電工與電子技術(shù)蔡大華日期:演講人：目錄01基礎(chǔ)概念02電子元件分析03電路設(shè)計(jì)方法04電力系統(tǒng)基礎(chǔ)05安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)06技術(shù)應(yīng)用場景基礎(chǔ)概念01電流與電壓原理電流的本質(zhì)與方向定義電流是電荷的定向移動(dòng)形成的物理現(xiàn)象，其方向定義為正電荷移動(dòng)方向。在金屬導(dǎo)體中實(shí)際由自由電子定向移動(dòng)形成，但電子流方向與電流方向相反。電流強(qiáng)度通過單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量來量化（I=Q/t）。電壓的物理意義與測量電壓是電場力驅(qū)動(dòng)電荷移動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換量度，表示單位電荷在電場中從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所做的功（U=W/Q）。實(shí)際測量中需區(qū)分電動(dòng)勢（電源特性）與電位差（電路兩點(diǎn)間特性），使用伏特計(jì)并聯(lián)測量時(shí)需考慮內(nèi)阻影響。歐姆定律的微觀解釋在金屬導(dǎo)體中，自由電子定向移動(dòng)時(shí)與晶格離子碰撞產(chǎn)生電阻。歐姆定律（U=IR）成立的條件是載流子濃度和遷移率恒定，溫度變化會導(dǎo)致金屬電阻率改變，該定律在半導(dǎo)體和非線性元件中不適用。電源內(nèi)阻與端電壓關(guān)系實(shí)際電源存在內(nèi)阻（r），端電壓（U）隨輸出電流（I）變化的關(guān)系為U=ε-Ir（ε為電動(dòng)勢）。最大功率傳輸定理指出當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率為50%。電阻、電容與電感特性電阻的溫度系數(shù)與材料選擇金屬電阻具有正溫度系數(shù)（如銅0.0039/℃），熱敏電阻分為NTC（負(fù)系數(shù)）和PTC（正系數(shù)）。精密儀器常用錳銅合金（α≈0.00001/℃），高溫環(huán)境選用鎢絲（熔點(diǎn)3422℃）。電容的介質(zhì)極化機(jī)制根據(jù)介質(zhì)類型分為真空電容（εr=1）、陶瓷電容（εr可達(dá)數(shù)千）、電解電容（含氧化膜）。極化過程包括電子位移極化（10^-15s）、離子極化（10^-13s）和取向極化（10^-10s），不同頻率下介電常數(shù)會變化。電感的趨膚效應(yīng)與品質(zhì)因數(shù)高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，有效截面積減小使交流電阻增大。品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R反映儲能與耗能比，高頻電感采用多股絞線或空心結(jié)構(gòu)，鐵氧體磁芯可提高電感量但會引入磁滯損耗。元件的頻率響應(yīng)特性電阻呈純阻性，電容阻抗Zc=1/jωC（容抗隨頻率升高而降低），電感阻抗ZL=jωL（感抗隨頻率升高而增大）。在諧振電路中，LC組合會在特定頻率（f0=1/2π√LC）呈現(xiàn)極小或極大阻抗?；倦娐范蓱?yīng)用對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，將KCL表示為關(guān)聯(lián)矩陣A·I=0，KVL表示為回路矩陣B·U=0。采用節(jié)點(diǎn)電壓法時(shí)，導(dǎo)納矩陣Y滿足YV=I，適用于計(jì)算機(jī)輔助分析，能自動(dòng)處理含受控源的電路?；鶢柣舴蚨傻木仃嚱夥▽⑷我饩€性二端網(wǎng)絡(luò)等效為電壓源（Uoc）串聯(lián)電阻（Rth），當(dāng)負(fù)載RL=Rth時(shí)獲得最大功率Pmax=Uoc2/4Rth。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需測量開路電壓和短路電流（Rth=Uoc/Isc），注意短路法不適用于理想電壓源。戴維南等效的功率匹配驗(yàn)證僅適用于線性電路，對含二極管、晶體管等非線性元件無效。計(jì)算某源單獨(dú)作用時(shí)，其他電壓源短路處理（保留內(nèi)阻），電流源開路處理。交流電路需注意相位關(guān)系的矢量疊加。疊加定理的非線性限制當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，雖然傳輸功率最大，但效率僅50%。