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基于 MATLAB 仿真的电力电子技术实验教学改革王萍，朱敏（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥230601）摘要：传统电力电子技术实验教学由于受到空间和时间的限制，学生的创造思维和综合设计能力难以得到有效锻炼和提高，为此提出了利用 MATLAB 仿真软件对电力电子技术实验进行教学改革的方案.以单相桥式有源逆变电路实验为教学案例，详细论述了通过 MATLAB/Simulink 建模进行仿真实验教学的设计方案和实现过程，总结了在电力电子技术实验课程中使用虚拟仿真技术的特色和优势.教学实践表明，基于 MATLAB 的虚拟仿真实验可与实验室实验相互补充，相互促进，能够帮助学生加深对理论知识的理解，提高学生的实验技能和创新能力.关键词：电力电子技术；MATLAB/Simulink 建模；虚拟仿真中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1673-1972（2023）06-0056-050引言电力电子技术是电气工程及其自动化、自动化等专业的一门专业基础课，不仅涉及到种类繁多的电路结构，而且还有很多复杂的公式推导和理论分析，学生学习起来难度较大.但电力电子技术在很多工程实践中又有着极为广泛的应用，如开关电源、光伏发电、新能源电动汽车、有源电力滤波器等领域.因此可以说，电力电子技术是一门理论性强，同时又与专业联系紧密的课程1.作为电气类专业的学生，学好这门课至关重要.目前大部分学校采用的是理论教学与实验操作相结合的教学模式2.相比于理论课程的枯燥，学生在实验课上能够充分发挥自己的主观能动性，学习兴趣和积极性都会有明显提高.通过实验教学，可以使学生进一步加深对理论知识点的理解，并在实验过程中锻炼动手操作技能，提高工程实践能力3.但是在电力电子技术实验教学中，一方面存在实验设备和场地的限制，另一方面也有高压操作安全风险和仪器设备维修费用的局限，因此难以让学生在不受外界因素影响的前提下随时随地进行大胆实验，也就达不到实验预期效果.近年来，随着虚拟技术的不断深入发展，虚拟仿真实验作为一种新兴的实验手段已成为实验教学不可或缺的组成部分4-6.基于此，教师迫切需要将虚拟仿真实验引入现有的实验教学中，从而对实验教学模式进行改革和创新.1教学改革及实施1.1仿真软件选用在电力电子领域，MATLAB、MULTISIM、PSPICE 等仿真软件都可用来搭建电路模型7-9，演示实际电路的运行过程，通过输出相应的波形对电路的原理进行验证和研究.在这些仿真软件中，MATLAB 具有强大的数据处理和绘图能力，从而被广泛应用于电力电子电路的建模与分析中.Simulink 作为 MATLAB 的重要组成部分，可实现对离散或连续、线性或非线性以及各种混合系统的仿真10，借助于 MATLAB 内容丰富的模块库，如 Simulink 标准模块库和 SimPowerSystems 电力系统模块库，只需掌握最基本的电力电子概念，就能在收稿日期：2023-06-02基金项目：安徽省教育厅质量工程项目“四新 研究与改革实践项目”（2022sx043）；安徽省教育厅质量工程项目“专业服务安徽省十大新兴产业项目”（2022sdxx013）；安徽三联学院质量工程项目“教学研究项目”（21zlgc044）作者简介：王萍（1985-），女，安徽淮南人，副教授，主要从事运动控制理论与技术研究.第 25 卷 第 6 期石家庄学院学报Vol.25，No.62023 年 11 月Journal of Shijiazhuang UniversityNov.2023 虚拟平台上通过“积木式”设计快速地构建出电力电子系统的模型.通过进一步观察仿真结果，学生可以获得更为直观的实验感受，提高了实验的灵活性和安全性.1.2教学改革目标及内容由于 MATLAB 仿真软件自身所具有的高效、便捷的特点，使得学生只需认识基本的电力电子器件，进行简单的连线就可以开展仿真实验，这与传统的面板插线式实验操作一致.因此，对学生来说，仿真软件的学习易于入门和接受.学生可以通过仿真软件对实验课程进行预习和复习，也可以对理论知识点进行实验现象的直观显示，帮助理解和验证重难点知识.仿真实验使得学生可以不受实验仪器和实验条件的限制，在实验中能够大胆尝试、大胆创造，不仅提高了学生对电力电子技术课程的兴趣，也培养和增强了学生的动手能力和创新意识11.利用 MATLAB 仿真软件中的 Simulink 模块库对电力电子技术实验中的整流电路和逆变电路进行虚拟仿真设计，让学生自主设计电路并设置相关参数，搭建完整的电路模型，深入理解电路工作原理.实验教学中主要构建验证性实验和设计性实验两个层次，借助线上教学平台中教师准备的教学材料，包括实验教学课件、实验操作视频、实验问题解答等.以学生自主学习为主，教师提供及时的答疑和辅导，规定学生在相应的时间段内完成线上题目.验证性实验设置在实验课的预习环节，要求学生结合理论知识对电路的工作原理进行分析，以实验原理图为依据，搭建仿真模型，输出仿真波形和数据，并将实验结果上传至相应的预习作业部分.教师通过教学平台查看学生完成情况，同时进行批改和指导.设计性实验则安排在相应实验内容结束之后，在验证性实验的基础上，结合实际工程案例，对实验内容进行拓展和综合训练.引导学生利用文献资料、学习视频等资源自主学习，启发学生积极思考、勇敢创新.