Sử dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học mô đun điện tử công suất tại trường cao đẳng nghề lào cai

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong Viện Sư phạm Kỹ thuật, Viện đào tạo sau đại học - Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy, cô trong ban Giám hiệu, ban c

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Thị Thanh Tú, học viên lớp cao học 2013B.SPKT Điện

tử Sau 2 năm học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà nội, được sự hướng dẫn và giúp đỡ của các thầy cô giáo, đặc biệt là sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn tốt nghiệp PGS.TS Thái Thế Hùng, tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học

Với đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Sử dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học mô đun “Điện tử công suất” tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai” Tôi

xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Thế Hù ng và chỉ tham khảo các tài liệu được liệt kê, tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất kì hình thức nào Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Nguyễn Thị Thanh Tú

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu nghiêm túc, khẩn trương với sự giúp đỡ

hướng dẫn tận tình của PGS.TS Thái Thế Hùng cùng với sự chỉ bảo của các thầy,

cô trong Viện Sư Phạm Kỹ Thuật - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn “Sử dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học mô-đun Điện tử công suất tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai ” đã hoàn thành

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Thái Thế Hùng đã trực tiếp hướng dẫn

tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong Viện

Sư phạm Kỹ thuật, Viện đào tạo sau đại học - Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy,

cô trong ban Giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa và tập thể giáo viên khoa Điện – Điện

tử trường Cao đẳng nghề Lào Cai, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn đúng tiến độ, cùng tập thể bạn bè đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ những công việc đầu tiên và trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tuy đã rất cố gắng và nỗ lực nhưng do thời gian có hạn vì vậy luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 4

1.1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC 4

1.1.1 Lý luận dạy học là gì 4

1.1.2 Quá trình dạy học 5

1.1.3 Phương tiện dạy học 6

1.2 NỘI DUNG DẠY HỌC 7

1.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 8

1.3.1 Khái niệm về phương pháp mô phỏng và sử dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học 8

1.3.2 Khả năng ứng dụng và hạn chế của PPMP trong dạy học kỹ thuật 9

1.3.3 Ứng dụng mô phỏng trong phương pháp dạy học kỹ thuật hiện nay 11 1.4 MÔ HÌNH 12

1.4.1 Khái niệm và phân loại 12

1.4.2 Tính chất và đặc trưng của mô hình 16

1.5 Một số phần mềm mô phỏng sử dụng trong dạy học mô đun Điện tử công suất 17

1.5.1 Matlab/Simulink 17

1.5.2 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis) 17

1.5.3 Phần mềm PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases) 18

1.5.4 Phần mềm PSIM (Power electronics simulation software) 19

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 33

CHƯƠNG II: THỰC TRẠNG VIỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TẠI

TRƯỜNG CĐN LÀO CAI 34

2.1 KHÁI QUÁT VỀ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ LÀO CAI 34

2.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của trường Cao đẳng nghề Lào Cai 34

2.1.2 Sơ đồ tổ chức bộ máy nhà trường 39

2.2 THỰC TRẠNG CỦA VIỆC SỬ DỤNG PPMP TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TẠI TRƯỜNG CĐN LÀO CAI 40

2.2.1 Thực trạng dạy học mô đun Điện tử công suất tại trường CĐN Lào Cai 40

2.2.2 Thực trạng của việc sử dụng PPMP trong dạy học mô đun Điện tử công suất tại trường CĐN Lào Cai 43

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 45

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TẠI TRƯỜNG CĐN LÀO CAI 46

3.1 SỬ DỤNG MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 46

3.1.1 Yêu cầu đối với mô phỏng trong dạy học mô đun Điện tử công suất 46 3.1.2 Thiết kế bài giảng trong mô đun Điện tử công suất 48

3.2 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 70

3.2.1 Mục đích, nhiệm vụ, phương pháp thực nghiệm 70

3.2.2 Điều kiện thực nghiệm 71

3.2.3 Tiến trình thực nghiệm 72

3.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 72

3.3.1 Kết quả kiểm tra của học sinh sau bài học 72

3.2.2 Kết quả thu được từ phiếu điều tra GV, HS tham dự tiết học 73

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 77

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 1 83

PHỤ LỤC 2 96

PTDHHĐ Phương tiện dạy học hiện đại PPDHHĐ Phương pháp da ̣y học hiê ̣n đại

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng kết quả khảo sát về việc sử dụng phương tiện dạy học 42 Bảng 2.2: Bảng kết quả khảo sát về các hình thức học tập của HSSV 43 Bảng 2.3: Bảng kết quả khảo sát về việc ứng dụng phần mềm trong dạy học 44 Bảng 3.1 Kết quả kiểm tra bài 1 của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng 73 Bảng 3.2 Kết quả kiểm tra bài 2 của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng 73 Bảng 3.3 Ý kiến của GV tham dự tiết học 74 Bảng 3.4 Ý kiến của học sinh tham dự tiết học 74 Bảng 3.5 Ý kiến của GV về hình thức áp dụng PPMP 75

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình mô phỏng trên PSIM 20

Hình 1.2 Biểu diễn một mạch điện trên PSIM 20

Hình 1.3 Giao diện của chương trình PSIM 21

Hình 1.4 Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM 22

Hình 1.5 Ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha 23

Hình 1.6 Ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM 24

Hình 1.7 Ký hiệu tranzito ba trạng thái 24

Hình 1.8 Ký hiệu của Gating block 24

Hình 1.9 Ký hiệu các loại máy biến áp một pha 25

Hình 1.10 Ký hiệu các loại biến áp ba pha 25

Hình 1.11 Môđun chỉnh lưu cầu một pha 26

Hình 1.12 Môđun chỉnh lưu cầu ba pha 26

Hình 1.13 Ký hiệu khối tỷ lệ 26

Hình 1.14 Ký hiệu khối tích phân 27

Hình 1.15 Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân 27

Hình 1.16 Ký hiệu các khối cộng 27

Hình 1.17 Ký hiệu các khối nhân và chia 27

Hình 1.18 Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit 27

Hình 1.19 Ký hiệu khối so sánh 28

Hình 1.20 Ký hiệu khối hạn chế 28

Hình 1.21 Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật 28

Hình 1.22 Ký hiệu khối trễ thời gian 28

Hình 1.23.Ký hiệu các cổng logic 29

Hình 1.24 Ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A 29

Hình 1.25 Ký hiệu các nguồn DC 29

Hình 1.26 Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha 30

Hình 1.27 Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật 30

Hình 1.28 Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện 30

Hình 1.29 ký hiệu của bộ on-off switch controller 30

Hình 1.30 Ký hiệu của bộ alpha controller 31

Hình 2.1 Sơ đồ bộ máy nhà trường 39

Hình 3.1 Trường hợp lắp Katot chung 49

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 50

Hình 3.3: Dạng đồ thị điện áp vào và điện áp ra 51

Hình 3.4 Dạng đồ thị điện áp vào 51

Hình 3.5: Dạng đồ thị điện áp ra 52

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch 63

Hình 3.7: Đồ thị điện áp vào 63

Hình 3.8: Đồ thị điện áp tải UR 64

Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện ổn áp 69

Hình 3.10 Đồ thị điện áp cố định qua tải Rt 70

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Phương thức sản xuất ngày càng phát triển đòi hỏi lực lượng sản xuất cũng phải đáp ứng được trong đó giáo dục là lực lượng sản xuất trực tiếp, tham gia một cách quyết định về việc cung ứng những con người có đủ phẩm chất và vững vàng

về tay nghề cho phát triển sản xuất Đào tạo nghề trong những năm qua đã chứng tỏ được vai trò và khả năng của mình tuy nhiên để nâng cao được hiệu quả sản xuất hơn nữa, khẳng định được vai trò của mình hơn nữa, đào tạo nghề phải không ngừng nỗ lực đổi mới phương pháp dạy phù hợp với đối tượng học, nhu cầu học, đáp ứng sự thay đổi liên tục của khoa học công nghệ