電力系統(tǒng)追求高效率（η>90%）需使負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于內(nèi)阻，而通信電路為獲得最大信號功率常采用阻抗匹配技術(shù)。最大功率傳輸?shù)男拭茈娮釉治?203二極管與晶體管功能02晶體管放大與開關(guān)作用晶體管通過基極電流控制集電極電流，實(shí)現(xiàn)信號放大或開關(guān)功能，是模擬電路和數(shù)字電路的基礎(chǔ)元件，常見于放大器、振蕩器和邏輯門電路。特殊二極管應(yīng)用包括穩(wěn)壓二極管（齊納二極管）、發(fā)光二極管（LED）和肖特基二極管，分別用于電壓調(diào)節(jié)、光電顯示和高頻整流等場景。01二極管單向?qū)щ娞匦远O管的核心功能是實(shí)現(xiàn)電流的單向?qū)?，正向偏置時(shí)導(dǎo)通，反向偏置時(shí)截止，廣泛應(yīng)用于整流、穩(wěn)壓和信號調(diào)制電路中。模擬集成電路功能模擬IC用于連續(xù)信號處理，如運(yùn)算放大器、電壓比較器和模擬乘法器，廣泛應(yīng)用于音頻放大、傳感器信號調(diào)理和電源管理等領(lǐng)域。數(shù)字集成電路邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)字IC通過邏輯門（如與門、或門、非門）組合實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制運(yùn)算，構(gòu)成微處理器、存儲器和可編程邏輯器件（FPGA）的核心?；旌闲盘柤呻娐吩O(shè)計(jì)結(jié)合模擬與數(shù)字電路的優(yōu)勢，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）、通信調(diào)制解調(diào)（Modem）和片上系統(tǒng)（SoC）等高集成度應(yīng)用。集成電路工作原理傳感器與執(zhí)行器類型包括溫度傳感器（熱電偶、熱敏電阻）、壓力傳感器（壓阻式、電容式）和光敏傳感器（光電二極管、CCD），用于環(huán)境參數(shù)檢測與反饋控制。物理量傳感器如氣體傳感器（電化學(xué)式、半導(dǎo)體式）和pH傳感器，應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和工業(yè)過程控制?；瘜W(xué)與生物傳感器涵蓋電磁繼電器、步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷等，將電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作，用于自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人系統(tǒng)和精密儀器控制。執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)制電路設(shè)計(jì)方法03電路仿真軟件使用仿真結(jié)果可視化SPICE模型導(dǎo)入Multisim功能應(yīng)用通過搭建虛擬電路模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性，支持直流分析、交流掃描、瞬態(tài)分析等高級仿真功能，可快速定位參數(shù)設(shè)計(jì)缺陷。利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE語言定義元器件特性，精確模擬復(fù)雜電路行為，尤其適用于高頻電路和功率電子器件的熱效應(yīng)分析。生成波形圖、頻譜圖和眼圖等專業(yè)圖表，輔助工程師分析信號完整性、噪聲干擾及時(shí)序匹配問題。層疊結(jié)構(gòu)規(guī)劃元件布局策略布線規(guī)范實(shí)施PCB布局設(shè)計(jì)步驟根據(jù)電路復(fù)雜度確定4-16層板疊構(gòu)方案，優(yōu)先考慮電源層與地層的對稱分布以降低EMI輻射，高頻信號層需采用微帶線或帶狀線設(shè)計(jì)。遵循“模塊化分區(qū)”原則，將模擬/數(shù)字電路、功率電路物理隔離，關(guān)鍵信號路徑需縮短走線長度并避免銳角轉(zhuǎn)彎。差分對走線嚴(yán)格保持等長與等距，高速信號線實(shí)施阻抗匹配，電源網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浠蚨帱c(diǎn)接地降低回路阻抗。故障診斷與修復(fù)技術(shù)02

