電氣工程師基本知識?一、引言電氣工程師是一個涉及電力系統、電子技術、自動化控制等多個領域的專業職業。他們在現代社會中扮演著至關重要的角色，從設計和維護電力網絡到開發先進的電子產品，電氣工程師的工作影響著人們生活的方方面面。本文將介紹電氣工程師需要掌握的基本知識，包括電路原理、電機學、電力系統、自動控制原理、電子技術等方面。二、電路原理（一）電路基本定律1.歐姆定律內容：通過一段導體的電流I與導體兩端的電壓U成正比，與導體的電阻R成反比，即I=U/R。應用：歐姆定律是電路分析的基礎，可用于計算電阻、電流和電壓之間的關系。例如，已知電阻R=10Ω，電壓U=220V，可根據歐姆定律計算出電流I=U/R=220/10=22A。2.基爾霍夫定律基爾霍夫電流定律（KCL）內容：所有進入某節點的電流的總和等于所有離開這節點的電流的總和。即ΣI進=ΣI出。應用：在復雜電路中，KCL用于確定節點處電流的分配關系。例如，在一個有三個支路匯聚的節點，已知兩個支路的電流分別為I1=2A，I2=3A（負號表示電流方向與設定方向相反），根據KCL可得第三個支路的電流I3=I1I2=2(3)=1A?；鶢柣舴螂妷憾桑↘VL）內容：沿著閉合回路所有元件兩端的電勢差（電壓）的代數和等于零。即ΣU=0。應用：KVL用于計算回路中各元件電壓之間的關系。例如，在一個由電阻R1=10Ω、R2=20Ω和電壓源U=30V組成的簡單閉合回路中，設電流為I，根據KVL可得UI×R1I×R2=0，代入數值30I×10I×20=0，解得I=1A，進而可計算出R1兩端電壓U1=I×R1=10V，R2兩端電壓U2=I×R2=20V。（二）電路元件1.電阻定義：電阻是對電流阻礙作用的物理量，其大小與導體的材料、長度、橫截面積和溫度有關。特性：電阻消耗電能，將電能轉化為熱能。例如，一個100Ω的電阻，當通過1A電流時，根據焦耳定律P=I2R，其功率P=12×100=100W，即每秒消耗100J的電能。2.電容定義：電容是由兩片接近并相互絕緣的導體制成的儲存電荷的器件。特性：電容具有儲存電荷和電能的作用，其兩端電壓不能突變。例如，一個10μF的電容，在充電過程中，電壓逐漸升高，當電容兩端電壓達到電源電壓時，充電結束。電容的容抗Xc=1/(2πfC)，其中f為電源頻率，C為電容值。在交流電路中，電容對不同頻率的電流呈現不同的阻礙作用。3.電感定義：電感是能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件。特性：電感對電流的變化有阻礙作用，其自感電動勢e=L(di/dt)，其中L為電感值，di/dt為電流變化率。電感的感抗XL=2πfL。在交流電路中，電感會使電流滯后電壓90°。例如，一個5mH的電感，當通過頻率為50Hz的交變電流時，感抗XL=2π×50×5×10?3≈1.57Ω。（三）電路分析方法1.支路電流法原理：以支路電流為未知量，根據基爾霍夫電流定律和電壓定律列出方程組，求解各支路電流。步驟：首先確定電路的支路數和節點數，然后對每個節點應用KCL列出節點電流方程，對每個獨立回路應用KVL列出回路電壓方程，最后聯立方程組求解各支路電流。例如，對于一個有三個支路、兩個節點的簡單電路，設三個支路電流分別為I1、I2、I3，對兩個節點分別應用KCL可得兩個方程，再對三個獨立回路分別應用KVL可得三個方程，聯立這五個方程即可求解出I1、I2、I3。2.疊加定理原理：在線性電路中，任一支路的電流（或電壓）都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該支路中產生的電流（或電壓）的代數和。應用：當電路中有多個電源時，可分別計算每個電源單獨作用時的響應，然后疊加得到總響應。例如，在一個既有電壓源又有電流源的電路中，先將電壓源短路（即電壓為0），計算電流源單獨作用時各支路的電流；再將電流源開路（即電流為0），計算電壓源單獨作用時各支路的電流，最后將兩次計算結果疊加，得到電路中各支路的實際電流。3.戴維南定理原理：任何一個線性有源二端網絡，對外電路來說，總可以用一個電壓源和電阻串聯的等效電源來代替。其中，電壓源的電壓等于有源二端網絡的開路電壓Uoc，電阻等于有源二端網絡中所有獨立電源置零（電壓源短路，電流源開路）后從兩端看進去的等效電阻Req。應用：可將復雜的有源二端網絡簡化為簡單的等效電路，便于分析外電路的電流和電壓。例如，對于一個含有多個電阻和電源的復雜電路，要計算某一支路的電流，可先利用戴維南定理將其等效為一個電壓源和電阻串聯的電路，然后再計算該支路電流。