本部分教师可进行集中线上答疑，对于一些共性的难点问题可在后续的线下教学中重点讲解.2实验项目实施现以单相桥式有源逆变电路实验为例，详细讨论验证性实验和设计性实验的设计过程.采用 Simulink仿真工具搭建电路的仿真模型，通过仿真实验探究有源逆变的电压波形.并进一步分析三相桥式有源逆变电路的输出波形，让学生自行设计电路，搭建控制模型，深入理解有源逆变的原理和过程.整个实验教学以验证性实验为基础，设计性实验为递进，让学生熟悉电路建模与分析过程.2.1验证性实验单相桥式有源逆变电路是电力电子技术中一种最基本的逆变电路，该电路由单相三相交流电源、变压器、电阻、电感、4 个晶闸管、触发电路和 6 个二极管组成，如图 1 所示.该电路的仿真可分为仿真模型搭建、仿真参数设置、仿真结果输出和仿真结果分析.2.1.1仿真模型搭建在 Simulink 环境下，根据电路原理图，在 SimPowerSystems 模块库中选择相应的元器件，拖动到合适位置并连接，就完成了整个电路仿真模型的搭建，如图 2 所示.触发信号 1 和 2 分别代表触发电路发出的触发脉冲，用来控制 4 个晶闸管的导通.2.1.2仿真参数设置通过设置触发脉冲控制角 琢，观察电路输出电压波形 Ud及晶闸管两端电压波形 UVT.根据输出的波形与 琢 的对应关系，探究有源逆变电路的实现条件.表 1 为仿真参数设置.2.1.3仿真结果输出仿真参数设置完成后，运行仿真，就可以得到Ud和 UVT的电压波形，改变控制角 琢，仿真波形也随之改变.直接双击 Simulink 中的示波器 Scope 模块图 1单相桥式有源逆变电路第 6 期王萍，朱敏：基于 MATLAB 仿真的电力电子技术实验教学改革57 参数设定单相交流电源相电压三相交流电源相电压变压器变比电阻负载电感负载控制角 琢仿真时间 t220 V220 V25 赘0.01 H120毅0.05 s 就可观察波形，也可利用 MATLAB 中的 plot 命令画出示波器中的图形，命令截图如图 3 所示.输入上述命令后就可以得到输出电压波形 Ud的仿真波形，如图 4 所示.采用同样的方法可得晶闸管两端电压 UVT的仿真波形，如图 5 所示.2.1.4仿真结果分析通过理论分析可知，当 0琢仔/2 时，电路工作在整流状态，电能传递的方向是从左到右；当 仔/2琢仔 时，电路工作在逆变状态，电能传递的方向变成了从右到左.因此，可以将有源逆变看成是整流电路的一种工作状态，也就可以沿用单相桥式整流电路带阻感负载的情况来分析有源逆变时有关波形与参数的计算问题.单相桥式整流电路带阻感负载时，Ud波形的平均值为Ud=1仔仔+琢0乙2姨U2sin(棕t)d棕t=22姨仔U2cos琢-0.92U2cos琢，（1）式中：U2为变压器二次侧的输出电压；棕 为角频率，其值等于2仔/T，T 为周期.晶闸管承受的最大正反向电压均为UVT=2姨U2.（2）根据上述公式，按表 1 设置参数，由于变压器一次侧电压 U1=220 V，变比 k=2，因此 U2=220/2=110 V，则：Ud=0.92U2cos琢=0.9伊110伊cos120毅=-49.5 V，（3）UVT=2姨U2=2姨伊110=155.56 V.（4）从图 2 中可知，当 琢=120毅时，Ud=-48.18 V.从图 4 中可知，晶闸管承受的最大正向电压为 UVT=156.3 V.式（1）和式（2）的计算结果分别为 Ud=-49.5 V 和 UVT=155.56 V.因此，仿图 2单相桥式有源逆变电路仿真模型表 1单相桥式有源逆变电路仿真参数设置图 3画出示波器中图形的 plot 命令截图石家庄学院学报2023 年 11 月58参数设定三相交流电源相电压电阻负载电感负载控制角 琢仿真时间 t220 V5 赘0.01 H120毅0.05 s 真波形和数据与理论分析结果基本一致.2.2设计性实验图 6 展示的是三相桥式有源逆变电路，与单相桥式有源逆变电路的不同之处在于，它采用的是三相交流电源、三相变压器，晶闸管的数量由 4 个变成了 6 个.可仿照单相桥式有源逆变电路的建模和分析方法，在 Simulink 中建立仿真模型、设置仿真参数、观察仿真结果并分析.6 个晶闸管组成的三相桥式全控整流电路可直接运用 SimPowerSystems 模块库中的 Universal Bridge 模型，由 6 个二极管组成的三相桥式不可控整流桥可选择 Subsystem 进行封装，其他模块的建立与单相有源逆变电路相同.三相桥式有源逆变电路的仿真模型如图 7 所示.在建模中必须保证触发脉冲与主电路同步，模型中的 6 脉冲发生器采用同步电压过零时作为控制角 琢 的位置.整流变压器的一次绕组联接方式选择 DELTA（D11），线电压为 380 V，二次绕组联结方式为 Y，线电压为 190 V，其他参数为默认值.由于要与主电路同步，因此同步变压器的一次绕组联接方式也选择 DELTA（D11），线电压为 380 V，二次绕组联结方式也为 Y，线电压为 15 V，其他参数为默认值.6 脉冲发生器的频率设置为 50 Hz，脉冲宽度为 1，触发方式选择双脉冲触发.其他仿真参数的设置如表 2 所示.运行仿真，可得电压波形 Ud和晶闸管两端电压 UVT的仿真波形，如图图 4单相桥式有源逆变电路 Ud的仿真波形图 5单相桥式有源逆变电路 UVT的仿真波形图 6三相桥式有源逆变电路图 7三相桥式有源逆变电路仿真模型表 2三相桥式有源逆变电路仿真参数设置 t/s0.010.020.030.040.05-200-1000100200 0.010.020.030.040.05-200-1000100200t/s第 6 期王萍，朱敏：基于 MATLAB 仿真的电力电子技术实验教学改革59t/s0.010.020.030.040.05-200-1000100200 8 所示.