Hiện nay GV dạy nghề đã vận dụng linh hoạt các phương pháp giảng dạy khá tốt, trong đó có ứng dụng phương pháp mô phỏng Đối với Trường CĐN Lào Cai đặc thù là một trường miền núi đối tượng học sinh đa phần là dân tộc thiểu số, trình độ tốt nghiệp THPT hoặc THCS nên việc tiếp cận thông tin hoặc tìm kiếm thông tin là rất hạn chế Vì vậy trong quá trình giảng dạy GV gặp khó khăn trong việc truyền đạt kiến thức, nhất là những kiến thức mang tính trừu tượng như nguyên

lý hoạt động của các mạch điện, điện tử Đặc biệt mô đun: “Điện tử công suất” lần

đầu tiên được giảng dạy theo chương trình khung của Tổng cục dạy nghề ban hành nên việc ứng dụng phương pháp mô phỏng trong mô đun này là cần thiết

2 Đối tượng nghiên cứu:

- Học sinh các lớp Điện Công nghiệp trường Cao đẳng nghề Lào Cai học mô

đun Điện tử công suất

- Các phần mềm mô phỏng

- Kết quả học tập mô đun Điện tử công suất của học sinh khi không ứng dụng phần mềm mô phỏng trong dạy học và khi có ứng dụng phần mềm mô phỏng trong dạy học

3 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của PPMP

- Đánh giá thực trạng dạy học mô đun Điện tử công suất của nghề Điện công nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai

- Ứng dụng PPMP xây dựng 2 bài giảng trong chương trình môn học Điện tử công suất của nghề Điện công nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai

- Tiến hành thực nghiệm sư phạm để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết khoa học đề ra

4 Giả thuyết nghiên cứu:

Sử dụng PPMP trong dạy học mô đun Điện tử công suất có thể áp dụng tại trường CĐN Lào Cai, là hướng đi đúng đắn nhằm nâng cao chất lượng dạy học, tăng cường tính tích cực tư duy, sáng tạo của người học, đa dạng hóa các hình thức học tập, tạo môi trường tương tác tích cực giữa GV và HS

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Đọc và tham khảo sách, báo, tạp chí về lý thuyết mô phỏng, các công trình nghiên cứu có liên quan để xác định mục đích, nhiệm vụ của đề tài

- Phương pháp quan sát: Tham gia vào các lớp học mô-đun Điện tử công suất để biết thực trạng dạy và học mô đun này hiện nay tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai

- Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng một lớp học giả định giảng 1 giờ lên lớp để định hướng nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thống kê xử lý số liệu để đánh giá thực trạng dạy học mô-đun Điện tử công suất tại trường Cao đẳng nghề Lào Cai

6 Cấu trúc luận văn:

Luận văn được chia thành 3 phần:

PHẦN MỞ ĐẦU

Trình bày về mu ̣c đích, lý do, tính cấp thiết của đề tài, nô ̣i dung, phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 3: Sử dụng mô phỏng trong dạy học mô đun Điện tử công suất tại trường CĐN Lào Cai

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC

1.1.1 Lý luận dạy học là gì

Lần đầu tiên trong lịch sử thế giới, nhà giáo dục vĩ đại Cômenski J.A ( 1592 – 1670 ) với tác phẩm “ Phép dạy học vĩ đại” (1670 ), đã đặt nền móng cho lý luận dạy học trong nhà trường Trong đó, LLDH được ông xác định là một hệ thống tri thức khoa học về dạy học và ông xem LLDH như là một nghệ thuật chung để dạy cho tất cả mọi người Những đóng góp to lớn của Cômenski J.A về hệ thống các nguyên tắc, phương pháp và hình thức tổ chức dạy học, sự phân chia tuổi học, những yêu cầu sư phạm đối với người GV cho đến nay vẫn còn giá trị sâu sắc về lý luận và thực tiễn

Là hình thức cao nhất của tư duy khoa học, lý luận dạy học là hệ thống tri thức bao gồm các khái niệm, các phạm trù, các quy luật…phản ánh những thuộc tính cơ bản của những mối quan hệ hiện tượng (hay quá trình) dạy học

Lý luận dạy học là một bộ phận của giáo dục hay sư phạm đại cương Lý luận dạy học nghiên cứu bản chất dạy học, thiết kế nội dung học vấn, xác định các nguyên tắc, các phương pháp, phương tiện, các hình thức tổ chức, các kiểu đánh giá kết quả dạy học theo đúng mục đích, yêu cầu giáo dục

Lý luận dạy học có nhiệm vụ:

- Nghiên cứu nguồn gốc phát sinh và bản chất của hiện tượng dạy học, các quy luật chi phối quá trình dạy học

- Nghiên cứu hoàn thiện và phát triển các nguyên tắc, mục tiêu dạy học, kế hoạch chương trình dạy học dựa trên cơ sở dự đoán xu hướng phát triển của xã hội hiện đại, khả năng phát triển của khoa học – kỹ thuật, công nghệ trong tương lai

- Tìm kiếm những phương pháp, phương tiện và hình thức tổ chức dạy học trên cơ sở những thành tựu khoa học- kỹ thuật- công nghệ hiện đại nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả công tác dạy học

- Nghiên cứu xây dựng các lý thuyết dạy học mới và khả năng ứng dụng chúng vào thực tiễn dạy học

Lý luận dạy học có tác dụng chung đối với toàn bộ các hoạt động dạy- học Đồng thời lý luận dạy học có vai trò tạo cơ sở khoa học chung trên cơ sở bảo đảm tính thống nhất trong quan điểm, phương pháp luận đối với quá trình dạy học các môn học

Lý luận dạy học có tác dụng định hướng, hỗ trợ cho việc vận dụng, đi sâu vào quá trình dạy học từng bộ môn với những đặc thù khác nhau mà lý luận dạy học bộ môn có nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển thành các bộ phận lý luận riêng

của lý luận dạy học

1.1.2 Quá trình dạy học

Quá trình dạy học phải giải quyết 3 vấn đề cơ bản:

- Dạy học nhằm mục đích gì? – Mục đích

- Dạy và học cái gì để đạt mục đích đó?- Nội dung

- Dạy và học như thế nào? – Phương pháp

Mục đích dạy học chỉ đạt được khi và chỉ khi chúng ta xác định đúng đắn nội dung và phương pháp

Từ các định nghĩa trên có thể nêu mấy nhận xét như sau: QTDH gồm hoạt động của thầy và hoạt động của trò Hai hoạt động này có sự tác động qua lại với nhau trong đó thầy có chức năng chỉ đạo, hướng dẫn, tổ chức hoạt động học tập của trò, trên cơ sở đó trò tích cực, chủ động lĩnh hội tri thức cần thiết

