对于这个问题,我们请教了西门子的一位工程师,她和我们分享了一些有趣的学习经历,也希望能为知友们提供一些帮助:)

电气工程专业覆盖范围很广,涉及电器、高电压、绝缘、电力工程、电力电子等。当我们一本书一本书的学过来,会发现绝大部分都是通过最基础的电路、电力电子、电机学单独或联合推衍而来。

就像科幻大片都要先构建一个宏大的世界观一样,电气工程专业也需要这三门基础来构建一个有源无源、断续连续、电磁交织的世界。因此,学好电气工程专业,关键是学好三门基础,九层之台起于累土,千举万变,其道一也。

宋代禅宗大师青原行思提出参禅的三重境界:「参禅之初,看山是山,看水是水;禅有悟时,看山不是山,看水不是水;禅中彻悟,看山仍然山,看水仍然是水。」其实电气工程专业的学习也可借用参禅的三重境界来说明。

阶段一:「看山是山,看水是水」

就像小孩子学习,同一道题目死记硬背,当题目略作改变,即使思路相同,也不会做。亦如学习电气工程之初,单纯的背下各种公式,却不知道或者没有考虑公式与公式之间的关系与延伸。

举个例子,学电气的人总免不了要做仿真分析,以Simulink为例,在仿真模型中可以找到一个采用直接转矩-空间脉冲宽度矢量调制(DTC-SVPWM)控制的demo,结合各种专业书籍,我们能逐步理解PARK变换、3/2变换、bang-bang控制,以及最后的仿真图形含义;

但是任意改变一个参数,比如频率,仿真就进行不下去了,因为我们并没有考虑受频率影响的参数的调整,我们理解每一个模块,但却不深究各部分之间的关联。

当然这个阶段是我们注定无法回避的,我们需要做的就是吃透最基本的东西:

1)理解电路这门学科所讲的电阻电容电抗等无源器件与电压电流的关系;

2)相比于电路中的连续电流,明白电力电子所讲的开关这种有源器件及其断续电流;

3)弄清电机所讲的电与磁交相辉映的过程。

随着电气工程学习的深入,我们逐渐能够通过简单的公式推导出复杂的公式。举个例子,电机学中异步电动机的机械特性参数表达式如下:

这种公式硬背也能背,但是再加上最大转矩、启动转矩等背起来就困难了,这个时候就体现了推导的重要性。我们都知道在书本中介绍一个复杂的公式时,都会说基于某某公式和某某公式可求出某某表达式,老师讲课也一般是遵循这个原则,先讲简单公式,再联合若干公式推出一个复杂公式。仍然以机械特性参数表达式为例,书本中会说“利用异步电动机的等效电路及转子输出轴功率和电磁转矩公式可求出机械特性的参数表达式为上方公式所示”。

但是推导过程中,如果没有领路人逐层深入讲解(这个时候就体现了课堂笔记的重要,可以记录老师推导的思路),可能很难或者需要很长时间推导正确结果,并且总有种雾里看花水中望月的朦胧,这时我们就进入了学习电气工程的第二个阶段:

看山不是山,看水不是水。

这个阶段就像一百回的西游记到了第八十回,陷空山无底洞的老鼠精假扮弱女子呼救,唐僧会纠结它是不是妖怪,虽然在反复的分析后仍去而复返被劫走,但是这个思考犹豫、自我否定的过程亦是一种进步。亦如我们学习的过程中开始做习题,发现这个公式能用在这道题中,那个公式好像也可以,但是套进去又感觉少了些参数,或者结果并不美好。此时的我们,已经接触到了浩如烟海的各类专业书籍,我建议与其广撒网,不如于三千弱水中取一瓢仔细品味。

以电力电子为例,随着大功率器件的发展,我们在学习工作中会见到各种各样的功率器件拓扑,或复杂或简单,但都是按照开关导通和断开时流过储能元件的电流状态来分析。这个时候,我们可以从最基础的DC-DC变换电路Buck、Boost、Buck-Boost来学习,通过调换开关、电感、二极管的位置,三个基础电路形成降压、升压、升降压的效果,理解三个元件变换对电路其他参数的影响后,我们就可以更轻松的理解由上述三个电路中任意两个级联而成的Cuk、Sepic、Zeta电路,然后再进一步我们就可以理解更为复杂的拓扑结构。

这样我们就进入学习电气工程的第三个阶段——看山仍然山,看水仍然水。

达到这个阶段,我们对于电气工程专业的学习应该已经登堂入室了。举个工程中常见的谐波治理的例子,用户反馈说系统5、7次谐波超标需要治理,我们首先要做的是通过波形图认清谐波超标的本质——是背景电压谐波还是用户自身设备产生的电流谐波造成的谐波超标,只有在电流谐波为主因下我们才能够进行无源滤波支路设计,同时需要考虑增加滤波支路对其他次谐波的影响,从而设计出符合工程需要的治理设备。

在这个例子中,我们需要考虑谐波的产生原因及其对电网的影响,以及新设计的设备会对目标谐波及其他参数所造成的影响,但是就其根本,仍然是应用最基本的串并联谐振电路。

所以,学好电气工程,请重视基础科目的学习,并能够举一反三,于繁花之中再生繁花,终能水到渠成,一理通百里融。

本文作者

刘晶晶

西门子上海电气传动设备研发部

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:西门子中国

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