和顺序识读重点控制电源类型、启停控制方式、联锁保护逻辑、信号指示方式电气原理图与实物图对照电气原理图采用符号表示，而实物接线需转换为端子排连接识读技巧先了解图纸符号标准，区分主控回路；跟踪单个回路的控制逻辑；理解元件编号规则（如表示号接触器）；KM11熟悉常见控制电路结构（如自锁电路、顺序控制电路）常见错误与排查方法识图常见错误混淆主控回路、忽视触点状态（常开常闭）、误解联锁逻辑排查方法按电/源流向逐段跟踪；理解每个元件的作用；核对触点位置与主触点的对应关系；检查保护设备的整定值是否合理实际安装中核对型号、规格与图纸的一致性电气安全规范要点触电风险分析1触电分为直接接触和间接接触两种直接接触是指人体直接接触带电体，如裸露导线；间接接触是指接触因绝缘损坏而带电的外壳触电危害与电流大小、通过时间和路径有关，人体安全电流限值为电击防护应遵循先切断电源，后救人的原则10mA基本防护措施2基本防护包括使用足够强度的绝缘材料；安装防护罩和隔离装置；采用安全特低电压；安装剩余电流保护装置对于重要场所，应采用双重绝缘或加强绝缘结构设备金属外壳必须可靠接地，RCD三相四线制的线必须贯穿整个系统PE国家标准要求中国电气安全主要标准《用电安全导则》规定了安全用电基本要求；《低压GB13869GB/T16895电气装置》规定了建筑物电气装置的设计和施工要求；《低压配电设计规范》规定了配电系GB50054统保护措施标准要求配电系统应具备过载保护、短路保护、接地保护和接地故障保护功能安全操作规程电气操作必须持证上岗；高压设备操作须两人以上；操作前必须穿戴绝缘手套、绝缘靴等防护用品；严禁带电作业（特殊情况除外）；设备检修必须执行五步操作法停电、验电、放电、接地、悬挂标示牌临时用电必须设置专用配电箱，配备剩余电流保护装置，使用符合规定的橡胶线安全用电实践注意事项家庭用电安全实验室用电安全工业用电安全紧急处理流程家庭用电环境相对简单，但安实验室用电环境复杂，设备种工业用电功率大、电压高，安发生触电事故首先切断电全隐患不容忽视插座应符合类多样实验台应配备专用电全要求严格供电系统需有完源，若无法立即切断，使用绝安全标准，带有保护门家用源插座，有明确标识特殊设善的保护措施，包括过流保缘物挑开电源或拉开触电者；电器不宜长时间满负荷运行，备如高压电源、大功率加热设护、短路保护和接地保护配检查伤者呼吸心跳，必要时实尤其注意空调、电热水器等大备需单独供电，并设置紧急切电柜应有明确标识，非专业人施心肺复苏；拨打急救电话，功率设备家用配电箱应安装断开关实验结束后应切断所员禁止操作迅速送医漏电保护器，定期测试其可靠有非必要设备电源电气设备应定期检修，记录检发生电气火灾切断电源；使性湿度较大的实验室应安装额定修情况大型设备维修必须执用干粉灭火器或二氧化碳灭火电线老化是家庭火灾的主要原漏电动作电流不大于的行停电、挂牌、锁定程序高器灭火，严禁使用水或泡沫灭30mA因之一，建议定期检查，发现漏电保护器化学实验室需考温、潮湿、粉尘、易燃易爆等火器；火势无法控制时，立即绝缘层破损应及时更换多功虑防爆电气设备特殊环境需采用专用防护型电撤离并报警能插座不宜串接使用，避免过气设备载常见电气故障与排查开路故障表现为设备不工作，电路中没有电流常见原因包括导线断裂、接触不良、元件损坏、保险丝熔断排查方法目视检查线路是否有明显断点；使用万用表测量可疑点的导通性；检查保险丝和断路器状态；测量设备各部分电压，确定断点位置短路故障表现为保护装置跳闸，电流异常大常见原因包括绝缘损坏导致相线与相线或相线与地线直接接触；设备内部元件击穿排查方法检查线路外观是否有烧焦痕迹；断开可疑设备，逐一排查；使用兆欧表测量绝缘电阻；采用分段测试法，逐步缩小故障范围过载故障表现为设备发热、运行不稳定，长时间后保护装置动作常见原因包括设备长时间超额定功率运行；机械部分阻力增大；散热条件恶化排查方法测量运行电流是否超过