Kết quả tương tác giữa hoạt động của thầy và của trò trong quá trình dạy học

là đạt được mục tiêu dạy học đề ra

QTDH là cách thức hoạt động của thầy và trò trong mối liên hệ qua lại, thầy giữ vai trò hướng dẫn, tổ chức hoạt động học tập của trò một cách tích cực, chủ động nhằm đạt các mục tiêu dạy học đề ra

Theo định nghĩa này người học đóng vai trò hàng đầu, là tác nhân chính trong quá trình học của mình, họ có tất cả những khả năng cần thiết để thành công Người dạy tác động từ bên ngoài với tư cách là người hỗ trợ, cộng tác Thể chế,

chương trình…là những điều kiện khách quan quan trọng, làm cho việc quản lý sư phạm có tổ chức và hiệu quả hơn

Người học là trung tâm, là tác nhân chính của quá trình đào tạo Người dạy

là người hướng dẫn, tổ chức và giúp đỡ Môi trường ảnh hưởng đến người học và phương pháp học, đến với người dạy và phương pháp dạy một cách tương hỗ

1.1.3 Phương tiện dạy học

Thuật ngữ “phương tiện” được dùng nhiều trong đời sống hàng ngày như phương tiện giao thông, phương tiện truyền thông…một cách chung nhất, “phương

tiện là cái dùng để làm một việc gì, để đạt một mục đích nào đó”

Phương tiện là tất cả những gì dùng để tiến hành công việc, được cảm nhận bằng giác quan, nhưng không phải bằng tư duy (tình cảm, tri thức, )

Từ phương tiện (media) trong tiếng Anh có gốc la tinh medium có nghĩa là

“ở giữa”, “trung gian” và ngày nay, từ này cũng được gọi là phương tiện truyền thông, truyền dẫn, bảo quản, khuếch đại thông điệp tùy theo hoàn cảnh Truyền thông (communication) là sự thiết lập “cái chung” giữa những người có liên quan trong quá trình thực hiện một mục tiêu nào đó; nghĩa là tạo nên sự “đồng cảm” giữa người phát và người thu thông qua những thông điệp (message) được truyền đi

Quá trình dạy học là một quá trình truyền thông có sự trao đổi thông điệp giữa hai hay nhiều người đồng thời phát và nhận thông điệp của nhau theo 3 kênh tương ứng:

- Thông điệp được truyền từ giáo viên đến người học: hướng dẫn, thông tin

để người học hiểu hoặc thực hành

- Thông tin về sự tiến bộ học tập, mức độ nắm vững kiến thức, kỹ năng từ người học truyền về giáo viên Giáo viên tiếp nhận, xử lý và quyết định điều chỉnh hay tiếp tục thực hiện công việc dạy học của mình

- Thông tin phản hồi từ giáo viên đến người học (uốn nắn, hướng dẫn, động viên, …)

Như vậy, lời nói và chữ viết cũng là một loại PTDH Tuy nhiên, khi tách khỏi chủ thể của quá trình dạy học là thầy và trò thì PTDH là phần vật chất khách

quan gồm toàn bộ những trang thiết bị, máy, tài liệu, phục vụ việc giảng dạy và học tập, từ các phương tiện đơn giản như bàn ghế, bảng đen, phấn trắng đến các thiết bị cơ điện tử, máy tính, máy chiếu, bảng tương tác …Phương tiện dạy học gồm thiết bị dạy học và học liệu

● Thiết bị dạy học (training equipment)

Thiết bị dạy học là tổng thể nói chung những máy móc, dụng cụ, phụ tùng cần thiết cho hoạt động dạy và học, chủ yếu đề cập “phần cứng” của phương tiện Phần cứng thường có vai trò truyền tin (mô hình tĩnh hoặc động, máy chiếu các loại, máy tính, camera, máy thu hình, máy ghi âm, ) hoặc hình thành và luyện tập

kỹ năng (các loại máy, dụng cụ, nguyên vật liệu cho thí nghiệm, thực hành, thực tập sản xuất, )

● Học liệu (teaching and learning materials)

Tài liệu in ấn và/hoặc không in ấn được thiết kế để sử dụng trong dạy học, chủ yếu đề cập đến “phần mềm” của phương tiện Nói chung, học liệu thường có vai trò mang tin (chương trình đào tạo, giáo trình, sách báo, sổ tay, tài liệu hướng dẫn, bảng biểu treo tường, băng đĩa, phần mềm máy tính, ) Theo tính chất và hình thức hỗ trợ có tài liệu tự học (self-instructional materials), tài liệu phát tay (handout materials), hoặc phần mềm dạy học - học liệu được “số hóa”/học liệu tin

học

1.2 NỘI DUNG DẠY HỌC

Nội dung dạy học (NDDH) là hệ thống những tri thức, kỹ năng, kỹ xảo có liên quan đến một ngành nghề nhất định và cách thức hoạt động sáng tạo

NDDH tạo nên nội dung hoạt động dạy và hoạt động học trong sự thống nhất với nhau Nó quy định những hệ thống tri thức, kỹ năng, kỹ xảo của một ngành nghề nhất định mà HS cần nắm vững, đảm bảo hình thành được ở họ cơ sở thế giới quan khoa học và phẩm chất đạo đức của con người mới, chuẩn bị cho họ bước vào cuộc sống và hoạt động lao động

Mỗi môn học đều có những tính chất, đặc điểm khác nhau (về đối tượng, nội dung và mức độ phản ánh ) nhưng tổng thể chúng đều cấu trúc bởi các yếu tố sau:

- Hệ thống tri thức về khoa học kỹ thuật, cách thức hoạt động, giao tiếp và định hướng giá trị xã hội

- Hệ thống kỹ năng kỹ xảo nghề nghiệp

- Hệ thống kinh nghiệm hoạt động sáng tạo

- Hệ thống thái độ với công việc, với xã hội, với người khác và với chính bản thân

NDDH được thể hiện qua từng môn học chuyên ngành và được trình bày dưới nhiều hình thức Do đó mỗi bài học cần được sử dụng nhiều phương pháp dạy học khác nhau cho phù hợp với hình thức vận động bên trong của NDDH

1.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

1.3.1 Khái niệm về phương pháp mô phỏng và sử dụng phương pháp mô phỏng trong dạy học

1.3.1.1 Khái niệm về mô phỏng

Mô phỏng bắt đầu từ việc chú ý nhấn mạnh các quy tắc, quan hệ và quá trình phát triển của đối tượng nghiên cứu cùng với sự thay đổi của chúng Các quan hệ này của đối tượng có thể tạo ra các tình huống mới, thậm chí các quy luật mới, được phát hiện trong quá trình mô phỏng Trong khoa học và công nghệ, mô phỏng

là con đường nghiên cứu thứ ba, song song với việc nghiên cứu lý thuyết thuần tuý

và nghiên cứu thực nghiệm trên đối tượng thực Nó được sử dụng khi không thể, không cần hay không nên thực nghiệm trên đối tượng thực

Theo Robert E Stephenson [16], mô phỏng là nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực Việc mô phỏng bắt đầu việc tạo ra một mô hình nhờ trí tưởng tượng (có suy nghĩ) của con người về những yếu tố có liên quan đến hệ thống thực Đôi khi người ta nhận thấy rằng, giữa mô hình nhận được và thực tế có mâu thuẫn, song việc khảo sát được bổ sung và tiếp tục cho đến khi thỏa mãn yêu cầu mà giả thuyết đề ra