三、電機學（一）直流電機1.結構與工作原理結構：主要由定子和轉子組成。定子包括主磁極、換向極、機座等；轉子包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器等。工作原理：直流電機的工作原理基于電磁感應定律和電磁力定律。當電樞繞組中有電流通過時，在磁場作用下會產生電磁力，使電樞旋轉。同時，換向器的作用是將電樞繞組中的交流電轉換為直流電，保證電機的持續旋轉。例如，在直流發電機中，電樞在原動機拖動下旋轉，電樞繞組切割磁力線產生感應電動勢，通過換向器輸出直流電壓。2.直流電機的特性機械特性：直流電機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系稱為機械特性。一般表達式為n=(UIaRa)/Ceφ，其中U為電樞電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞電阻，Ce為電動勢常數，φ為每極磁通。當電樞電壓和磁通不變時，電磁轉矩增大，轉速略有下降，呈現硬機械特性。調速方法：改變電樞電壓調速：通過調節電樞電壓來改變電機轉速，調速范圍廣，平滑性好，但需要專用的可調直流電源。改變磁通調速：通過改變勵磁電流來改變磁通，從而實現調速。這種調速方法只能使轉速向上調，調速范圍有限。改變電樞回路電阻調速：在電樞回路中串入電阻，使電機轉速降低。這種調速方法能量損耗大，調速范圍窄，一般用于對調速性能要求不高的場合。（二）交流電機1.異步電機結構與工作原理結構：主要由定子和轉子兩大部分組成。定子包括定子鐵芯、定子繞組等；轉子包括轉子鐵芯、轉子繞組等。工作原理：異步電機的定子繞組通入三相交流電后，會產生旋轉磁場。轉子繞組在旋轉磁場作用下，產生感應電流，感應電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，使轉子旋轉。由于轉子轉速n始終低于旋轉磁場轉速n1，所以稱為異步電機。例如，一臺三相異步電機，定子繞組接入頻率為50Hz的三相交流電，旋轉磁場轉速n1=60f/p（f為電源頻率，p為磁極對數），若p=2，則n1=1500r/min。異步電機的特性機械特性：異步電機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系曲線稱為機械特性曲線。在額定負載附近，機械特性較硬，轉速變化較小。當負載增加時，轉速略有下降。調速方法：變極調速：通過改變定子繞組的磁極對數來改變電機轉速。這種調速方法只能實現有級調速，調速平滑性差，但調速效率高。變頻調速：通過改變電源頻率來改變電機轉速。調速范圍廣，平滑性好，是目前應用最廣泛的調速方法。改變轉差率調速：包括轉子串電阻調速、調壓調速等。轉子串電阻調速只能使轉速向下調，能量損耗大；調壓調速調速范圍窄，一般用于小功率電機。2.同步電機結構與工作原理結構：主要由定子和轉子組成。定子結構與異步電機相似，轉子有隱極式和凸極式兩種。工作原理：同步電機的定子繞組通入三相交流電后產生旋轉磁場，轉子勵磁繞組通入直流電產生恒定磁場。當轉子轉速與旋轉磁場轉速同步時，轉子磁場與定子磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機穩定運行。例如，一臺同步發電機，轉子由原動機拖動，使其轉速與定子旋轉磁場轉速同步，定子繞組切割磁力線產生感應電動勢，輸出交流電。同步電機的特性同步運行特性：同步電機只有在轉速與旋轉磁場轉速同步時才能穩定運行。當負載變化時，通過調節勵磁電流來保持電機的同步運行。功率因數調節特性：同步電機可以通過調節勵磁電流來改變其功率因數。當勵磁電流增加時，電機從滯后功率因數運行變為超前功率因數運行，可用于改善電網的功率因數。四、電力系統（一）電力系統概述1.電力系統的組成電力系統由發電、輸電、變電、配電和用電五個環節組成。發電環節將各種一次能源轉換為電能，如火力發電利用煤炭等化石燃料燃燒產生蒸汽推動汽輪機發電，水力發電利用水流落差推動水輪機發電等；輸電環節將發電廠發出的電能輸送到遠方的變電站；變電環節通過變壓器改變電壓等級；配電環節將電能分配到各個用戶；用電環節則是用戶使用電能進行各種生產和生活活動。2.電力系統的運行特點整體性：電力系統的各個環節相互關聯、相互影響，任何一個環節出現故障都可能影響整個系統的運行。連續性：電力系統需要不間斷地向用戶供電，以滿足社會生產和生活的需求。動態性：電力系統的運行狀態隨時間不斷變化，如負荷的波動、發電設備的啟停等。（二）電力系統的電壓等級與輸電方式1.