额定值；检查机械传动部分是否有卡滞；测量电动机绕组温度；检查散热系统是否正常；查看环境温度是否过高故障定位方法故障定位遵循从简到难、从表及里、逐步排除的原则基本流程收集故障信息（现象、时间、环境）；分析可能原因；制定检查计划；测量关键参数；逐步排除；验证结果复杂故障可采用对半分法，将系统分为几个部分，逐步缩小范围详细记录故障现象和处理过程，建立故障档案，为未来维护提供参考节能与绿色用电高效电器选择选择能效等级高的电器，优先考虑一级能效产品能效标识是评判电器能效的权威依据，星级越高，能效越好变频技术在空调、冰箱、洗衣机等产品中的应用，显著降低了能耗，提高了使用舒适度照明比传统白炽灯节能以上，且寿命更长LED80%用电习惯优化合理设置空调温度，夏季不低于，冬季不高于，每调高低可节电约充分利用26℃20℃1℃10%自然光，减少不必要的照明电器不用时彻底断电，避免待机能耗充分利用峰谷电价政策，将大功率用电安排在低谷电价时段定期清洁电器散热部件，保持高效运行智能家居节能智能照明系统通过人体感应、光线感应自动控制灯光，减少不必要照明智能温控系统根据室内外温度、人员活动状态自动调节空调运行智能插座可远程控制、定时开关，还能监测用电量智能家电互联系统可统一管理所有设备，优化能源使用效率根据实际测试，智能家居系统可节约的家庭能耗15%-30%用电数据分析安装智能电表，实时监测用电情况，分析用电高峰和用电模式通过移动应用程序查看分时段、分设备用电量，识别高耗能环节将自家用电与同类家庭平均水平比较，发现节能潜力设置用电预警，当用电量接近设定阈值时提醒用户基于数据分析的针对性节能措施，效果更加显著电气工程新技术前瞻智能电网储能技术智能电网结合先进传感、通信和控制技大规模储能是解决可再生能源间歇性问题术，实现电力系统的自动化和智能化它的关键锂离子电池因能量密度高、循环能实时监测电网状态，优化电力分配，提寿命长，成为主流储能技术抽水蓄能是高可再生能源的并网比例，降低线损率目前规模最大的储能方式液流电池、压中国正在建设世界上规模最大的智能电缩空气储能等新技术正在快速发展中国2网，预计到年，智能电表覆盖率将超到年规划建设储能装机容量以2025202530GW过上95%电力电子技术无线输电宽禁带半导体、器件具有高无线输电技术通过电磁感应、电磁共振或SiC GaN4温、高频、高压特性，正逐步替代硅基器微波传输等方式，实现无导线电能传输3件高效电力变换技术使电能转换效率提近场无线充电已在手机、电动汽车等领域升至以上模块化多电平变流器应用远场无线输电技术仍处于实验阶98%技术在特高压直流输电中应用广段，有望解决偏远地区供电问题和空间太MMC泛，是柔性直流输电系统的核心阳能发电传输行业标准与认证标准类别主要标准适用范围管理机构国际标准系列低压电气装置国际电工委员会IEC60364IEC国际标准分布式电源并网电气电子工程师协会IEEE1547IEEE国家标准低压配电设计规范中国国家标准化管理委GB50054员会国家标准建筑电气装置中国国家标准化管理委GB/T16895员会行业标准电力系统继电保护国家能源局DL/T5210认证认证强制性产品认证中国质量认证中心CCC认证电气工程师资格专业人员执业资格人力资源和社会保障部电气工程领域的标准体系包括国际标准、国家标准、行业标准和企业标准四个层次国际标准主要由（国际电IEC工委员会）和（电气电子工程师协会）制定，为各国标准提供参考中国的国家标准以（强制性）和IEEE GBGB/T（推荐性）表示，由国家标准化管理委员会发布产品认证方面，电气产品在中国市场销售需取得认证（中国强制性产品认证）专业人员需通过电气工程师执CCC业资格考试获得职业资质认证流程通常包括申请、文件审核、现场审核、测试验证、获证后监督等环节随着国际贸易发展，标准互认和认证互认成为趋势，中国积极参与国际标准制定，促进标准国际化典型电气工程案例