Một cách tổng quát, mô phỏng là quá trình thực nghiệm quan sát được và điều khiển được trên mô hình của đối tượng khảo sát

Mô phỏng thuận lợi cho người sử dụng về các mặt:

- Nhận thức: trực quan hoá, dễ tiếp cận và đo lường, lặp lại được nhiều lần theo ý muốn, gợi mở tiên đoán, sáng tạo và thử nghiệm

- Công nghệ (về thiết bị, phương tiện cũng như kỹ năng): khả thi, an toàn, hiệu quả kinh tế, tiết kiệm thời gian, luyện kỹ năng trước khi tiếp xúc vật thực tế

1.3.1.2 Phương pháp mô phỏng trong dạy học:

Cùng với sự phát triển công nghệ thông tin, việc đưa máy tính vào các trường học đã tạo ra bước ngoặt lớn trong việc dạy học Sử dụng mô phỏng trên máy tính là phương pháp dạy học tích cực phát huy cao độ tính độc lập, khả năng làm việc trí tuệ của sinh viên, tạo ra một nhịp độ phong cách trạng thái tâm lí mới làm thay đổi phương pháp và hình thức dạy học Đặc biệt, mô phỏng diễn tả những quá trình động bên trong của các quá trình, các thiết bị mà trước đây không thể thực hiện trong phạm vi nhà trường Hiện nay, trong dạy học cũng như nghiên cứu đã tìm kiếm và đưa vào vận dụng “phòng thí nghiệm và thực hành ảo”

Phương pháp mô phỏng trong dạy học là phương pháp tiếp cận nhận thức thế giới thực thông qua mô hình tĩnh hoặc động Bằng phương pháp mô phỏng, sinh viên không chỉ tiếp thu kiến thức một cách sâu sắc mà trong quá trình học họ còn

có thể tìm ra cách tiếp cận vấn đề, con đường cách thức để đạt mục tiêu bài học Đặc biệt sinh viên còn có thể tạo dựng và điều khiển tại chỗ các đối tượng theo ý muốn, tìm tòi phát hiện một số quan niệm mới cũng như rèn luyện kỹ năng nghề nghiệp

1.3.2 Khả năng ứng dụng và hạn chế của PPMP trong dạy học kỹ thuật

Có nhiều ưu điểm của phương pháp dạy và học với mô phỏng:

- Mô phỏng cung cấp cho sinh viên những kinh nghiệm cụ thể về đối tượng học tập theo kiểu trải nghiệm gián tiếp Với khả năng điều khiển đồng thời tất cả các thành phần như hình ảnh, âm thanh, video, theo năng lực và sở thích của cá nhân, sinh viên có thể tự trải nghiệm về đối tượng Điều này không thể có được nếu như các phương tiện này được thể hiện tuần tự theo một trật tự cố định, một nhịp độ

cố định mà chưa hẳn đã phù hợp với người học Trong các bài giảng, bằng sự kết hợp của mô phỏng 3 chiều, của âm thanh nổi, bằng diễn biến tuỳ thuộc vào kỹ năng

điều khiển của sinh viên, có thể tạo nên được những trạng thái, cảm xúc hồi hộp, sung sướng, lo sợ… mà không một bộ phim hay một hình ảnh, âm thanh riêng lẻ nào có thể tạo nên Điều quan trọng hơn, đó là từ những trải nghiệm này, sinh viên

có được những kinh nghiệm cụ thể về tư duy, về hành vi, về ứng xử

- Sức mạnh sư phạm của mô phỏng thể hiện ở chỗ nó huy động tất cả khả năng xử lý thông tin của sinh viên Tất cả các cơ quan cảm giác của con người (tay, mắt, tai …) cùng với bộ não hợp thành một hệ thống có khả năng vô cùng to lớn để biến những dữ liệu vô nghĩa thành thông tin “Trăm nghe không bằng một thấy”, nhưng nếu cái thấy là thực thể vận động thì ý nghĩa còn lớn hơn rất nhiều Do đó

mô phỏng có khả năng cung cấp một kiến thức tổng hợp và sâu sắc hơn so với chỉ dùng các giáo trình in kèm theo hình ảnh thông thường

- Mô phỏng được sử dụng để huấn luyện, cung cấp những kinh nghiệm gián tiếp trước khi sinh viên thực hành thực tế Điều này được thực hiện đối với những công việc có thể gây nhiều nguy hiểm cho con người, ví dụ như việc đóng điện xung kích MBA hay hòa điện máy phát điện đồng bộ Với những công việc như thế, bằng các trải nghiệm gián tiếp tạo ra nhờ kỹ thuật mô phỏng Nhờ thế, khi bước vào thực tế (như là một công nhân vận hành máy điện…) sinh viên đã thuần thục các qui trình, qui tắc cần làm để giảm thiểu tối đa rủi ro có thể gây ra cho con người

và thiết bị

- Mô phỏng cho phép sinh viên làm việc theo nhịp độ riêng và tự điều khiển cách học của bản thân, kích thích sự say mê học tập của sinh viên Mô phỏng giúp sinh viên học với một người thầy vô cùng kiên nhẫn

- Giáo viên cũng có thể tìm thấy ở mô phỏng những khả năng độc đáo cho việc tổ chức giảng dạy, làm cho hoạt động học trở nên tích cực hơn Ví dụ, giáo viên có thể tải từ internet một đoạn mô phỏng về hoạt động của một máy phát điện, hướng dẫn cho sinh viên cách quan sát chuỗi hoạt động trên mô phỏng và sau đó sinh viên có thể tự mình trình bày lại nguyên lý hoạt động của máy phát điện

- Mô phỏng giúp giáo viên làm việc một cách sáng tạo, tìm được giải pháp thay thế những hoạt động học thiếu hiệu quả

- Mô phỏng giúp giáo viên tiết kiệm thời gian, nhờ đó có thể khám phá nhiều chủ đề, tăng cường thời gian giao tiếp, thảo luận với sinh viên

1.3.3 Ứng dụng mô phỏng trong phương pháp dạy học kỹ thuật hiện nay

Mô phỏng có thể được sử dụng trong mọi tình huống giảng dạy và học tập:

- GV có thể dùng mô phỏng trong phần mở bài để đặt sinh viên trong tình huống có vấn đề, tạo trạng thái tâm lí sẵn sàng tham gia tích cực vào quá trình lĩnh hội kiến thức mới

- GV có thể từ mô phỏng để gợi mở phát triển những ý tưởng mới cho sinh viên

- Khi sử dụng mô phỏng để giảng dạy, GV không chỉ giúp SV nắm kiến thức môn học mà còn phải tìm cách để SV hiểu biết cả con đường đã dẫn đến kiến thức Phương pháp này có tính trực quan cao, giúp SV có thể quan sát những hình ảnh trừu tượng không thể trực tiếp tri giác được

- Tương ứng với mỗi bài học, GV chọn phương pháp mô phỏng thích hợp (hình học, động hình học, động lực học) Trong một số trường hợp đối với một số

