“船舶電力推進(jìn)”課程案例式教學(xué)研究

喬鳴忠，朱 鵬，魏永清，夏益輝

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 湖北 武漢 430033）

船舶采用電力推進(jìn)與傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，主要具有如下突出優(yōu)點(diǎn)[1-2]：①噪音低，可提高船舶的安靜性和舒適性。②調(diào)速性能好，控制方便，倒車簡(jiǎn)單、迅速，可提高船舶的機(jī)動(dòng)性。③布置靈活、設(shè)計(jì)方便、可靠性高、可維修性好、生命力強(qiáng)。隨著交流調(diào)速技術(shù)的重大進(jìn)步，有力地促進(jìn)了船舶電力推進(jìn)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外20 世紀(jì)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(jìn)技術(shù)，并且比例逐年增加，其應(yīng)用范圍涉及破冰船、客輪、油輪、海洋勘探船、多用途船、軍用艦船等領(lǐng)域。

我國(guó)是一個(gè)造船大國(guó)，航運(yùn)大國(guó)。造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，需要大量人才，鑒于此，國(guó)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(jìn)”課程。

1 課程背景

“船舶電力推進(jìn)”課程是船舶電氣工程和動(dòng)力專業(yè)的必修課程，一般在第三學(xué)年開設(shè)，前導(dǎo)課程主要有“電子技術(shù)基礎(chǔ)”“電路”“自動(dòng)控制原理”“電機(jī)學(xué)”“電力電子技術(shù)”等，該課程一方面可以幫助學(xué)生打通各前導(dǎo)課程知識(shí)壁壘，將知識(shí)融會(huì)貫通，另一方面作為專業(yè)課，學(xué)生可以學(xué)習(xí)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行原理和控制技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，了解電力推進(jìn)系統(tǒng)裝（設(shè)）備構(gòu)造及其性能。這門課程理論難度較大，前導(dǎo)課程都是電氣專業(yè)難修課程，同時(shí)也具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，該課程可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決裝備實(shí)際使用中問題的能力，對(duì)于奠定學(xué)生必要的工程技術(shù)素質(zhì)和提升實(shí)踐能力具有重要意義。

該課程教學(xué)目標(biāo)分為總體目標(biāo)和分類目標(biāo)，總體目標(biāo)為：通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生應(yīng)掌握船舶電力推進(jìn)的基本概念、系統(tǒng)運(yùn)行理論和關(guān)鍵設(shè)備工作原理以及維護(hù)保養(yǎng)等方面的知識(shí)，具有獨(dú)立獲取知識(shí)的能力，科學(xué)的思維能力，解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，具備堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神及科學(xué)素質(zhì)。

分類目標(biāo)主要有：知識(shí)層面、能力層面、素質(zhì)層面的要求，這里不再一一列舉[3]。

2 教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

2.1 教學(xué)現(xiàn)狀

該課程中螺旋槳的機(jī)槳特性、推進(jìn)電機(jī)、變頻器、主推進(jìn)裝置、輔助推進(jìn)裝置、電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控是教學(xué)的主體內(nèi)容，其中推進(jìn)電機(jī)（直流推進(jìn)電機(jī)、異步推進(jìn)電機(jī)、電勵(lì)磁同步推進(jìn)電機(jī)、永磁同步推進(jìn)電機(jī)）控制是課程的精華部分，也是難點(diǎn)所在。由于直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)單，異步電機(jī)應(yīng)用較為廣泛，因此在以往的教學(xué)中，一般是先講直流推進(jìn)電機(jī)雙閉環(huán)控制，然后再重點(diǎn)講解異步推進(jìn)電機(jī)標(biāo)量控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，電勵(lì)磁同步推進(jìn)電機(jī)和永磁同步推進(jìn)電機(jī)一般是簡(jiǎn)單講解。

采用的教學(xué)方式為：理論教學(xué)+實(shí)踐教學(xué)，其中理論教學(xué)32 學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)8 學(xué)時(shí)。

2.2 存在的問題

實(shí)驗(yàn)問題。實(shí)驗(yàn)室配置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是從浙江求是科教設(shè)備有限公司購(gòu)置的電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)雖然較為先進(jìn)、功能也比較強(qiáng)，但是它的電源、主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路、信號(hào)采集電路等集成在一起，將所有電路“打包、封裝”在一起，學(xué)員只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的線路插接便完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生自主思考和動(dòng)手能力的提高，達(dá)不到課程教學(xué)的各項(xiàng)分類目標(biāo)。

教學(xué)方法及手段問題。目前的教學(xué)方法基本沿用以課堂講授為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔的傳統(tǒng)模式，沒有將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法和教學(xué)手段引入課題，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解。

學(xué)時(shí)問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一方面課程內(nèi)容日益豐富，如隨著永磁同步電機(jī)日益廣泛使用，其控制技術(shù)也應(yīng)充分講解；另一方面知識(shí)大爆炸產(chǎn)生了新的課程，如DSP/PLC控制原理及應(yīng)用等，可該課程的教學(xué)時(shí)數(shù)不但不能增加，還面臨著壓縮的境況。

因此，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)，必須進(jìn)行教學(xué)改革，保證在現(xiàn)有的學(xué)時(shí)基礎(chǔ)上，擴(kuò)大知識(shí)量，同時(shí)也要達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