（一）负荷计算供电方案智能化设计某小区共有住宅楼栋，每栋层，每层采用双电源供电方案，从附近变电站配电室采用微机综合保护装置，实现过流、615410kV户，每户设计容量考虑到居民用电的引两路电源至小区配电室配电室内短路、接地故障保护和自动切换安装智能5kW10kV不均衡性，采用需要系数法计算小区总负设两台油浸式变压器，一用一备，电能管理系统，实现远程抄表、负荷监测和800kVA荷单栋楼设计负荷户层互为备用低压配电采用放射式与树干式相分析楼道照明采用声控时控双模式，既4×15+需要系数整个小区计结合的方式，主干线采用铜芯电缆节能又方便小区公共区域设置充电桩×5kW×

0.7=210kW YJV-20算负荷栋同时系，埋地敷设各个，满足电动汽车充电需求配电系统预留210kW×6×

0.

850.6/1kV-4×240+1×120mm²数考虑的发展预留和单元入口设置计量箱，每户设置带漏电保护光伏接入条件，为未来分布式能源接入做准≈1071kW20%10%的线损，最终设计容量为的家用配电箱备1400kVA典型电气工程案例

（二）系统规划需求分析和总体架构设计1供配电系统2高低压配电、变压器选型与保护自动化控制系统、传感器和执行器配置PLC工业网络4现场总线、工业以太网构建监控系统系统实现设备状态监控SCADA某自动化生产线电气系统设计案例该生产线年产能万件，包含原料处理、热处理、组装、测试等工序供电系统采用专用变电站供电，设置两台干式变压器，实现冗余设1010kV1600kVA N+1计低压配电系统分为动力、照明和特殊用电三个系统，动力系统设置功率因数自动补偿装置，保持功率因数不低于

0.95控制系统采用分层分布式架构，由西门子系列作为主控制器，下设多台系列负责各工序控制工业网络采用构建，实现控制层和设备层通信，通过S7-1500PLC S7-1200PLC PROFINETOPC UA协议与企业系统对接驱动系统包含台交流伺服电机，采用系统实现精确定位控制系统基于平台开发，实现生产参数监控、报警管理、趋势分析和报MES110SINAMICS S120SCADA WinCC表生成基本电气计算实例练习××U=I RP=UI欧姆定律电功率计算基本电路分析的核心公式确定设备能耗和线路负载S=√P²+Q²cosφ=P/S视在功率功率因数设备选型的重要参数评估电能利用效率的指标例题某电路中串联连接三个电阻，电源电压为，求电路总电阻和各电阻上的电压1R₁=10Ω,R₂=15Ω,R₃=5Ω30V解答总电阻总根据欧姆定律，电路电流总各电阻上的电压，，R=R₁+R₂+R₃=10+15+5=30ΩI=U/R=30/30=1A U₁=I×R₁=1×10=10V U₂=I×R₂=1×15=15V验证，结果正确U₃=I×R₃=1×5=5V U₁+U₂+U₃=10+15+5=30V=U例题某三相异步电动机额定功率为，效率为，功率因数为，额定电压为，求电动机的输入电流215kW

0.

880.85380V解答输入有功功率入出输入视在功率入三相电流P=P/η=15/

0.88=

17.05kW S=P/cosφ=

17.05/

0.85=

20.06kVA I=S/√3×U=

20.06×1000/√3×380=

30.5A课堂总结与知识点归纳学习方法建议电气工程实践电气工程学习应注重理论与实践相结电气设备与应用掌握电气安全规范，注意不同环境下合建议通过实验、仿真软件巩固理电学基础知识理解变压器的工作原理、结构和选型的安全用电事项能够进行简单的电论知识；多阅读电气图纸，提高识图掌握电荷、电流、电压等基本概念及方法，掌握电动机的基本类型和控制气故障诊断和排除了解节能与绿色能力；动手拆装电气设备，了解结构其关系理解欧姆定律、基尔霍夫定方式了解PLC与自动化基础，认识用电的基本方法熟悉电气工程新技和工作原理；参与实际工程项目，积律等基本电路定律，能够分析简单直常用电气控制元件能够识读基础电术发展趋势，具备持续学习的能力累工程经验；关注最新技术发展，拓流电路熟悉电阻、电容、电感的特气图，掌握电气设备符号熟悉电流掌握基本电气计算方法，能够解决实展专业视野课堂学习需要结合课后性及其串并联关系区分直流电与交保护原理和接地系统基础知识，确保际工程问题练习和自主探索，形成完整的知识体流电的特点，了解正弦交流电的参数电气系统安全运行系和分析方法课后思考与拓展问题电气安全思考新能源集成挑战在建筑电气设计中，常见的电气安全措可再生能源（如风能、太阳能）的间歇施包括过电流保护、漏电保护和等电位性和波动性给电网带来了挑战请探连接请思考在潮湿环境（如浴室）讨电力电子技术如何帮助解决新能源中，应采取哪些特殊的电气安全措施？并网问题？智能电网在这一过程中扮演为什么这些措施能有效防止触电事故？什么角色？如果你负责设计一所学校的电气系统，如果你是某社区的电气工程师，如何设应如何平衡安全性和经济性要求？请说计一个兼顾屋顶光伏发电、电动汽车充明你的设计思路和关键考虑因素电和家庭用电需求的配电系统？请考虑负载平衡、峰谷调节和安全保护等因素工业自动化未来随着工业的发展，传统控制系统正在向更智能、更开放的方向发展请思考未

4.0PLC来年内，工业控制系统可能发生哪些重大变革？电气工程师应如何适应这些变化？5-10在一个智能工厂中，电气自动化系统、信息系统和管理系统将高度融合请设想这种融合可能带来的技术挑战和解决方案，特别是从电气工程的角度谢谢大家，欢迎提问！电子邮件咨询线下答疑时间在线讨论组如有课程相关问题，欢迎发送每周

二、周四下午我们已建立课程微信群和14:00-QQ电子邮件至，工程楼区室如群，群号信息已发布在教学平16:00A513需预约其他时段，请提前天台上欢迎加入讨论组，与同professor@university.ed3我们会在小时内回复您通过电子邮件或教学平台申学们交流学习心得，共同解决u24的问题复杂问题可能需要更请，注明具体问题和时间需难题教师和助教会定期在群长时间处理，请耐心等待求内回答问题课程反馈渠道课程结束后，请通过教学系统提交课程评价您的反馈对我们改进教学质量至关重要如有建设性意见，也可通过教务处信箱或直接与任课教师沟通。