電壓等級我國電力系統的電壓等級有500kV、330kV、220kV、110kV、35kV、10kV、0.4kV等。不同電壓等級適用于不同的輸電距離和容量。一般來說，電壓等級越高，輸電距離越遠，輸送容量越大。例如，500kV電壓等級常用于遠距離大容量輸電，10kV常用于城市和農村的配電。2.輸電方式交流輸電：是目前應用最廣泛的輸電方式。具有技術成熟、成本較低等優點。但交流輸電存在電容電流、電暈損耗等問題，限制了輸電容量和距離的進一步提高。直流輸電：適用于遠距離大容量輸電和不同頻率電網之間的互聯。直流輸電沒有電容電流和電暈損耗，輸電效率高，但換流站設備復雜，成本較高。例如，我國的一些跨區域輸電工程采用了直流輸電技術，如三峽廣東直流輸電工程。（三）電力系統的潮流計算與分析1.潮流計算的基本概念潮流計算是電力系統分析的重要內容，它是根據給定的電力系統運行條件，計算系統中各節點的電壓、電流、功率等參數的分布情況。潮流計算的結果可以用于分析電力系統的運行狀態，如判斷系統是否過載、電壓是否合格等。2.潮流計算的方法牛頓拉夫遜法：是一種常用的潮流計算方法。它通過迭代求解非線性方程組來計算節點電壓。該方法收斂速度快，計算精度高，但需要對系統進行線性化處理，計算過程較為復雜。PQ分解法：是在牛頓拉夫遜法的基礎上簡化而來的。它將節點功率方程分為有功功率方程和無功功率方程，分別進行迭代求解，計算速度更快，適用于大規模電力系統的潮流計算。（四）電力系統的穩定性1.靜態穩定性靜態穩定性是指電力系統在受到小干擾后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到初始運行狀態的能力。提高電力系統靜態穩定性的措施包括采用自動調節勵磁裝置、提高系統電壓水平、減少線路電抗等。2.暫態穩定性暫態穩定性是指電力系統在受到大干擾后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定運行狀態的能力。為提高暫態穩定性，可采用快速切除故障、自動重合閘、強行勵磁等措施。例如，當電力系統發生短路故障時，快速切除故障線路可以減少故障對系統的影響，提高系統的暫態穩定性。五、自動控制原理（一）自動控制系統的基本概念1.自動控制系統的組成自動控制系統一般由被控對象、測量元件、控制器和執行元件組成。被控對象是需要進行控制的設備或過程；測量元件用于檢測被控對象的輸出信號；控制器根據測量元件反饋的信號與給定值進行比較，產生控制信號；執行元件根據控制信號對被控對象進行操作，以實現對被控量的控制。例如，在一個溫度控制系統中，被控對象是加熱爐，測量元件是溫度傳感器，控制器是溫度控制器，執行元件是加熱設備。2.自動控制系統的分類按控制方式分類：可分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統沒有反饋環節，控制器只根據給定值控制執行元件，系統的輸出對控制作用沒有影響；閉環控制系統有反饋環節，控制器根據測量元件反饋的輸出信號與給定值的偏差進行控制，能夠自動糾正偏差，提高控制精度。按系統特性分類：可分為線性控制系統和非線性控制系統。線性控制系統的數學模型是線性的，滿足疊加原理；非線性控制系統的數學模型是非線性的，不滿足疊加原理。（二）控制系統的數學模型1.微分方程微分方程是描述控制系統動態特性的一種數學模型。通過對系統的物理過程進行分析，建立各變量之間的微分關系。例如，對于一個簡單的RC電路，根據基爾霍夫電壓定律可以建立電容電壓uC與輸入電壓u之間的微分方程：RC(duC/dt)+uC=u。2.傳遞函數傳遞函數是在零初始條件下，系統輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比。它將微分方程轉換為代數方程，便于分析和計算。例如，對于上述RC電路，其傳遞函數G(s)=1/(RCs+1)，其中s為拉普拉斯算子。傳遞函數可以用來描述系統的動態特性，如穩定性、響應速度等。（三）控制系統的性能指標1.穩定性穩定性是控制系統的重要性能指標。一個穩定的控制系統在受到干擾后，能夠逐漸恢復到原來的平衡狀態。判斷系統穩定性的方法有多種，如根據系統的特征方程根的分布來判斷。對于線性控制系統，若其特征方程的所有根都具有負實部，則系統是穩定的。2.穩態誤差穩態誤差是指系統在穩態時輸出量與期望值之間的誤差。它反映了系統的控制精度。減小穩態誤差的方法有增加系統的開環增益、采用積分控制等。例如，在一個單位反饋控制系統中，當輸入為單位階躍信號時，系統的穩態誤差與開環傳遞函數的類型和參數有關。3.動態性