3 案例式教學(xué)應(yīng)用

為了達(dá)到上述的教學(xué)目標(biāo)，必須發(fā)揮和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性。老師要將課程的內(nèi)容進(jìn)行梳理，把教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸類劃分：一是簡(jiǎn)單的內(nèi)容，將這部分知識(shí)做成PPT通過“雨課堂”發(fā)布，讓學(xué)員自學(xué)，并布置適量的經(jīng)典習(xí)題，習(xí)題最好能涵蓋主要的知識(shí)點(diǎn)，老師在課堂上只要講解錯(cuò)誤率高的習(xí)題就行了，不再需要花大量的時(shí)間將所有的知識(shí)點(diǎn)都講解一遍；二是難點(diǎn)知識(shí)，將這部分內(nèi)容歸成各個(gè)專題或案例，如“直流電機(jī)雙閉環(huán)控制”“異步電機(jī)矢量控制”“異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制”“永磁電機(jī)矢量控制”等，這些難點(diǎn)知識(shí)也是熱點(diǎn)知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)上有很多相應(yīng)的論壇，課前先讓學(xué)生參與這些論壇討論，一可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，二是可以預(yù)先學(xué)習(xí)，為翻轉(zhuǎn)課堂做鋪墊。下面以“異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩”為例進(jìn)行案例式教學(xué)分析。

講這個(gè)案例之前，采用“雨課堂”發(fā)布異步電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生自學(xué)，并向?qū)W生推薦“電子發(fā)燒友網(wǎng)”和“變頻器論壇”等，要求學(xué)生參與討論，并進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)”。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC（Direct Torque Control）系統(tǒng)，其基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負(fù)符號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的正負(fù)符號(hào)，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢茫苯舆x取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。

圖1 為異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的磁鏈和轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)根據(jù)電機(jī)端電壓和電流信號(hào)計(jì)算得到，為得到電壓矢量表，還需要知道磁鏈?zhǔn)噶縮所在的扇區(qū) S（k），該扇區(qū)信號(hào)同樣由磁鏈觀測(cè)模塊得到。

圖中，磁鏈觀測(cè)器為：

轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器為：

定子磁鏈的給定值 在電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速以下是保持恒定，超過額定轉(zhuǎn)速，則給出弱磁定子磁鏈值。轉(zhuǎn)速給定值 與反饋值 之差經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，給出電磁轉(zhuǎn)矩的參考值 ，進(jìn)一步得到定子磁鏈差值 （給定值 與計(jì)算值 ）、轉(zhuǎn)矩差值 （給定值 與計(jì)算值 ）后，分別采用磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器即可確定下一時(shí)刻的電壓矢量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制。

磁鏈所在位置（扇區(qū)）對(duì)于電壓矢量至關(guān)重要，扇區(qū)劃分情況如圖2 所示。

假設(shè)磁鏈參考矢量位于扇區(qū)1（如圖2 所示），則如果想增大定子磁鏈，則可以選擇電壓矢量V2、V6、V1；若想減小磁鏈，則可以選擇電壓矢量 V3、V5、V4。

如果想改變轉(zhuǎn)矩，則需要增大定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，由于轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性比較大，可以認(rèn)為在一個(gè)微小的時(shí)間t內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁鏈的位置基本不變，而定子磁鏈的位置受電壓矢量的影響迅速變化。這樣，如果想增大轉(zhuǎn)矩可以選擇電壓矢量V2、V3、V4（使增大）；若想減小轉(zhuǎn)矩，則可以選擇電壓矢量V5、V6、V1（使減小）。

上面電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響可以用表1 來表示。

表1 磁鏈參考矢量位于扇區(qū)1 時(shí)各電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響

需要注意的是，由于矢量V1和V4使 改變較小，對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)不明顯，因此，一般不采用。另外，在零矢量作用下，定子磁鏈的增量 ，因此，定子磁鏈的位置和大小保持不變，因此轉(zhuǎn)矩也基本不變，但是轉(zhuǎn)子磁鏈由于機(jī)械慣性繼續(xù)前進(jìn)，實(shí)際上 稍微減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩稍微減小。

因此，如果要同時(shí)增大磁鏈和轉(zhuǎn)矩要選擇V2，同時(shí)減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩要選擇V5，要增大磁鏈而減小轉(zhuǎn)矩要選擇V6，要減小磁鏈而增大轉(zhuǎn)矩要選擇V3。這樣，就可以得到參考矢量位于 S1 中的開關(guān)表。參考矢量位于其他扇區(qū)中的開關(guān)表可以采用類似的方法得到，總的開關(guān)表如表2所示。

表2 直接轉(zhuǎn)矩控制的開關(guān)表

根據(jù)上面分析的電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響，磁鏈滯環(huán)控制器采用兩級(jí)滯環(huán)輸出，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器采用三級(jí)滯環(huán)輸出。采用滯環(huán)控制的磁鏈軌跡如圖3 所示，滯環(huán)帶寬與開關(guān)頻率、電壓矢量的選擇等密切相關(guān)。

上述即為傳統(tǒng)DTC 控制內(nèi)容，三張圖兩張表，即可將傳統(tǒng)DTC 控制講解清楚，這部分內(nèi)容可以先讓學(xué)生翻轉(zhuǎn)，而后老師再進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)充講解，為了增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，可將這部分內(nèi)容在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真建模，讓學(xué)生觀看仿真結(jié)果，而后布置作業(yè)，要求學(xué)生完成三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)學(xué)建模和仿真[4-6]。

4 結(jié)語

在筆者的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的內(nèi)容采用“雨課堂”發(fā)布，讓學(xué)生自學(xué)，難點(diǎn)知識(shí)歸成專題或案例，學(xué)生參與相應(yīng)的“論壇”討論并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，老師補(bǔ)充重點(diǎn)知識(shí)，這個(gè)方法實(shí)施后，縮短了教學(xué)課時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也得到提升。