船舶電力推進課程教學方法探討

喬鳴忠 朱 鵬 魏永清 于 飛 夏益輝

（海軍工程大學電氣工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引言

20世紀80年代以來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機及其控制理論的迅速發(fā)展，交流電機調(diào)速技術(shù)逐步成熟起來，使得交流調(diào)速的靜、動態(tài)特性可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。交流調(diào)速技術(shù)的重大進步，有力地促進了船舶電力推進的迅猛發(fā)展，使電力推進作為大中型船舶的動力成為可能，過去一直只局限于特種船舶的電力推進，目前已擴展到幾乎所有的民船領(lǐng)域和軍用艦艇。國外20世紀80年代以后建造的民用船舶中有三分之一以上都采用了電力推進技術(shù)，其應(yīng)用范圍涉及破冰船、客輪、油輪、海洋勘探船、多用途船等多個領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，英國的45 型驅(qū)逐艦和美國DDG1000 驅(qū)逐艦均采用綜合電力推進技術(shù)，目前作為最先進的艦船航行在全球海域。

另外，我國是一個造船大國，航運大國。造船業(yè)與航運業(yè)已成為國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)， 需要大量人才，鑒于此，國內(nèi)船舶類高校和海軍院校都紛紛開設(shè)了船舶電力推進課程。

這門課程是船舶電氣工程專業(yè)必修課程，其重要性在于一方面它可以將電子技術(shù)基礎(chǔ)、 自動控制原理、電路、電機學、電力電子技術(shù)等前導課程知識融合運用于裝（設(shè)）備，可以幫助學生打通各基礎(chǔ)課程知識壁壘，將知識融會貫通；另一方面作為專業(yè)課，學生可以學習船舶電力推進系統(tǒng)的運行原理和控制技術(shù)等專業(yè)知識，了解電力推進系統(tǒng)裝（設(shè)）備構(gòu)造及其性能（見圖1）。這門課程具有較強的實踐性，可以培養(yǎng)學生分析和解決裝備實際使用中問題的能力，對于奠定學生必要的工程技術(shù)素質(zhì)和提升實踐能力具有重要意義。

圖1 船舶綜合電力推進系統(tǒng)

1 教學現(xiàn)狀

該課程一般在大四第7 或第8 學期開設(shè)，前導課程主要有：電子技術(shù)基礎(chǔ)、自動控制原理、電路、電機學、電力電子技術(shù)等，主要以綜合全電力推進技術(shù)為內(nèi)容，講授綜合電力系統(tǒng)、螺旋槳特性、推進電機及其控制、變頻器、主推進裝置、側(cè)推進裝置、推進監(jiān)控系統(tǒng)等內(nèi)容，學時一般為32～48 學時不等。該課程的難點知識主要集中在推進電機及其控制部分，推進電機本身也是電力推進系統(tǒng)的核心部件，是課程的重點內(nèi)容之一，因此，對于推進電機教學至關(guān)重要。

推進電機傳統(tǒng)的教法，首先講解船舶推進電機特點和使用要求，然后對其進行分類，傳統(tǒng)的推進電機主要有直流推進電機、異步推進電機、電勵磁同步推進電機和永磁同步推進電機，然后分別講解各種推進電機結(jié)構(gòu)、特性以及控制技術(shù)，學生對于這種教學模式并不“買賬”，興趣不高，教學效果不理想。為了提升學生學習興趣，提高教學效果，下面以推進電機作為教學案例進行探討。

2 引入前沿知識，激發(fā)學習興趣

依托網(wǎng)絡(luò)或雨課堂， 讓學生自主學習相關(guān)的MOOC 課程，掌握推進電機結(jié)構(gòu)及特性等通用基礎(chǔ)理論，MOOC 課程成績納入平時成績， 課堂上不再講授這部分內(nèi)容，而是瞄準推進電機的學術(shù)前沿，講授熱點問題。如高功率密度的問題：