03

飛線修復(fù)工藝01

熱成像檢測法對斷線或焊盤脫落的情況，采用鍍金跳線配合UV固化膠固定，需確保修復(fù)后線路的載流能力與絕緣性能符合原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。信號注入追蹤通過函數(shù)發(fā)生器注入測試信號，用示波器逐級檢測波形畸變點(diǎn)，特別適用于放大電路、時(shí)鐘電路的級聯(lián)故障分析。使用紅外熱像儀定位過熱點(diǎn)，結(jié)合電流-溫度關(guān)聯(lián)模型判斷短路、虛焊或元件老化問題，適用于大功率電路板快速篩查。電力系統(tǒng)基礎(chǔ)04交流與直流系統(tǒng)對比交流系統(tǒng)（AC）因可通過變壓器升壓實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低損耗輸電，在大規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位；直流系統(tǒng)（DC）在特定場景（如海底電纜、新能源并網(wǎng)）中損耗更低，但換流站成本較高。傳輸效率與經(jīng)濟(jì)性交流系統(tǒng)電壓幅值和相位需實(shí)時(shí)平衡，穩(wěn)定性受無功功率影響顯著；直流系統(tǒng)僅需控制電壓幅值，無同步問題，更適合異步電網(wǎng)互聯(lián)。電壓穩(wěn)定性與控制難度交流系統(tǒng)兼容現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)、照明等傳統(tǒng)負(fù)載；直流系統(tǒng)更適配數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車充電樁等現(xiàn)代電子設(shè)備，且適用于光伏、儲能等直流源直接接入。設(shè)備兼容性與應(yīng)用場景010203變壓器核心構(gòu)造由硅鋼片疊壓而成的鐵芯降低渦流損耗，高壓/低壓繞組采用銅導(dǎo)線分層繞制，絕緣材料需滿足耐熱等級（如H級180℃），油浸式變壓器還需配備散熱器與瓦斯保護(hù)裝置。異步電機(jī)工作原理定子三相繞組通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割磁力線感應(yīng)電流形成轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)差率決定電機(jī)負(fù)載特性，啟動(dòng)時(shí)需考慮5-7倍額定電流的沖擊問題。同步電機(jī)特殊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子采用直流勵(lì)磁或永磁體建立固定磁場，精確控制勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，常用于電網(wǎng)調(diào)相或大功率恒速驅(qū)動(dòng)（如水泵機(jī)組）。變壓器與電機(jī)結(jié)構(gòu)03配電網(wǎng)絡(luò)組成要素02繼電保護(hù)系統(tǒng)配置過流、速斷、差動(dòng)等保護(hù)繼電器，微機(jī)保護(hù)裝置具備故障錄波與通信功能，配合CT/PT實(shí)現(xiàn)電流電壓采樣，動(dòng)作時(shí)間需滿足階梯時(shí)限配合原則。自動(dòng)化終端設(shè)備FTU（饋線終端）實(shí)時(shí)監(jiān)測線路參數(shù)，DTU（配變終端）采集變壓器油溫/負(fù)載數(shù)據(jù)，SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)狀態(tài)可視化與遠(yuǎn)程控制，支持故障自動(dòng)定位與隔離。01一次設(shè)備構(gòu)成包括斷路器（真空/SF6滅?。?、隔離開關(guān)（可見斷開點(diǎn)）、負(fù)荷開關(guān)（帶滅弧能力），10kV環(huán)網(wǎng)柜常采用SF6絕緣，箱式變電站集成變壓器與高低壓配電單元。安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)05電氣安全操作規(guī)程環(huán)境安全評估潮濕、密閉或存在易燃易爆氣體的環(huán)境禁止帶電作業(yè)。需提前檢測環(huán)境濕度、氧氣濃度及可燃?xì)怏w含量，確保符合安全閾值。作業(yè)前檢查與隔離操作前必須確認(rèn)設(shè)備電源已切斷，并懸掛警示牌，使用驗(yàn)電器驗(yàn)證無電后方可作業(yè)。高壓設(shè)備需采取雙重隔離措施，防止誤操作導(dǎo)致觸電或短路事故。規(guī)范工具使用絕緣工具需定期檢測耐壓等級，嚴(yán)禁使用破損或超期工具。操作帶電設(shè)備時(shí)需佩戴絕緣手套，工具金屬部分需包裹絕緣膠帶，避免形成回路。防護(hù)設(shè)備選用指南根據(jù)電壓等級選擇對應(yīng)絕緣等級的防護(hù)服、絕緣靴及安全帽。1000V以下作業(yè)需配備Class00絕緣手套，高壓作業(yè)需使用Class4以上防護(hù)裝備。個(gè)人防護(hù)裝備分級粉塵環(huán)境需配戴防塵口罩或正壓式呼吸器；高空作業(yè)必須系掛全身式安全帶，錨點(diǎn)承重需達(dá)2000kg以上。呼吸防護(hù)與防墜措施攜帶便攜式氣體檢測儀、紅外熱像儀及接地電阻測試儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)。檢測儀器配置觸電急救程序電氣火災(zāi)撲救設(shè)備故障上報(bào)緊急事故處理流程立即切斷電源或用絕緣桿移開導(dǎo)線，對心跳驟停者實(shí)施CPR，同時(shí)呼叫專業(yè)醫(yī)療支援。嚴(yán)禁直接用手拉扯傷者，避免二次觸電。使用二氧化碳或干粉滅火器，禁止用水或泡沫滅火?；饎萋訒r(shí)需切斷區(qū)域電源，啟動(dòng)應(yīng)急疏散廣播系統(tǒng)。記錄事故時(shí)間、現(xiàn)象及處理措施，48小時(shí)內(nèi)提交詳細(xì)報(bào)告至安全管理部門，并配合事故復(fù)盤分析。技術(shù)應(yīng)用場景06可再生能源系統(tǒng)集成儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理風(fēng)力發(fā)電控制優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)涵蓋太陽能電池板選型、逆變器匹配及并網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換與穩(wěn)定供電，適用于分布式能源和微電網(wǎng)建設(shè)。通過最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)，提升風(fēng)能利用率，降低機(jī)械損耗，延長設(shè)備壽命。結(jié)合鋰離子電池、超級電容等儲能單元，設(shè)計(jì)充放電策略以平衡供需波動(dòng)，保障電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性。智能控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)02

03

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)01

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)開發(fā)觸摸屏或語音控制的GUI系統(tǒng)，簡化操作流程，提升用戶體驗(yàn)，適用于智能家居和醫(yī)療設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署采用LoRa、NB-IoT等低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，支持設(shè)備狀態(tài)預(yù)測性維護(hù)?；贏RM或FPGA平臺構(gòu)建實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，集成傳感