由于三相桥式有源逆变电路是三相桥式全控整流电路工作于 仔/2琢仔 范围内时作逆变状态的运行方式，因此，可用三相桥式全控整流电路的分析方法来分析电路的逆变状态.三相桥式全控整流电路带阻感负载时：Ud=2.34U2cos琢=2.34伊110伊cos120毅=-128.7 V.（5）由图 6 可知，当 琢=120毅时，Ud=-128.39 V，与式（5）理论计算结果基本一致.通过综合实验的训练，不仅使学生对先前学习的全控整流电路的知识点进行了复习巩固，而且让学生通过直观的仿真波形深入理解了逆变电路的工作原理.2实验教学改革特色与创新点通过引入虚拟仿真实验，解决了传统实验对实验设备的依赖性，以及电力电子实验安全风险问题，使得学生可以利用仿真软件对实验进行预习和复习，不仅能够强化学生对实验原理和内容的理解，避免实验操作不规范，提高实验操作效率，还能在课后引入综合性、设计性实验，让学生可以运用所学知识去解决新问题，拓展新思路，提升创新力.学生通过熟练操作基于 MATLAB 的仿真设计，对电力电子技术实验中的所有电路都可以进行虚拟仿真学习，并可进一步延伸和拓展理论知识，提高学生在电力电子技术方面认识的深度和广度，符合本门课程“巩固所学理论知识，理论联系实际”的教学目标，为今后从事专业技术工作打下坚实的基础.3结束语通过单相桥式有源逆变电路实验教学案例，详细阐述了运用 MATLAB 软件构建虚拟仿真实验项目的方法和步骤.这种虚拟仿真软件的使用打破了传统实验空间和时间的限制，可以将传统实验室中连接的电路在仿真软件上搭建起来，克服了传统实验的不足和弊端，并提供仿真软件所具备的强大功能，为学生创造了便捷、高效的学习环境，极大地调动了学生的积极性、主动性和创新性.教学实践表明，虚拟仿真实验对学生专业技能的提升具有积极作用.参考文献：1孙筠.CDIO 模式下电力电子技术课程教学改革的思考J.大学教育，2017，（3）：77-78援2刘恒娟.基于 MATLAB 的电力电子电路仿真实验平台J.实验室研究与探索，2021，39（8）：134-137+200.3陈新河，杨汉生，周波.电力电子技术 全方位实践教学J.自动化与仪器仪表，2015，（3）：186-189.4陈晨，李丹.论高校实践基地建设的创新性虚拟实验教学平台建设J.电脑知识与技术，2017，13（30）：72-73援5许少伦，徐青菁，齐文娟，等.虚实结合的电气类专业实验教学体系构建J.实验室研究与探索，2022，41（4）：186-190+235.6杨婷，杨厂.基于 Matlab 的电力电子虚拟仿真实验平台研究J援实验技术与管理，2018，35（7）：152-154+158援7何慧，田卫华.基于 LabVIEW 和 Matlab 的电力电子技术虚拟实验平台的设计开发 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2018，14（1）：35-40.8邓红雷，张仙玲，汪娟娟.基于 Multisim14 的单相整流滤波稳压电路及其故障仿真分析J.现代电子技术，2022，45（14）：23-28援9王光旭，仁娟慧.大功率超声波发生器的 Pspice 仿真研究J.舰船电子工程，2020，40（7）：117-119+150.10沈颖.虚拟仿真在机电传动控制课程实验教学中的应用J.化学工程与装备，2021，（1）：293-294援11金文，陈曦，韩洪洪.电动机拖动虚拟实验设计及在教学中的应用J.实验室研究与探索，2020，39（3）：211-214援（责任编辑鹍钮效）图 8三相桥式有源逆变电路 Ud的仿真波形（下转第 85 页）石家庄学院学报2023 年 11 月60Current Situation and Countermeasures of Physical Education on UnhealthyBody Posture of Preschool Children in Shijiazhuang CityLI Li1a,JIA Jing-yi2,JIA Fu-chi1b,WANG LI-jun2,CUI Ba-ter1b,CHEN Yu-juan1b,HU Wen-wen1b(1.a.School of Teachers Education;b.School of Physical Education,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China;2.Changan Aobei Kindergarten,Shijiazhuang,Hebei 050000,China)Abstract:The forms index of 797 children has been tested by static body evaluation method to learn the currentsituation of unhealthy body posture of preschool children and put forward teaching countermeasures for preventionand treatment.The survey shows that the unhealthy forms rate of boys is as high as 97.31%,and that of girls is96.13%.The top 5 male and female students with poor posture detection rate are pelvic forward,kneehyperextension,OX legs,high and low shoulders,and round shoulders.The comparison of the detection rates ofvarious posture problems in boys and girls show that there are statistically significant differences in four types ofproblems:high and low shoulders,OX legs,head tilt and pelvic lateral tilt(P0.05).Among them,the detection rateof high and low shoulders,OX legs and head roll of boys is higher than that of girls,while the detection rate of pelvictilt is lower than that of girls.The result indicates that the incidence of unhealthy form in children is very high,whichseriously affects their healthy growth.Attention should be paid to strengthen the teaching of correct movementpatterns and muscle balance training in preschool physical education,so as to effectively promote the healthy growthof preschool children.Key words:preschool children;body posture;health;teaching of physical educationExperimental Teaching Reform Based onMATLAB Power Electronics TechnologyWANG Ping,ZHU Min(School of Electrical&Electronic Engineering,Anhui Sanlian University,Hefei,Anhui 230601,China)Abstract:Due to the limitations of space and time in traditional power electronics technology experimentalteaching,it is difficult for students to effectively exercise and improve their creative thinking and comprehensivedesign abilities.Therefore,a teaching reform in power electronics technology experiment using MATLAB simulationsoftware is proposed.Taking the single-phase bridge active inverter circuit experiment as a teaching case,this paperdiscusses in detail the design scheme and implementation process of modeling and simulation experiment teachingthrough MATLAB/Simulink,and summarizes the characteristics and advantages of using virtual simulationtechnology in power electronics technology experiment courses.Teaching practice has shown that virtual simulationexperiments based on MATLAB can complement and promote laboratory experiment,helping students deepen theirunderstanding of theoretical knowledge,improve their experimental skills and innovative ability.Key words:power electronics technology;MATLAB/simulink modeling;virtual simulation（上接第 60 页）第 6 期李立，贾静怡，贾富池，等：石家庄市学龄前儿童不良身体姿态现状及体育教学对策85