PSCAD軟件在電機與拖動課程教學中的應用

彭思敏 顧春雷

摘 ? ?要： 針對電機與拖動課程中基本概念抽象、公式推導繁雜等特點，為強化課程教學效果，將PSCAD軟件應用于教學過程中。本文以永磁同步發電機為例，介紹了PSCAD軟件進行教學應用的過程，將抽象問題具體化、形象化，彌補了課堂教學的不足，調動了學生學習本課程的積極性，強化了教學效果。

關鍵詞： 電機與拖動 ? ?PSCAD軟件 ? ?永磁同步發電機 ? ?教學應用

1.引言

電機與拖動課程是為自動化、電氣工程、建筑電氣等本科專業開設的一門專業基礎課[1]。該課程的重點是講解直流電機、變壓器、異步電機和同步電機的工作原理、工作特性等相關內容，但該課程需要掌握相關磁場與電場的知識，具有概念抽象、公式推導復雜、電機工作特性不易理解等特點，使學生在學習過程中易產生誤區[2]。同時，受課程教學與實驗條件的限制，學生難以親自進行相關實驗操作，導致教學效果大打折扣。因此，采用仿真的方法不僅能讓學生擺脫復雜的公式推導，進一步深入理解電機工作原理、掌握電機工作特性，而且能與實際生產應用相結合，特別是教學與科研的前沿、熱點問題，如風力發電。將有效緩解學生學習本課程的壓力，激發其學習興趣，強化教學效果。

2.PSCAD軟件介紹

PSCAD/EMTDC是DWoodford博士于1976年開發的一種電力系統計算機輔助設計/含直流電磁暫態計算程序。PSCAD是EMTDC的前處理程序，EMTDC是目前電氣工程領域應用最廣泛的電力系統仿真分析軟件之一[3]。PSCAD/EMTDC主要用于電力系統頻域及時域仿真分析，典型應用是計算電力系統遭受擾動或參數變化時，電氣參數隨時間的變化;也可用于HVDC、FACTS等控制器的設計、電力電子領域等仿真計算，如對交流同步電機的運行狀態進行研究。用戶通過在控制界面中構造電氣連接圖，并可設置各元件的參數值，仿真時利用FORTRAN編譯器進行編譯、連接，其結果可在PLOT窗口中實時生成曲線，以驗證仿真結果的正確性，且能與MATLAB軟件實行對接。

3.仿真案例

同步電機既可用作發電機，又可用作電動機，但相對于三相異步電動機，其作為發電機的應用更廣泛，尤其是當前風力發電與智能電網發展應用中，永磁同步發電機越來越受到人們的關注及應用。本文以永磁同步發電機為例，詳細介紹PSCAD/EMTDC軟件在電機與拖動課程教學中的應用，其仿真具體步驟為：首先建立仿真系統模型，其次設置運行參數，并進行仿真，再次用PLOT查看及導出仿真波形，最后對仿真結果進行分析，驗證其正確性。

（1）建立仿真系統模型。

建立仿真系統模型的具體步驟為：一是用菜單命令File/new/case建立新的仿真工程（project）;二是根據目標系統要求或數學模型從MasterLibrary中選擇相應模塊或元件到主工作區，設置相應電氣參數，并用導線連接起來;三是保存仿真系統模型，圖1為永磁同步發電機仿真系統模型圖。為盡可能模擬發電機實際運行情況，本文還搭建了風模塊、風力機WT及轉軸DT等模型。

圖1 ? ?永磁同步發電機仿真系統模型圖

（2）設置運行參數，并進行仿真。

仿真運行參數設置主要包括：運行持續時間，運行時間步長，繪圖時間間隔、PLOT風格設置等。在工作區用鼠標右擊后，在下拉菜單的Projectsettings/runtime中可進行相應設置，本文中運行持續時間為5s，運行時間步長和繪圖時間間隔均為50μs。之后在主菜單Build中，選擇Run，即可進行仿真運行。

（3）查看及導出仿真波形。

PSCAD為用戶提供了直觀的仿真波形查看及導出功能，打開PLOT窗口查看仿真波形，用鼠標右擊后選擇copyFrame，即可進行波形導出。圖2為風速變化永磁同步發電機輸出的三相電壓與電流波形圖。

（a）三相電流

（b）三相電壓

圖2 ? ?永磁同步發電機輸出三相電壓電流波形圖

（4）仿真結果分析。

由圖2可知，在2.55s時刻，當風速由6m/s變化為11m/s時，風能通過風力機輸入給永磁同步發電機的機械轉矩隨之增加，此時，永磁同步發電機輸出的三相電壓（Ua、Ub、Uc）基本保持不變，但輸出的三相電流（Ia、Ib、Ic）的大小及頻率均由小變大。驗證了永磁同步發電機輸出電流大小與頻率隨輸入轉矩變化而變化的工作特性。

4.結語

針對電機與拖動課程在教學過程存在概念抽象、推導公式繁瑣、工作特性難理解等問題，本文以永磁同步發電機的仿真過程為例，詳細介紹了運用PSCAD軟件進行系統仿真模型搭建、仿真參數設置、查看并導出波形和分析仿真結果的教學方法，將抽象、固化的理論教學轉換為簡潔、直觀的教學形式，并將理論知識與當前風力發電的實際相聯系，這樣不僅有助于學生理解和掌握本課程的重點和難點，而且有助于充分調動學生學習積極性，強化教學效果。

參考文獻：

[1]雷永鋒，孫莉莉.電機與拖動課程實踐教學研究與改革[J].時代教育，2015（5）：39-40.

[2]魏立明，陳偉利，韓成浩.基于MATLAB仿真的電機與拖動課程教學改革研究[J].中國建設教育，2014（4）：31-33.

[3]李明.風電孤網中功率調節器的研究[D].上海交通大學，2011.

本課題為江蘇省電氣工程及其自動化重點專業項目資助（2012jszdzy-B185）。