PSCAD軟件在電機(jī)與拖動課程教學(xué)中的應(yīng)用

彭思敏 顧春雷

摘 ? ?要： 針對電機(jī)與拖動課程中基本概念抽象、公式推導(dǎo)繁雜等特點(diǎn)，為強(qiáng)化課程教學(xué)效果，將PSCAD軟件應(yīng)用于教學(xué)過程中。本文以永磁同步發(fā)電機(jī)為例，介紹了PSCAD軟件進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用的過程，將抽象問題具體化、形象化，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性，強(qiáng)化了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)與拖動 ? ?PSCAD軟件 ? ?永磁同步發(fā)電機(jī) ? ?教學(xué)應(yīng)用

1.引言

電機(jī)與拖動課程是為自動化、電氣工程、建筑電氣等本科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程的重點(diǎn)是講解直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)的工作原理、工作特性等相關(guān)內(nèi)容，但該課程需要掌握相關(guān)磁場與電場的知識，具有概念抽象、公式推導(dǎo)復(fù)雜、電機(jī)工作特性不易理解等特點(diǎn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生誤區(qū)[2]。同時，受課程教學(xué)與實驗條件的限制，學(xué)生難以親自進(jìn)行相關(guān)實驗操作，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。因此，采用仿真的方法不僅能讓學(xué)生擺脫復(fù)雜的公式推導(dǎo)，進(jìn)一步深入理解電機(jī)工作原理、掌握電機(jī)工作特性，而且能與實際生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合，特別是教學(xué)與科研的前沿、熱點(diǎn)問題，如風(fēng)力發(fā)電。將有效緩解學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的壓力，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化教學(xué)效果。

2.PSCAD軟件介紹

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

3.仿真案例

同步電機(jī)既可用作發(fā)電機(jī)，又可用作電動機(jī)，但相對于三相異步電動機(jī)，其作為發(fā)電機(jī)的應(yīng)用更廣泛，尤其是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電與智能電網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用中，永磁同步發(fā)電機(jī)越來越受到人們的關(guān)注及應(yīng)用。本文以永磁同步發(fā)電機(jī)為例，詳細(xì)介紹PSCAD/EMTDC軟件在電機(jī)與拖動課程教學(xué)中的應(yīng)用，其仿真具體步驟為：首先建立仿真系統(tǒng)模型，其次設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行仿真，再次用PLOT查看及導(dǎo)出仿真波形，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗證其正確性。

（1）建立仿真系統(tǒng)模型。

建立仿真系統(tǒng)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(jù)目標(biāo)系統(tǒng)要求或數(shù)學(xué)模型從MasterLibrary中選擇相應(yīng)模塊或元件到主工作區(qū)，設(shè)置相應(yīng)電氣參數(shù)，并用導(dǎo)線連接起來;三是保存仿真系統(tǒng)模型，圖1為永磁同步發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)模型圖。為盡可能模擬發(fā)電機(jī)實際運(yùn)行情況，本文還搭建了風(fēng)模塊、風(fēng)力機(jī)WT及轉(zhuǎn)軸DT等模型。

圖1 ? ?永磁同步發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)模型圖

（2）設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行仿真。

仿真運(yùn)行參數(shù)設(shè)置主要包括：運(yùn)行持續(xù)時間，運(yùn)行時間步長，繪圖時間間隔、PLOT風(fēng)格設(shè)置等。在工作區(qū)用鼠標(biāo)右擊后，在下拉菜單的Projectsettings/runtime中可進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，本文中運(yùn)行持續(xù)時間為5s，運(yùn)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(jìn)行仿真運(yùn)行。

（3）查看及導(dǎo)出仿真波形。

PSCAD為用戶提供了直觀的仿真波形查看及導(dǎo)出功能，打開PLOT窗口查看仿真波形，用鼠標(biāo)右擊后選擇copyFrame，即可進(jìn)行波形導(dǎo)出。圖2為風(fēng)速變化永磁同步發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)輸出三相電壓電流波形圖

（4）仿真結(jié)果分析。

由圖2可知，在2.55s時刻，當(dāng)風(fēng)速由6m/s變化為11m/s時，風(fēng)能通過風(fēng)力機(jī)輸入給永磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩隨之增加，此時，永磁同步發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)輸出電流大小與頻率隨輸入轉(zhuǎn)矩變化而變化的工作特性。

4.結(jié)語

針對電機(jī)與拖動課程在教學(xué)過程存在概念抽象、推導(dǎo)公式繁瑣、工作特性難理解等問題，本文以永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真過程為例，詳細(xì)介紹了運(yùn)用PSCAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型搭建、仿真參數(shù)設(shè)置、查看并導(dǎo)出波形和分析仿真結(jié)果的教學(xué)方法，將抽象、固化的理論教學(xué)轉(zhuǎn)換為簡潔、直觀的教學(xué)形式，并將理論知識與當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的實際相聯(lián)系，這樣不僅有助于學(xué)生理解和掌握本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而且有助于充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷永鋒，孫莉莉.電機(jī)與拖動課程實踐教學(xué)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(jī)與拖動課程教學(xué)改革研究[J].中國建設(shè)教育，2014（4）：31-33.

[3]李明.風(fēng)電孤網(wǎng)中功率調(diào)節(jié)器的研究[D].上海交通大學(xué)，2011.

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