PSCAD软件在电机与拖动课程教学中的应用

彭思敏 顾春雷

摘    要： 针对电机与拖动课程中基本概念抽象、公式推导繁杂等特点，为强化课程教学效果，将PSCAD软件应用于教学过程中。本文以永磁同步发电机为例，介绍了PSCAD软件进行教学应用的过程，将抽象问题具体化、形象化，弥补了课堂教学的不足，调动了学生学习本课程的积极性，强化了教学效果。

关键词： 电机与拖动    PSCAD软件    永磁同步发电机    教学应用

1.引言

电机与拖动课程是为自动化、电气工程、建筑电气等本科专业开设的一门专业基础课[1]。该课程的重点是讲解直流电机、变压器、异步电机和同步电机的工作原理、工作特性等相关内容，但该课程需要掌握相关磁场与电场的知识，具有概念抽象、公式推导复杂、电机工作特性不易理解等特点，使学生在学习过程中易产生误区[2]。同时，受课程教学与实验条件的限制，学生难以亲自进行相关实验操作，导致教学效果大打折扣。因此，采用仿真的方法不仅能让学生摆脱复杂的公式推导，进一步深入理解电机工作原理、掌握电机工作特性，而且能与实际生产应用相结合，特别是教学与科研的前沿、热点问题，如风力发电。将有效缓解学生学习本课程的压力，激发其学习兴趣，强化教学效果。

2.PSCAD软件介绍

PSCAD/EMTDC是DWoodford博士于1976年开发的一种电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态计算程序。PSCAD是EMTDC的前处理程序，EMTDC是目前电气工程领域应用最广泛的电力系统仿真分析软件之一[3]。PSCAD/EMTDC主要用于电力系统频域及时域仿真分析，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电气参数随时间的变化;也可用于HVDC、FACTS等控制器的设计、电力电子领域等仿真计算，如对交流同步电机的运行状态进行研究。用户通过在控制界面中构造电气连接图，并可设置各元件的参数值，仿真时利用FORTRAN编译器进行编译、连接，其结果可在PLOT窗口中实时生成曲线，以验证仿真结果的正确性，且能与MATLAB软件实行对接。

3.仿真案例

同步电机既可用作发电机，又可用作电动机，但相对于三相异步电动机，其作为发电机的应用更广泛，尤其是当前风力发电与智能电网发展应用中，永磁同步发电机越来越受到人们的关注及应用。本文以永磁同步发电机为例，详细介绍PSCAD/EMTDC软件在电机与拖动课程教学中的应用，其仿真具体步骤为：首先建立仿真系统模型，其次设置运行参数，并进行仿真，再次用PLOT查看及导出仿真波形，最后对仿真结果进行分析，验证其正确性。

（1）建立仿真系统模型。

建立仿真系统模型的具体步骤为：一是用菜单命令File/new/case建立新的仿真工程（project）;二是根据目标系统要求或数学模型从MasterLibrary中选择相应模块或元件到主工作区，设置相应电气参数，并用导线连接起来;三是保存仿真系统模型，图1为永磁同步发电机仿真系统模型图。为尽可能模拟发电机实际运行情况，本文还搭建了风模块、风力机WT及转轴DT等模型。

图1    永磁同步发电机仿真系统模型图

（2）设置运行参数，并进行仿真。

仿真运行参数设置主要包括：运行持续时间，运行时间步长，绘图时间间隔、PLOT风格设置等。在工作区用鼠标右击后，在下拉菜单的Projectsettings/runtime中可进行相应设置，本文中运行持续时间为5s，运行时间步长和绘图时间间隔均为50μs。之后在主菜单Build中，选择Run，即可进行仿真运行。

（3）查看及导出仿真波形。

PSCAD为用户提供了直观的仿真波形查看及导出功能，打开PLOT窗口查看仿真波形，用鼠标右击后选择copyFrame，即可进行波形导出。图2为风速变化永磁同步发电机输出的三相电压与电流波形图。

（a）三相电流

（b）三相电压

图2    永磁同步发电机输出三相电压电流波形图

（4）仿真结果分析。

由图2可知，在2.55s时刻，当风速由6m/s变化为11m/s时，风能通过风力机输入给永磁同步发电机的机械转矩随之增加，此时，永磁同步发电机输出的三相电压（Ua、Ub、Uc）基本保持不变，但输出的三相电流（Ia、Ib、Ic）的大小及频率均由小变大。验证了永磁同步发电机输出电流大小与频率随输入转矩变化而变化的工作特性。

4.结语

针对电机与拖动课程在教学过程存在概念抽象、推导公式繁琐、工作特性难理解等问题，本文以永磁同步发电机的仿真过程为例，详细介绍了运用PSCAD软件进行系统仿真模型搭建、仿真参数设置、查看并导出波形和分析仿真结果的教学方法，将抽象、固化的理论教学转换为简洁、直观的教学形式，并将理论知识与当前风力发电的实际相联系，这样不仅有助于学生理解和掌握本课程的重点和难点，而且有助于充分调动学生学习积极性，强化教学效果。

参考文献：

[1]雷永锋，孙莉莉.电机与拖动课程实践教学研究与改革[J].时代教育，2015（5）：39-40.

[2]魏立明，陈伟利，韩成浩.基于MATLAB仿真的电机与拖动课程教学改革研究[J].中国建设教育，2014（4）：31-33.

[3]李明.风电孤网中功率调节器的研究[D].上海交通大学，2011.

本课题为江苏省电气工程及其自动化重点专业项目资助（2012jszdzy-B185）。