SV có khả năng cơ bản về lập trình, họ có thể trực tiếp xây dựng những hình ảnh

mô phỏng trên máy tính theo nhiệm vụ GV đặt ra với sự hướng dẫn của GV, qua đó

SV phát huy tính độc lập sáng tạo tìm cách thực hiện nhiệm vụ được giao

- Với một chương trình mô phỏng được thiết kế tốt, SV có thể tự học mà vẫn đạt kết quả tốt như học với GV Điều này tạo điều kiện cho việc cá thể hóa trong học tập (rất cần thiết khi kiến thức và năng lực nhân cách của SV không đồng đều)

- GV và SV có thể sử dụng mô phỏng như một tài liệu giảng dạy và học tập độc lập (chủ yếu phục vụ tự học, tự nghiên cứu) Tài liệu học tập kiểu này được cung cấp trên web hay cung cấp qua đĩa CD

- GV có thể sử dụng mô phỏng phối hợp với các phần mềm trình chiếu khác như powerpoint hay giảng dạy trên web

Tuy nhiên ứng dụng mô phỏng trên MTĐT ta cần lưu ý những điểm sau:

- GV và SV cần có một số kiến thức tin học nhất định, kỹ năng sử dụng máy tính và các thiết bị kết nối với máy tính

- Mô phỏng trên MTĐT không phải là phương pháp vạn năng trong dạy học Qua mô phỏng bài giảng trên MTĐT, sinh viên quan sát các hình ảnh được mô hình hóa mà không quan sát được các hiện tượng và quá trình thực về mặt tâm lý các biểu tượng về một sự vật mà sinh viên thu được từ quan sát vật thực và từ các hình ảnh của nó có sự khác nhau về chất Vì vậy các phương pháp mô phỏng cần kết hợp với các phương tiện và phương pháp khác

tử, mô hình nguyên tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ biết được những tính chất của chúng chứ không quan sát trực tiếp được Mô hình quá trình dạy học lại không phản ảnh một vật thể nào cả mà phản ảnh một sự kiện trừu tượng, mô hình con người mới lại là mẫu mực mà ta phải vươn tới chứ không phải là phỏng theo một thực thể đang tồn tại

Trong vật lý học, V.A Stopho đã định nghĩa “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng” Định nghĩa này chưa nêu bật được tính chủ quan của mô hình Cùng một đối tượng nghiên cứu chúng ta có thể xây dựng được nhiều mô hình khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và khả năng thể hiện của mỗi người Việc chọn thuộc tính nào

và quan hệ nào của đối tượng là đặc trưng tuỳ thuộc vào người nghiên cứu

Theo nghĩa chung nhất, mô hình được hiểu là một thể hiện bằng thực thể hay bằng khái niệm một số thuộc tính và quan hệ đặc trưng của một đối tượng nào đó (gọi là nguyên hình) nhằm mục đích nhận thức sau [15]:

- Làm đối tượng quan sát thay cho nguyên hình

- Làm đối tượng nghiên cứu (thực nghiệm hay suy diễn) về nguyên hình

1.4.1.2 Phân loại

Mô hình được chia làm hai loại [07]: mô hình thực thể và mô hình khái niệm

Mô hình thực thể là những mô hình vật chất hoặc vật chất hóa được Ví dụ như mô hình động cơ đốt trong, mô hình dao động Nói chung, các mô hình này hay được dùng trong quá trình thực nghiệm

Dựa trên tiêu chuẩn cùng chất, giống về chất, khác về chất giữa nguyên hình và mô hình, mô hình thực thể được chia làm ba loại: mô hình trích mẫu, mô hình đồng dạng và mô hình tương tự

- Mô hình trích mẫu:

Từ tổng thể cần nghiên cứu (nguyên hình) người ta chọn ra một số phần tử (gọi là tập mẫu hay mô hình trích mẫu), qua phân tích tập mẫu người ta suy ra các kết luận về tổng thể cần nghiên cứu Lý thuyết xác suất giải quyết hai yêu cầu của việc mô hình hóa: tập mẫu phải có dung lượng đủ lớn thỏa mãn độ chính xác và độ tin cậy cho trước và từ kết quả trên kết quả tập mẫu ta sẽ được các đánh giá hay ước

lượng khác nhau về tổng thể Mô hình trích mẫu cùng chất với nguyên hình Ví dụ,

để đánh giá chất lượng của một lô sản phẩm, người ta rút ra một số mẫu một cách ngẫu nhiên, phân tích rồi rút ra kết luận

- Mô hình tương tự:

Hai thực thể khác nhau về bản chất vật lý được gọi là tương tự khi trạng thái của chúng được mô tả cùng một hệ phương trình vi phân với cùng một điều kiện đơn trị

Mô hình tương tự là một thực thể có những thông số vật lý khác tên với nguyên hình (tức là khác chất với nguyên hình) và được xác định theo lý thuyết tương tự

Mô hình tương tự thường được gọi tên theo chất liệu của mô hình và nguyên hình: mô hình tương tự điện cơ, mô hình tương tự điện nhiệt, tương tự điện thủy lực, tương tự khí thủy lực Kết quả nhận được từ quá trình dao động của dòng điện trong mạch điện, theo lý thuyết tương tự có thể dễ dàng suy ra trạng thái dao dộng tương ứng

- Mô hình khái niệm:

Mô hình khái niệm khác mô hình thực thể ở chỗ đây là các mô hình có tính chất hình thức, trừu tượng Trong các ngành khoa học kỹ thuật, mô hình toán học là điển hình của loại mô hình này Mô hình toán học dùng ngôn ngữ toán học

để mô tả đối tượng Việc nghiên cứu các mô hình toán học thường dựa trên cơ sở vận dụng các lý thuyết toán học hiện đại kết hợp công nghệ thông tin

Phân loại mô hình toán học:

- Mô hình hệ thức: Mô hình hệ thức dùng hệ thức để mô tả trạng thái của đối

tượng nghiên cứu

- Mô hình cấu trúc: Mô hình cấu trúc dùng cấu trúc toán học để mô tả cấu

trúc và trạng thái bên trong của nguyên hình Một tập hợp nào đó được trang bị một cấu trúc toán học là một tập hợp trên đó đã cho một hoặc nhiều quan hệ, một hoặc nhiều luật hợp thành trong hay ngoài, một hoặc nhiều cấu trúc với những tính chất

cơ bản cho trước phát biểu trong những mệnh đề gọi là tiêu đề của cấu trúc Có ba loại cấu trúc cơ bản:

+ Cấu trúc thứ tự: là cấu trúc trong đó quan hệ trước sau, trên dưới Ví dụ:

dùng một đồ thị có hướng để mô tả tiến trình của một công việc

+ Cấu trúc đại số: là cấu trúc trong đó có một luật hợp thành (trong hoặc ngoài) PPMP giúp cho việc tối thiểu hóa hàm logic, đưa chúng từ một dạng bất kỳ

về dạng tối thiểu, điều này mang một ý nghĩa kinh tế kỹ thuật khi tổng hợp các mạch logic phức tạp

Trong thực tế ta thường gặp những mô hình là kết hợp của các loại mô hình trên, ví dụ như mô hình lược tả

