船舶电力推进课程教学方法探讨

乔鸣忠 朱 鹏 魏永清 于 飞 夏益辉

（海军工程大学电气工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引言

20世纪80年代以来，随着电力电子技术、微电子技术和现代电机及其控制理论的迅速发展，交流电机调速技术逐步成熟起来，使得交流调速的静、动态特性可以和直流调速系统相媲美。交流调速技术的重大进步，有力地促进了船舶电力推进的迅猛发展，使电力推进作为大中型船舶的动力成为可能，过去一直只局限于特种船舶的电力推进，目前已扩展到几乎所有的民船领域和军用舰艇。国外20世纪80年代以后建造的民用船舶中有三分之一以上都采用了电力推进技术，其应用范围涉及破冰船、客轮、油轮、海洋勘探船、多用途船等多个领域。在军用领域，英国的45 型驱逐舰和美国DDG1000 驱逐舰均采用综合电力推进技术，目前作为最先进的舰船航行在全球海域。

另外，我国是一个造船大国，航运大国。造船业与航运业已成为国民经济的支柱性产业， 需要大量人才，鉴于此，国内船舶类高校和海军院校都纷纷开设了船舶电力推进课程。

这门课程是船舶电气工程专业必修课程，其重要性在于一方面它可以将电子技术基础、 自动控制原理、电路、电机学、电力电子技术等前导课程知识融合运用于装（设）备，可以帮助学生打通各基础课程知识壁垒，将知识融会贯通；另一方面作为专业课，学生可以学习船舶电力推进系统的运行原理和控制技术等专业知识，了解电力推进系统装（设）备构造及其性能（见图1）。这门课程具有较强的实践性，可以培养学生分析和解决装备实际使用中问题的能力，对于奠定学生必要的工程技术素质和提升实践能力具有重要意义。

图1 船舶综合电力推进系统

1 教学现状

该课程一般在大四第7 或第8 学期开设，前导课程主要有：电子技术基础、自动控制原理、电路、电机学、电力电子技术等，主要以综合全电力推进技术为内容，讲授综合电力系统、螺旋桨特性、推进电机及其控制、变频器、主推进装置、侧推进装置、推进监控系统等内容，学时一般为32～48 学时不等。该课程的难点知识主要集中在推进电机及其控制部分，推进电机本身也是电力推进系统的核心部件，是课程的重点内容之一，因此，对于推进电机教学至关重要。

推进电机传统的教法，首先讲解船舶推进电机特点和使用要求，然后对其进行分类，传统的推进电机主要有直流推进电机、异步推进电机、电励磁同步推进电机和永磁同步推进电机，然后分别讲解各种推进电机结构、特性以及控制技术，学生对于这种教学模式并不“买账”，兴趣不高，教学效果不理想。为了提升学生学习兴趣，提高教学效果，下面以推进电机作为教学案例进行探讨。

2 引入前沿知识，激发学习兴趣

依托网络或雨课堂， 让学生自主学习相关的MOOC 课程，掌握推进电机结构及特性等通用基础理论，MOOC 课程成绩纳入平时成绩， 课堂上不再讲授这部分内容，而是瞄准推进电机的学术前沿，讲授热点问题。如高功率密度的问题：

由于舱室空间的限制，高功率密度是衡量和选用推进电机的一个十分重要的性能指标，也是船舶推进电机研究开发的核心和热点问题。

现阶段各国主要研发单轴功率20MW 左右的推进电机。图2 为各类推进电机的转矩密度对比。从目前国内外研究应用状况来看，高功率密度的多相推进电机主要有三大类，即先进感应电机（AIM）、永磁同步电机和高温超导电机。

图2 推进电机转矩密度对比

先进感应电机（AIM）特指法国Alstom 公司针对低转速大转矩应用场合所研发的高性能感应电机，通过独特的技术措施，AIM 克服了普通感应电机功率因数偏小和噪声较大的缺点，在整个调速范围内都具有较高的功率因数（0.85～0.90）和效率，且功率密度较高、噪声较低。

永磁同步电机可分为：普通径向磁通（Radial flux）永磁同步电机、轴向磁通（Axial flux）永磁同步电机和横向磁通（Transverse flux）永磁同步电机大三类。轴向磁通和横向磁通永磁同步电机虽然具有较高的功率密度，但对电机设计技术和加工制造要求高，且特殊的拓扑结构所造成的功率因数偏低的缺点需要设法弥补。

高温超导电机分高温超导同步推进电机和高温超导直流单极两大类，高温超导推进电机具有很高的功率密度，但造价昂贵且需要先进的超导材料和先进的超导应用技术做支撑。

将先进感应电机、永磁电机和超导电机知识直接引入课题，学生往往对此类前沿的知识兴趣很高。

3 运用MATLAB 仿真，化解难点知识

推进电机的矢量控制是该课程的难点，Clark 变换、Park 变换、磁场定向等概念学生很难理解，即便课堂上“似乎”听明白，下课后又很快糊涂了，尤其是异步推进电机定转子的两套绕组，定子绕组作为静止绕组向同步转速的坐标轴变换，转子绕组以旋转速度向同步转速的坐标轴变换，这两个变换经常把学生搞得“云里雾里”的。

为了化解这个难点知识，采用MATLAB 的Simlink仿真软件，充分利用软件现有的模块，如逆变器、异步电机，如图3 所示，把软件中没有的模块单独拿出来进行分析， 这样可以把一个复杂的运算系统简化，同时可以利用软件中“示波器”观测和显示各个点电压电流等波形，如图4 所示。

图3 异步电机矢量控制结构

图4 仿真波形

这样学生不再需要面对一堆枯燥的公式，学生很容易直观的理解异步推进电机矢量控制的全过程。

4 开设自主实验，提升动手能力

为了培养学生的动手能力，课程配套了开放的电气传动实验室， 实验台上配有集成的整流、DC/DC 斩波、逆变电路以及多型电机模块，学员可以动手搭建电机变频调速系统，并将编写的仿真程序，直接导入实验台仿真器，控制变频器对电机进行各种控制策略的调速实验，并观看实验结果，也方便将实验和仿真结果进行对比研究，实验快捷方便。多年实践表明，这种教学模式，学生很容易感受到“学习成就”和乐趣，同时也提升了动手能力。

5 结语

本文是笔者在船舶电力推进课程教学过程中的一些体会， 该课程涉及多门电气专业难学的课程，比较难学，为了提高学生的学习兴趣，增加学习效果，笔者先分析了该课程的教学现状， 然后从引入前沿知识—激发学习兴趣，运用MATLAB 仿真—化解难点知识，开设自主实验—提升动手能力三个方面入手进行了探讨。