由于艙室空間的限制，高功率密度是衡量和選用推進電機的一個十分重要的性能指標，也是船舶推進電機研究開發(fā)的核心和熱點問題。

現(xiàn)階段各國主要研發(fā)單軸功率20MW 左右的推進電機。圖2 為各類推進電機的轉(zhuǎn)矩密度對比。從目前國內(nèi)外研究應(yīng)用狀況來看，高功率密度的多相推進電機主要有三大類，即先進感應(yīng)電機（AIM）、永磁同步電機和高溫超導電機。

圖2 推進電機轉(zhuǎn)矩密度對比

先進感應(yīng)電機（AIM）特指法國Alstom 公司針對低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合所研發(fā)的高性能感應(yīng)電機，通過獨特的技術(shù)措施，AIM 克服了普通感應(yīng)電機功率因數(shù)偏小和噪聲較大的缺點，在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的功率因數(shù)（0.85～0.90）和效率，且功率密度較高、噪聲較低。

永磁同步電機可分為：普通徑向磁通（Radial flux）永磁同步電機、軸向磁通（Axial flux）永磁同步電機和橫向磁通（Transverse flux）永磁同步電機大三類。軸向磁通和橫向磁通永磁同步電機雖然具有較高的功率密度，但對電機設(shè)計技術(shù)和加工制造要求高，且特殊的拓撲結(jié)構(gòu)所造成的功率因數(shù)偏低的缺點需要設(shè)法彌補。

高溫超導電機分高溫超導同步推進電機和高溫超導直流單極兩大類，高溫超導推進電機具有很高的功率密度，但造價昂貴且需要先進的超導材料和先進的超導應(yīng)用技術(shù)做支撐。

將先進感應(yīng)電機、永磁電機和超導電機知識直接引入課題，學生往往對此類前沿的知識興趣很高。

3 運用MATLAB 仿真，化解難點知識

推進電機的矢量控制是該課程的難點，Clark 變換、Park 變換、磁場定向等概念學生很難理解，即便課堂上“似乎”聽明白，下課后又很快糊涂了，尤其是異步推進電機定轉(zhuǎn)子的兩套繞組，定子繞組作為靜止繞組向同步轉(zhuǎn)速的坐標軸變換，轉(zhuǎn)子繞組以旋轉(zhuǎn)速度向同步轉(zhuǎn)速的坐標軸變換，這兩個變換經(jīng)常把學生搞得“云里霧里”的。

為了化解這個難點知識，采用MATLAB 的Simlink仿真軟件，充分利用軟件現(xiàn)有的模塊，如逆變器、異步電機，如圖3 所示，把軟件中沒有的模塊單獨拿出來進行分析， 這樣可以把一個復雜的運算系統(tǒng)簡化，同時可以利用軟件中“示波器”觀測和顯示各個點電壓電流等波形，如圖4 所示。

圖3 異步電機矢量控制結(jié)構(gòu)

圖4 仿真波形

這樣學生不再需要面對一堆枯燥的公式，學生很容易直觀的理解異步推進電機矢量控制的全過程。

4 開設(shè)自主實驗，提升動手能力

為了培養(yǎng)學生的動手能力，課程配套了開放的電氣傳動實驗室， 實驗臺上配有集成的整流、DC/DC 斬波、逆變電路以及多型電機模塊，學員可以動手搭建電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，并將編寫的仿真程序，直接導入實驗臺仿真器，控制變頻器對電機進行各種控制策略的調(diào)速實驗，并觀看實驗結(jié)果，也方便將實驗和仿真結(jié)果進行對比研究，實驗快捷方便。多年實踐表明，這種教學模式，學生很容易感受到“學習成就”和樂趣，同時也提升了動手能力。

5 結(jié)語

本文是筆者在船舶電力推進課程教學過程中的一些體會， 該課程涉及多門電氣專業(yè)難學的課程，比較難學，為了提高學生的學習興趣，增加學習效果，筆者先分析了該課程的教學現(xiàn)狀， 然后從引入前沿知識—激發(fā)學習興趣，運用MATLAB 仿真—化解難點知識，開設(shè)自主實驗—提升動手能力三個方面入手進行了探討。