Ngoài cách phân loại theo mô hình, theo cơ sở lý thuyết nói trên, còn có thể dựa vào tính chất: tĩnh, động, thực, ảo hoặc mục đích: cấu trúc, ứng xử, diễn giảng, nghiên cứu, lý thuyết, thực hành hay ngành khoa học: vật lý, sinh học, kinh tế để phân biệt các loại mô hình tương ứng khi cần thiết Tuy nhiên, cần chú ý chọn thuật ngữ thích hợp, tránh nhầm lẫn khi không có văn cảnh, chẳng hạn một thuật ngữ mô hình cấu trúc có thể hiểu là mô hình vật lý thể hiện cấu trúc của một

hệ nào đó hoặc một cấu trúc toán học được dùng để mô hình hóa cấu tạo hay quy luật hoạt động của đối tượng được xét Việc gọi tên PPMP có thể dựa trên mô hình hóa đối tượng

Qua phân tích trên, có thể thấy rằng mặc dù mô phỏng dựa trên mô hình nhưng khái niệm mô phỏng không đồng nhất với khái niệm mô hình (mô hình - phương tiện nhận thức, mô phỏng - nghiên cứu trên mô hình) Mô hình chỉ có ý nghĩa khoa học khi nó được nghiên cứu để rút ra kết luận về nguyên hình và việc xây dựng mô hình phải trên cơ sở mục đích nghiên cứu

Do đó có thể xem phương pháp mô phỏng trong dạy học là phương pháp nhận thức thế giới thực thông qua nghiên cứu mô hình của đối tượng mà ta quan tâm

1.4.2 Tính chất và đặc trưng của mô hình

● Tính chất giống với “vật gốc”theo một nghĩa nào đó:

Một hệ thống chỉ có thể được coi là mô hình của vật gốc khi có thể di chuyển được những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc Nghĩa là có sự tương tự giữa mô hình và nguyên hình

● Tính lý tưởng:

Tính lý tưởng của mô hình khác với tính đơn giản ở chỗ khi mô hình hóa người ta không thể xây dựng được các tính chất giống hệt với nguyên hình, ví dụ như từ trường của dòng điện hay sóng của các loai ánh sáng…Việc đơn giản hóa

mô hình lại là một hoạt động có chủ ý của người xây dựng mô hình nhằm làm cho việc nghiên cứu được thuận lợi hơn Như vậy mô hình nào cũng có tính chất lý tưởng ít hay nhiều Nói cách khác không có mô hình nào giống hệt thực tiễn bởi nếu như vậy thì nó không còn tính cách là vật đại diện, thay thế nữa…

Tính chất lý tưởng của mô hình càng cao thì mô hình càng khái quát và càng giúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm được một

số càng lớn hiện tượng Nhưng càng khái quát, càng có tính lý tưởng cao thì khi sử dụng mô hình để nghiên cứu thực thể càng gặp nhiều khó khăn vì mô hình càng rời

xa thực tế

● Tính chủ quan:

Mỗi khi tạo ra một mô hình để nghiên cứu, người nghiên cứu cần phải có sẵn

sự hình dung trong óc về đối tượng cần nghiên cứu của họ theo những quan điểm riêng của mình Trên thực tế mỗi người nhìn nhận một vấn đề trên những khía cạnh, những góc độ khác nhau, do vậy sự quyết định tính chất và mối quan hệ cơ bản của đối tượng khác nhau Điều này dẫn đến cùng một đối tượng nghiên cứu mỗi người xây dựng cho mình một mô hình khác nhau, đó là tính chủ quan của mô hình

1.5 Một số phần mềm mô phỏng sử dụng trong dạy học mô đun Điện tử công suất

1.5.1 Matlab/Simulink

Đây là phần mềm được phổ cập ở mức độ toàn cầu Hiện nay ở nước ta, Matlab cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa Tuy nhiên từ phiên bản 5.3 của matlab mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điện tử công suất (power electronic) Đây là phần mềm bổ sung của mục “power system blockset” nằm trong phần simulink Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: tiristo, diot, GTO, MOSFET và ideal switch Tất cả các phần tử này đều được mô phỏng như một mạch gồm điện trở mắc nối tiếp điện cảm khi ở trạng thái dẫn dòng điện, còn khi không dẫn dòng thì tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song Bằng cách ghép từng hình theo một sơ đồ cụ thể nào đó, có thể thiết lập một thư viện các mạch điện tử công suất theo ý muốn (thí

dụ như mạch chỉnh lưu cầu)

Phần mềm mô phỏng bằng Simulink rất thuận lợi khi cần phân tích và khảo sát ở khía cạnh hệ thống, nhất là với hệ thống kín, ở đó mạch điện tử công suất chỉ

là một khối của hệ thống Trong simulink, các van được mô phỏng hoặc như một khoá lý tưởng, hoặc như một điện trở hai trạng thái Như vậy, phần tử bán dẫn mô phỏng không phản ánh chính xác đặc tính Vôn-ampe của chúng nữa song điều đó không ảnh hưởng đến bản chất của hệ thống được nghiên cứu, mặt khác lại giảm được đáng kể thời gian tính máy Lưu ý rằng trong simulink, các xung điều khiển cho các van là tín hiệu mức logic 0/1, không phải là điện áp điều khiển hay dòng điều khiển cho van nên không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều khiển

1.5.2 Phần mềm TINA (Toolkit for Interative Netword Analysis)

Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử dạng tương tự và xung số mạch điện tử công suất do hãng designsoft đưa ra thị trường TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm 8 chức năng chính : phần tử cơ bản (basic components), đo lường (meters), nhóm

nguồn (sources), linh kiện bán dẫn (semiconductors), mạch cổng (gate), mạch lật flip-flop (flip-flop), mạch logic (logic IC) Đối với mạch phân tích điện tử công suất thì hay dùng nhất 4 nhóm đầu, trong đó đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn

và nhóm cá phần tử bán dẫn Nhưng nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn:diot, transitors, tiristo, triac, diac

Điểm khác biệt của các mô phỏng trong TINA so với mô hình cùng loại trong MATLAB là chúng được xây dựng theo bản chất hoạt động vật lý bán dẫn thể hiện bằng các phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng rất sát đặc tính Vôn-ampe thực của chủng loại đó Vì vậy để đưa vào mạch một bóng bán dẫn cụ thể cần phải biết khá nhiều tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được Để dễ dàng cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại bóng thông dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế

Thư viện của PSPICE rất lớn, lên đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thế giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện có sẵn trong thư viện và xây dựng các mô hình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ mục đích của mình

Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp, dòng điện một chiều, nguồn điện hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn tín hiệu điều chế tần số) và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản Ngoài ra còn có công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc bằng dòng điện Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số, điểm làm việc một chiều, đặc tính động Trong mô phỏng mạch điện tử công suất quan trọng nhất là phân tích động (transient analysis) Trong PSPICE chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC, khi mạch phức tạp hoặc thời gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này có thể lên đến hàng trăm MB Vì vậy khi chương trình đang chạy ta có thể tạm dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không

đạt thì ngắt hẳn chương trình để sửa đổi

1.5.4 Phần mềm PSIM (Power electronics simulation software)

PSIM là phần mềm mạch do hãng LAB-VOLT (Hoa Kỳ) - một trong các nhà sản xuất các thiết bị dạy học nổi tiếng viết và đưa ra thị trường Đây là phần mềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ

sư khi nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất, các mạch điều khiển tương tự và số, cũng như trong hệ truyền động xoay chiều (AC), một chiều (DC)

PSIM chạy trong môi trường Microsoft Windows 98/NT/2000/XP với yêu cầu bộ nhớ RAM tối thiểu là 32 MB Chương trình thiết kế mạch của PSIM là một chương trình có tính tương tác cao giữa giao diện của các thư mục và phần mềm soạn thảo mạch điện với người sử dụng Các phần tử của mạch được chứa trong menu Elements Các phần tử được chia thành bốn nhóm là: Phần tử mạch công suất (Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần

tử khác (Others) Thư viện trong PSIM bao gồm hai phần: thư viện hình ảnh (PSIMimage.lib) và thư viện danh sách (PSIMLIB) Thư viện danh sách không thể sửa đổi được, nhưng thư viện hình ảnh có thể sửa đổi hoặc tạo lập một thư viện hình ảnh riêng cho người sử dụng

1.5.4.1 Giới thiệu về phần mềm PSIM

a Khái niệm chung

PSIM bao gồm 3 chương trình:

Hình 1.1 Quá trình mô phỏng trên PSIM

PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch

PSIM Simulator : chương trình mô phỏng

PSIM VIEW : chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối:

Hình 1.2 Biểu diễn một mạch điện trên PSIM

Sensors

Control circuit

Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến áp lực và cuộn cảm san bằng

Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm cả các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các cổng logic, flip-flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ bộ chia) Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch động lực để đưa các tín hiệu đo này về mạch điều khiển Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch

để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch động lực

b Khởi động chương trình

Khi khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, các bạn vào File > New, giao diện như sau:

Hình 1.3 Giao diện của chương trình PSIM

Thanh chuẩn (Standard) gồm: File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help Mọi thao tác trong PSIM đều có thể thực hiện được từ thanh chuẩn này

Thanh công cụ gồm: New, Save, Open Và các lệnh thường dùng như Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)

Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm, tụ điện, diode, thyristor,…

c Biểu diễn tham số các phần tử

Các tham số mỗi phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba cửa sổ của PSIM bao gồm :

- Các tham số (Parameters)

- Các thông tin khác (Orther Info)

- Màu sắc (Color)

Hình 1.4 Cửa sổ trao đổi tham số trên PSIM

Cửa sổ Parameters được sử dụng trong quá trình mô phỏng, còn cửa sổ Orther Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, các thông tin này sẽ được hiện ra trong mục View/Element List.Ví dụ như các thông số loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuất…Còn cửa sổ Color để xác định màu sắc cho từng phần tử

Trên cửa sổ Parameters, các tham số được đưa vào dưới dạng các số thập phân hoặc dạng biểu thức toán học Ví dụ một điện trở có thế được biểu diễn dưới các dạng sau:

12.5 ; 12.5 k ; 12.5 Ohm ; 12.5 kOhm ; 25/2 Ohm

Các luỹ thừa sau sử dụng các chữ cái để thể hiện :

G

:

109 106 :M 103 :K 103 :m 106 :u 109 :n 1012: pCác hàm toán học sau được sử dụng:

+ phép cộng

- phép trừ

* phép nhân

/ phép chia

^ hàm mũ SQRT hàm căn bậc hai SIN hàm sin

COS hàm cos TAN hàm tang LOG hàm logarit cơ số tự nhiên

1.5.4.2 Một số phần tử mạch động lực

a Điện trở, điện cảm và điện dung (RLC)

Với PSIM, các phần tử R, L, C rời rạc hay một nhánh RLC đều có thể được

mô tả với các điều kiện đầu được xác định (dòng điện trên L, điện áp trên C)

Ngoài ra mạch ba pha đối xứng, nhánh RLC cũng được mô tả với các điều kiện đầu được xác định bằng 0 bằng các ký hiệu “R3”, “RL3”, “RC3” và “RLC3”

Hình 1.5 Ký hiệu phần tử RLC một pha và ba pha

b Các khoá chuyển mạch

Có hai dạng cơ bản của khoá đóng cắt trong PSIM : một là theo kiểu khoá gồm hai trạng thái (đóng và mở khoá), hai là theo kiểu ba trạng thái (đóng, mở và

làm việc trong chế độ khuyếch đại tuyến tính)

Khoá hai trạng thái bao gồm : điôt (DIODE), điac (DIAC), tiristor (THY), triac (TRIAC), GTO, tranzito công suất theo kiểu npn (NPN) hoặc pnp (PNP), IGBT, MOSFET kênh n (MOSFET_n) và kênh p (MOSFET_p), và khóa hai chiều (SSWI) Các phần tử này được mô tả như các khoá lý tưởng, nghĩa là ở trạng thái đóng (cho dòng chạy qua) khoá có giá trị nội trở bằng 10, còn ở trạng thái mở (không có dòng) sẽ có giá trị 1M

Hình 1.6 Ký hiệu diot, diac và thyristor trong PSIM

Khoá ba trạng thái bao gồm hai loại tranzito pnp (PNP_1) và npn (NPN_1)

Hình 1.7 Ký hiệu tranzito ba trạng thái

c Khối điều khiển Gating block

Khối này chỉ được nối với cực điều khiển của các khoá điện tử hai trạng thái

kể trên và được xác định tính chất trực tiếp của block Gating

Mô tả một Gating block:

Hình 1.8 Ký hiệu của Gating block

Frequency: tần số làm việc khi nối với các khoá điện tử

Number of points: số lần tác động trong một chu kỳ

Switching points: Góc tác động trong một chu kỳ

d Máy biến áp

Có các loại như : Máy biến áp lý tưởng, máy biến áp một pha và ba pha với các kiểu đấu dây: Y/∆; ∆/Y; ∆/Y- O; Y/Y/…

Trên Psim các loại máy biến áp một pha sau đây được sử dụng :

- Một cuộn dây sơ cấp và một cuộn dây thứ cấp (TF_1F/TF_1F_1)

- Một cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_3W)

- Hai cuộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp (TF_1F_4W)

- Một cuộn dây sơ cấp và bốn cuộn dây thứ cấp (TF_1F_5W)

- Một cuộn dây sơ cấp và sáu cuộn dây thứ cấp (TF_1F_7W)

Hình 1.9 Ký hiệu các loại máy biến áp một pha

Trên Psim có các loại máy biến áp ba pha trụ sau :

- Máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây có các đầu dây ra của đầu và cuối cuộn dây (TF_3F)

- Máy biến áp 3 pha nối Y/Y và Y/ (TF_3YY/TF_3YD)

- Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây nối Y/Y/ và Y/ / 

(TF_3YYD/TF_3YDD)

Hình 1.10 Ký hiệu các loại biến áp ba pha

e Các môđun của bộ biến đổi một pha và ba pha

Các môđun bộ biến đổi một pha bao gồm cầu chỉnh lưu một pha bằng điôt

và tiristo được biểu diễn như sau :

Hình 1.11 Môđun chỉnh lưu cầu một pha

Các môđun của bộ biến đổi ba pha bao gồm : chỉnh lưu cầu ba pha điôt BDIODE3, chỉnh lưu cầu ba pha tiristo BTHY3, chỉnh lưu tia ba pha tiristo BTHY3H :

Hình 1.12 Môđun chỉnh lưu cầu ba pha

B

n n

n n

0 1 1 2 2

0 1 1 2 2

Có hai dạng của khối hàm truyền trên PSIM : loại thứ nhất cho các giá trị

“không” ban đầu ( TFCTN), loại thứ hai cho các tham số vào ban đầu (TFCTN1)

Bao gồm các khối như : khối tỷ lệ, khối tích phân, khối vi phân, khối tích phân - tỷ lệ và khối lọc

Hình 1.13 Ký hiệu khối tỷ lệ

Hình 1.14 Ký hiệu khối tích phân

Hình 1.15 Ký hiệu khối tỷ lệ - tích phân

b Các khối tính toán

Bao gồm các khối như khối cộng, khối nhân và chia, khối hàm căn bậc hai,

mũ, luỹ thừa, logarit, khối hàm tính giá trị hiệu dụng RMS, khối hàm trị tuyệt đối

và dấu, khối hàm lượng giác và khối biến đổi Fourier nhanh FFT

Hình 1.16 Ký hiệu các khối cộng

Hình 1.17 Ký hiệu các khối nhân và chia

Hình 1.18 Ký hiệu các khối hàm căn, mũ, luỹ thừa và logarit

c Các khối hàm khác

- Khối so sánh

Tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+)

có giá trị lớn hơn ở cực (-), sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tín hiệu cực (+) nhỏ hơn Khi giá trị vào ở hai cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ giá trị ở thời điểm đó

- Khối xung hình thang và xung chữ nhật

Hai khối, khối xung hình thang (LKUP_TZ) và khối xung hình chữ nhật (LKUP_SQ)

Hình 1.21 Ký hiệu xung hình thang và xung chữ nhật

- Khối trễ thời gian (time delay block)

Khối này sẽ tạo trễ một khoảng thời gian của dạng sóng đầu vào, ví dụ như chúng được sử dụng vào mô hình của phần tử truyền sóng có trễ hay phần tử logic

Để mô tả khối trễ thời gian chỉ cần xác định thời gian trễ tính theo giây (s)

Hình 1.22 Ký hiệu khối trễ thời gian

1.5.4.4 Các phần tử logic

a Cổng logic

Đó là các cổng logic : cổng AND, OR, XOR, NOT, NAND và NOR

Hình 1.23.Ký hiệu các cổng logic

b Khối chuyển đổi A/D và D/A

Đây là các khối chuyển đổi tương tự/số (analog/digital) và ngược lại, với 2 loại ở tín hiệu số 8 bit và 10 bit

Hình 1.24 Ký hiệu các khối chuyển đổi A/D và D/A

1.5.4.5 Các phần tử khác

a Các dạng nguồn

- Nguồn một chiều DC

Các dạng nguồn một chiều có ký hiệu (_GND) là loại có nối đất, ký hiệu (V)

là dạng nguồn áp, ký hiệu (I) là nguồn dòng

Hình 1.25 Ký hiệu các nguồn DC

- Nguồn hình sin

Nguồn hình sin cũng bao gồm hai loại nguồn dòng và áp, có ký hiệu ở hình 2.25 Đối với nguồn một pha và nguồn điện áp sin ba pha đối xứng nối (Y) được ký hiệu như hình 2.26, với pha A có ký hiệu dấu chấm trên nguồn

Hình 1.26 Ký hiệu nguồn hình sin một pha nguồn hình sin ba pha

- Nguồn sóng chữ nhật

Có 2 loại nguồn sóng chữ nhật : nguồn áp (VSQU) và nguồn dòng (ISQU)

có ký hiệu như ở hình 2.27

Hình 1.27 Ký hiệu nguồn sóng chữ nhật

- Cảm biến điện áp/dòng điện

Các cảm biến sẽ đo giá trị điện áp và dòng điện trong mạch động lực để sử dụng trong mạch điều khiển Cảm biến dòng sẽ có nội trở là 1

Hình 1.28 Ký hiệu các cảm biến điện áp và dòng điện

1.5.4.6 Bộ điều khiển chuyển mạch

a Bộ điều khiển khoá đóng cắt (on-off switch controller)

Bộ điều khiển như một giao diện giữa tín hiệu điều khiển và khoá đóng cắt mạch lực : tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc 1 từ mạch điều khiển sẽ đưa đến cực điều khiển của khoá động lực

Hình 1.29 ký hiệu của bộ on-off switch controller

b.Bộ điều khiển góc mở 

Bộ điều khiển dùng để điều khiển góc mở của tiristor, ký hiệu vào của bộ điều khiển bao gồm : góc , tín hiệu đồng bộ và tín hiệu cho phép (enable/disable signal) Quá trình chuyển đổi tín hiệu đồng bộ từ 0 đến 1 sẽ cung cấp thời điểm đồng bộ ở góc 00

Góc mở  được xác định từ tín hiệu tức thời,  được tính theo độ

Hình 1.30 Ký hiệu của bộ alpha controller

Mô tả:

Frequency: tần số tác động của bộ, Hz

Pulse width: độ rộng xung điều khiển, độ

1.5.4.7 Mạch phụ (Subcircuit)

Các bước thao tác một mạch phụ như sau:

- New subcircuit: Thiết lập một mạch phụ mới

- Load subcircuit:Tải xuống một mạch phụ đã có, mạch phụ này sẽ hiển thị

trên màn hình như một khối

- Edit subcircuit: Soạn thảo kích thước tên file của mạch phụ

- Set size: Cài đặt độ lớn của mạch phụ

- Place port: Đặt vị trí cổng kết nối giữa mạch chính với mạch

phụ

- Display port: Hiển thị cổng kết nối của mạch phụ

- Edit default variable list: Soạn thảo danh sách các thông số mặc định trên

mạch phụ

- Edit image: Soạn thảo hình ảnh của mạch phụ

- Display subcircuit name: Hiển thị tên của mạch phụ

- Show subcircuit ports: Hiển thị tên cổng của mạch phụ trong mạch

chính

- Hide subcircuit ports: không cho hiển thị tên cổng của mạch phụ trong

mạch chính

- Subcircuit list: Danh sách tên file của mạch chính và mạch phụ

- One page up: Quay trở lại mạch chính, khi đó mạch phụ sẽ

được lưu tự động

- Top page: Nhảy từ mạch phụ (mức thấp) lên mạch chính

(mức cao) cho phép sử dụng dễ dàng khi có

a Tạo mạch phụ trong mạch chính

Các bước tạo một mạch phụ có tên file “mach-phu.sch” trong mạch chính có địa chỉ “mach-chinh.sch” như sau:

- Tạo “mach-chinh.sch”

- Trong “mach-chinh.sch” chọn menu subcircuit để chọn new subcircuit

- Một khối vuông sẽ xuất hiện trên màn hình để tạo mạch phụ

- Chọn khối mạch phụ và chọn Show subcircuit ports trêb menu Subcircuit

để hiển thị tên cổng được xác định ở phần trên

- Dùng dây nối vào các điểm nối tương ứng

1.5.4.8 Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất

Để tiến hành khảo sát một mạch điện tử công suất, cần tiến hành các bước sau :

1 Xác định mô hình các phần tử bán dẫn cần có để thiết lập mạch cần khảo sát, nhất là các van bán dẫn công suất

2 Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu; thông thường gồm hai phần: sơ đồ mạch lực và sơ đồ mạch điều khiển

3 Chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang chương trình mô hình hoá theo ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm

4 Vào các tham số sơ đồ và số liệu khảo sát

5 Tiến hành khảo sát, thường chia thành hai bước:

a) Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình

b) Khi mô hình đạt độ tin cậy, tiến hành nghiên cứu với các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra