Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dùng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức

Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dùng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức” do trường Cao đẳng Công

TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC

Thực hiện theo hợp đồng số: 136.12 RD/HĐ-KHCN ngày 29 tháng 03 năm

2012, giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt - Đức

Người chủ trì thực hiện nhiệm vụ: Thạc sĩ Vũ Xuân vượng

Danh sách các thành viên tham gia:

1 Ông Vũ Xuân Vượng Hiệu trưởng – Chủ nhiệm đề tài

2 Ông Nguyễn Đức Sinh Phó hiệu trưởng – Phó chủ nhiệm đề tài

3 Ông Trần Minh Đức Phó trưởng phòng Đào tạo Ủy viên thư ký

4 Ông Nguyễn Ngọc Đương Trưởng phòng QL&ĐBCL Ủy viên

5 Ông Phạm Văn Phúc Trưởng khoa Điện – ĐT Ủy viên

6 Bà Hoàng Thị Minh Phó trưởng khoa Điện – ĐT Ủy viên

7 Ông Nguyễn Văn Thảo Giảng viên khoa Điện – ĐT Ủy viên

8 Bà Vũ Thị Ngoan Giảng viên khoa Điện – ĐT Ủy viên

9 Ông Trần Mạnh Hiếu Giảng viên khoa Điện – ĐT Ủy viên

10 Bà Lê Thị Ngấn Giảng viên khoa Điện – ĐT Ủy viên

Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài Chủ nhiệm đề tài

(Ký tên, ghi rõ họ tên) (Ký tên, ghi rõ họ tên)

THÁI NGUYÊN-2012

LỜI NÓI ĐẦU

Nâng cao chất lượng đào tạo là mục tiêu hàng đầu của ngành giáo dục Nâng cao chất lượng bằng việc đổi mới phương pháp dạy học là biện pháp có hiệu quả cao vì đó

là con đường cho việc tổ chức quá trình học tập của học sinh-sinh viên Hiện nay trước

sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin và truyền thông; dạy học cần phải ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông để hỗ trợ cho việc đổi mới phương pháp qua

đó nâng cao chất lượng đào tạo

Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong giảng dạy góp phần tích cực trong hoạt động đổi mới phương pháp dạy học, tạo sự hứng thú học tập cho học sinh-sinh viên và mang lại hiệu quả thiết thực (tiết kiệm chi phí, tạo lập môi trường học tập phong phú đa dạng) Việc ứng dụng các phần mềm hỗ trợ cho việc dạy và học thông qua việc xây dựng mô hình để mô phỏng cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách thức điều chỉnh và vận hành máy móc, thiết bị cũng không ngoài ý nghĩa trên

Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm chuyên dùng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức” do trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức thực hiện không chỉ góp

phần cho việc đổi mới phương pháp giảng dạy nâng cao chất lượng đào tạo tại trường

mà còn có thể ứng dụng tại các trường Cao đẳng Công nghiệp khác

Sự thành công của đề tài không thể tách rời sự tạo điều kiện, giúp đỡ, hợp tác của các tổ chức, cá nhân Nhân dịp này Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn: Vụ Khoa học Công nghệ (Bộ Công Thương) các nhà quản lý, các thầy (cô) giáo, các chuyên gia trong lĩnh vực đào tạo đã tạo điều kiện, tư vấn, giúp đỡ chúng tôi hoàn thành

đề tài này

Đề tài được thực hiện trong một thời gian ngắn nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Ban chủ nhiệm đề tài rất mong nhận được ý kiến góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 4

TÓM TẮT ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5

Mục tiêu của đề tài: 5

Giới hạn của đề tài: 5

Nhiệm vụ nghiên cứu: 5

Phương pháp nghiên cứu: 5

Chương 1 6

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC ÁP DỤNG CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀO GIẢNG DẠY 6

1 Cơ sở lý luận 6

1.1 Tổng quan về các phương pháp dạy học tích cực 6

1.2 Phương pháp mô phỏng trong dạy học 8

2 Thực trạng của việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng trong dạy học13 2.1 Trên thế giới 13

2.2 Tại Việt Nam 14

Chương 2 16

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÀN TRẢI, MÔ PHỎNG BỘ BIẾN TẦN 16

1 Các yếu tố xây dựng mô hình dàn trải, mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại trường CĐCN Việt Đức 16

1.1 Chương trình đào tạo : 16

1.2 Đội ngũ giáo viên 16

1.3 Điều kiện cơ sở vật chất 17

1.4 Trình độ học sinh-sinh viên 19

2 Nguyên tắc xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần 19

2.1 Phù hợp với mục tiêu, nội dung học phần/môn học/mô đun 19

2.2 Tính khả thi 19

2.3 Tính hiệu quả 20

3 Công cụ, phương tiện xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần 20

3.1 Giới thiệu và lựa chọn biến tần, động cơ 20

3.2 Khảo sát và lựa chọn phần mềm chuyên dùng để mô phỏng 33

3.3 Lựa chọn phần cứng 39

4 Xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động và mô hình dàn trải bộ biến tần phục vụ đào tạo tại trường CĐCN Việt Đức 40

4.1 Tìm hiểu cấu trúc của bộ biến tần 40

4.2 Hướng dẫn cài đặt phần mềm PSIM 40

4.3 Vẽ và mô phỏng hoạt động của bộ biến tần 42

5 Xây dựng bài giảng có mô phỏng quá trình hoạt động, mô hình dàn trải của bộ biến tần phục vụ đào tạo 66

5.1 Các bài giảng theo phương pháp truyền thống (không sử dụng mô phỏng) 66

5.2 Phương pháp xây dựng bài giảng có sử dụng mô phỏng, mô hình dàn trải 66

5.3 Xây dựng bài giảng có sử dụng mô phỏng quá trình hoạt động, mô hình dàn trải phục vụ đào tạo 67

6 Thiết kế mô hình dàn trải bộ biến tần 67

6.1.Thiết kế lắp ráp mô hình dàn trải bộ biến tần 67

6.2 Vận hành chạy thử 73

Chương 3 78

THỰC NGHIỆM ĐỀ TÀI TẠI TRƯỜNG CĐCN VIỆT ĐỨC 78

1 Triển khai thực nghiệm 78

1.1 Mục đích, đối tượng thử nghiệm 78

1.2 Nội dung và tiến trình thử nghiệm 78

1.3 Kết quả thử nghiệm 79

2 Thực hiện lấy ý kiến chuyên gia 80

2.1 Mục đích 80

2.2 Đối tượng lấy ý kiến 80

2.3 Nội dung và phương pháp tiến hành 80

2.4 Phân tích, đánh giá kết quả lấy ý kiến chuyên gia 80

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

- CĐCN : Cao đẳng công nghiệp

- CN : Công nghiệp

- CNTT : Công nghệ thông tin

- ĐHCN : Đại học công nghiệp

- ĐTLK : Đào tạo liên kết

- GDĐT : Giáo dục đào tạo

TÓM TẮT ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài:

Thông qua việc nghiên cứu lý luận, tìm hiểu và khảo sát thông tin về biến tần và động cơ ba pha không đồng bộ Đề tài thực hiện thiết kế mô hình dàn trải của bộ biến tần và sử dụng một số phần mềm chuyên dùng để thiết kế mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ ba pha không đồng bộ áp dụng vào đào tạo tại trường Cao Đẳng Công Nghiệp Việt Đức.Việc có mô hình dàn trải và mô phỏng

bộ biến tần sẽ giúp cho quá trình dạy và học của giảng viên, sinh viên đạt kết quả cao hơn đáp ứng mục tiêu của nhà trường là nâng cao chất lượng đào tạo

Giới hạn của đề tài:

Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu, thiết kế mô hình dàn trải của bộ biến tần ứng dụng biến tần trong điều khiển tốc độ động cơ Sử dụng phần mềm chuyên dùng để mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần Sản phẩm của đề tài làm phương tiện cho giảng dạy sinh viên chuyên nghành Điện (gồm các trình độ đào tạo: Cao đẳng chuyên nghiệp, trung cấp chuyên nghiệp, cao đẳng nghề, trung cấp nghề) và được thực nghiệm

tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức

Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý luận về các phương pháp dạy học tích cực, trong đó chú trọng tới phương pháp sử dụng mô hình mô phỏng trong dạy-học, lý luận về việc ứng dụng CNTT và truyền thông vào dạy học

- Nghiên cứu về các loại biến tần thông dụng trên thị trường

- Phân tích đặc điểm công dụng của một số phần mềm chuyên dùng để mô phỏng

(MATLAB/SIMULINK, TINA, PSPICE, LabVIEW, PSIM…)

- Nghiên cứu chương trình đào tạo ngành Điện (các bậc đào tạo: TCN, CĐN, TCCN, Cao đẳng chuyên nghiệp) tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức: các học phần, môn học, mô đun có nội dung về bộ biến tần

- Xây dựng phương án thiết kế (panen, mô hình, sơ đồ dàn trải ) chế tạo, lắp ráp

- Áp dụng kết quả nghiên cứu vào giảng dạy tại trường CĐCN Việt Đức

Phương pháp nghiên cứu:

- Nhóm các phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tài liệu, tra cứu văn bản nhằm xây dựng cơ sở lý luận cho đề tài:

+ Nghiên cứu lý luận về các phương pháp dạy học tích cực, trong đó chú trọng tới phương pháp sử dụng mô hình trong dạy-học

+ Phân tích đặc điểm, công dụng và lựa chọn phần mềm phù hợp để xây dựng mô hình mô phỏng bộ biến tần

+ Nghiên cứu chương trình đào tạo để lựa chọn bậc đào tạo, ngành nghề, môn học, bài giảng có thể sử dụng mô hình dàn trải, mô hình mô phỏng Lựa chọn loại biến tần

để xây dựng mô hình dàn trải

- Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Quan sát, khảo sát, thực nghiệm nội dung cụ thể như sau:

+ Khảo sát, thu thập thông tin về nhu cầu và các yêu cầu xây dựng mô hình dàn trải và mô hình mô phỏng bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại các trường CĐCN + Thực nghiệm kết quả nghiên cứu vào giảng dạy tại trường CĐCN Việt Đức và lấy ý kiến chuyên gia…

Chương 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC ÁP DỤNG CÁC PHẦN MỀM

MÔ PHỎNG VÀO GIẢNG DẠY

1 Cơ sở lý luận

1.1 Tổng quan về các phương pháp dạy học tích cực

1.1.1 Quá trình dạy học

Dạy học là hoạt động đặc trưng, chủ yếu của nhà trường Dạy học diễn ra theo một

quá trình nhất định, được gọi là quá trình dạy học (QTDH) Đó là một quá trình xã hội

bao gồm hoạt động dạy và hoạt động học, trong đó học sinh, sinh viên tự giác, tích cực, chủ động, tự tổ chức và điều chỉnh hoạt động nhận thức của mình dưới sự điều khiển, chỉ đạo, tổ chức, hướng dẫn của giáo viên nhằm thực hiện mục đích, nhiệm vụ dạy học

Cho đến nay có nhiều quan niệm khác nhau về QTDH như: Theo lý thuyết hệ thống, theo quan niệm điều khiển học, theo thuyết angôrít, theo quan điểm dạy học lấy HS-SV làm trung tâm

1.1.1.1 Nhiệm vụ của dạy học

Nhiệm vụ cơ bản của quá trình dạy học trong các trường chuyên nghiệp là dạy nghề

và dạy người Cụ thể gồm các nội dung sau:

- Nhiệm vụ giáo dưỡng: Làm cho HS-SV nắm vững hệ thống tri thức văn hóa, khoa học kỹ thuật và công nghệ, tri thức về chuyên môn, nghiệp vụ, hình thành các kỹ năng,

kỹ xảo lao động nghề nghiệp (dạy nghề)

- Nhiệm vụ phát triển trí tuệ: Phát triển ở HS-SV năng lực hoạt động trí tuệ, những

kỹ năng và thói quen tổ chức hoạt động của cá nhân (dạy phương pháp)

- Nhiệm vụ giáo dục các phẩm chất nhân cách: Hình thành ở HS-SV những cơ sở thế giới quan khoa học, lý tưởng cách mạng và những phẩm chất đạo đức của người lao động mới (còn gọi là nhiệm vụ dạy người)

1.1.1.2 Các nguyên tắc dạy học:

Nguyên tắc thống nhất biện chứng giữa tính khoa học và tính giáo dục trong dạy học

Nguyên tắc thống nhất biện chứng giữa lý luận và thực tiễn

Nguyên tắc thống nhất biện chứng giữa hoạt động dạy và hoạt động học

Nguyên tắc thống nhất biện chứng giữa cái cụ thể và cái trừu tượng

Nguyên tắc phát huy tính tích cực, độc lập và sáng tạo của HS-SV

Có rất nhiều cách khác nhau về phân loại phương pháp dạy học, dưới đây là một

số cách phân loại phương pháp dạy học:

- Hệ thống các PPDH phân loại theo nguồn kiến thức và địa điểm tri giác thông tin (S.I.Petrovski, F.Ia.Golan), gồm: dùng lời, trực quan, thực hành

- Hệ thống các PPDH phân loại theo các nhiệm vụ lý luận dạy học cơ bản (M.A.Danilov; B.P.Esipov), gồm: truyền thụ kiến thức, hình thành kỹ năng kỹ xảo, ứng dụng tri thức, hoạt động sáng tạo, củng cố, kiểm tra

- Hệ thống các PPDH phân loại theo đặc điểm hoạt động nhận thức của HS-SV (M.N.Scatkin; I.Ia.Lecne), gồm: giải thích, minh họa, tái hiện, giới thiệu vấn đề, tìm kiếm từng phần, nghiên cứu

- Hệ thống các PPDH thông báo và thu nhận, giải thích và tái hiện, thiết kế thực hành và tái hiện thực hành, giải thích, kích thích và tìm kiếm từng phần (M.I.Macmutov),v.v )

Vấn đề lựa chọn PPDH

Ưu nhược điểm của các PPDH: Như ở phần trên đã trình bày, phương pháp bao

giờ cũng được xây dựng trên cơ sở của những đối tượng cụ thể, từ đó nhằm đạt được những mục đích nhất định hay nói cách khác với từng đối tượng khác nhau ta có những phương pháp khác nhau Không có PPDH nào là tối ưu là thống trị trong suốt quá trình dạy học mà mỗi phương pháp dạy học đều có ưu điểm và nhược điểm riêng:

* PPDH dùng lời:

- Ưu điểm: +Truyền thụ lượng thông tin lớn trong thời gian ngắn

+ Phát triển tư duy trừu tượng

- Nhược điểm: + Lĩnh hội khó

+ Không phát triển được kinh nghiệm của học sinh, sinh viên

* PPDH trực quan:

- Ưu điểm: + Nâng cao hiệu quả dạy học nhờ có biểu tượng rõ ràng

+ Phát triển tư duy trực quan hình tượng, trí nhớ

- Nhược điểm: + Giáo viên cần nhiều thời gian để chuẩn bị bài học

+ Phát triển tư duy trừu tượng kém

* PPDH thực hành:

- Ưu điểm: + Hình thành kỹ năng, kỹ xảo lao động

+ Củng cố mối liên hệ lý thuyết và thực tiễn

+ Hiệu suất hứng thú, nhớ lâu

- Nhược điểm: + Cần nhiều thời gian để chuẩn bị bài học, cần thiết bị, vật tư

+ Mất nhiều thời gian trên lớp

- Ưu điểm: + Cá nhân hóa việc lĩnh hội kiến thức

+ Kiểm tra thường xuyên quá trình lĩnh hội

+ Điều khiển hợp lý và nhanh chóng quá trình lĩnh hội

- Nhược điểm:+ Thời gian cần nhiều hơn so với phương pháp giảng giải minh họa

+ Hạn chế tính giáo dục của bài học + Hạn chế việc phát triển tư duy độc lập kỹ năng tìm tòi nghiên cứu

* PPDH nêu vấn đề:

- Ưu điểm: + Phát triển kỹ năng hoạt động nhận thức sáng tạo, kỹ năng nắm kiến

thức độc lập + Có thể sử dụng khi kiến thức không hoàn toàn mới và phát triển một

cách lô gic những cái đã biết

+ Có thể sử dụng khi học sinh nắm được nội dung bằng hoạt động độc

lập

- Nhược điểm: + Cần nhiều thời gian, không dùng được khi rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo

thực hành + Khi tài liệu khó quá, không thể độc lập nghiên cứu được

* Làm việc độc lập của HS-SV:

- Ưu điểm: + Hình thành năng lực làm việc độc lập

+ Biến kiến thức thành niềm tin + Rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo thực hành + Phát triển ý trí

- Nhược điểm: + Phải tính đến sự hướng dẫn của giáo viên trước những vấn đề phức tạp

+ Tốc độ dạy học chậm

1.2 Phương pháp mô phỏng trong dạy học

Trong quá trình dạy học, việc sử dụng các phương tiện trực quan chính là tái tạo ra quá trình nhận thức cảm tính nảy sinh do kết quả của các tác động trực tiếp của sự vật hiện tượng lên các giác quan của con người giúp người học quan sát và thu nhận thông tin về những mặt, những thuộc tính, những mối liên hệ của sự vật

Việc lựa chọn phương pháp dạy học nhằm đạt được hiệu quả trong giảng dạy luôn đòi hỏi người giáo viên phải dày công nghiên cứu trên những cơ sở khoa học cũng như những phân tích cụ thể của bài học, đối tượng tiếp thu, điều kiện cơ sở vật chất (điều kiện chủ quan và điều kiện khách quan của quá trình dạy học) trong mối quan hệ biện chứng giữa chúng với nhau:

- Mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung của bài học

- Khả năng của các phương pháp dạy học cụ thể

- Đặc điểm người học

- Năng lực của giáo viên

- Tình hình trang thiết bị dạy học

- Thời gian

1.2.1 Mô phỏng và phương pháp dạy học mô phỏng

Mô phỏng (Simulation)

Mô phỏng có thể hiểu là Quá trình thực nghiệm quan sát được và điều khiển được

từ đó cho những kết quả thông qua mô hình của đối tượng khảo sát

Mô phỏng được bắt đầu từ việc chú ý 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 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

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, đây là phương pháp dạy học có hiệu quả cao về nhiều mặt như trực quan, sinh động, gây hứng thú học tập và nghiên cứu, phát huy tư duy sáng tạo…

Sơ đồ quá trình mô phỏng

Đối tượng

(3)

(2) (1)

Phương pháp mô phỏng tiến hành theo ba bước:

(1) Mô hình hoá: Từ mục đích nghiên cứu, cần xác định, lựa chọn một số tính chất và

mối quan hệ chính của đối tượng nghiên cứu đồng thời loại bỏ những tính chất và mối quan hệ thứ yếu để xây dựng mô hình

(2) Nghiên cứu mô hình (tính toán thực nghiệm…) để rút ra những hệ quả lý thuyết, kết luận về đối tượng nghiên cứu

(3) Đối chiếu kết quả thu được trên mô hình với kết quả thực tiễn đồng thời xét tính hợp thức của mô hình Trong trường hợp kết quả không phù hợp với thực tiễn phải chọn lại mô hình

1.2.2 Mô hình và phương tiện trong dạy học mô phỏng

Mô hình (Model)

Khái niệm: " Mô hình 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 đối tượng được mô hình hoá hay nguyên hình) với mục đích nhận thức, làm đối tượng quan sát thay cho

nguyên hình hoặc làm đối tượng nghiên cứu về nguyên hình”

Phân loại:

Sơ đồ phân loại mô hình theo tính chất của mô hình

Phương tiện trong dạy học mô phỏng

- Khái niệm phương tiện

Phương tiện được hiểu là một người hoặc một vật trung gian hay một công cụ trung gian để thực hiện giao tiếp Người gửi thông tin cần sử dụng một phương tiện để

MH động lực học

MH vật lý

MH cấu trúc

MH hệ thức

MH tương

tự

MH đồng dạng

truyền tải thông tin, còn người nhận cũng phải sử dụng phương tiện để nhận và hiểu được thông tin từ người gửi

- Vai trò phương tiện

Trong các mô hình mới về dạy và học, phương tiện dạy học chiếm một vị trí khá quan trọng Trong mô hình lý luận dạy học theo lý thuyết học tập (Lerntheoretische Didaktik) của Heimann và Schulz (Didaktik der beruflichen Aus – und Wieterbildung WS2000 Hanno Host, Merkblatter) ta có:

Mô hình dạy học theo Heiman

Trong mô hình dạy học của Frank Wolfgang Ihber, Vorlesung: Bildungstechnologie

WS2000 ta có:

Mô hình dạy học theo Frank

Phương pháp Phương tiện

Điều kiện con người Điều kiện văn hoá – xã hội

Phương pháp Nội dung

Như vậy có thể nói vai trò của phương tiện dạy học là sự trợ giúp người giáo viên

trong việc giới thiệu kiến thức, trong việc điều khiển hoạt động học tập của học viên,

được thể hiện trong hình vẽ:

Vai trò của phương tiện dạy học trong tam giác quan hệ

Chức năng phương tiện

- Truyền đạt nội dung học tập

Cách truyền đạt nội dung học tập sơ khai nhất là sử dụng các đối tượng thực, ví

dụ như cây cối, hay việc thao tác mẫu, như trong các giờ học rèn luyện kỹ năng kỹ xảo:

Giáo viên làm trước, học viên làm theo Tuy nhiên nhiều lý do mà không thể, không

cần hay không nên đưa các đối tượng thực vào giờ học, khi đó người ta phải sử dụng

đến các phương tiện dạy học như tranh ảnh, chữ viết miêu tả, băng từ hay phim ảnh…

Phương tiện dạy học sử dụng trong các trường hợp này càng gần, giống như vật thật

càng tốt, nó có thể là hình ảnh thu nhỏ của vật ấy hay những mô tả chi tiết bằng ngôn

ngữ Chẳng hạn, khi dạy về một loại máy ngoài việc sử dụng sơ đồ cấu tạo bên trong ta

cũng phải chú ý đến tranh ảnh mô tả hình dáng bên ngoài hay các chi tiết của máy

- Điều khiển giờ học

Sự giới thiệu nội dung học tập thuần tuý, ví dụ như những nội dung được trình bày

trong một cuốn từ điển, không thể coi là một giờ học Vì thế ngoài việc giới thiệu nội

dung thì phương tiện dạy học còn có nhiệm vụ điều khiển Người giáo viên cần chiếm

được sự chú ý của học viên và hướng sự chú ý đó đến trọng tâm bài giảng, để cho việc

học tập đạt được mục đích đề ra

Phương tiện dạy học phục vụ cho bài giảng trực quan, tạo hứng thú học tập cho học

viên, làm cho nội dung trở nên sống động Phương tiện dạy học tác động lên nhiều giác

quan, tạo sự tập trung và sẵn sàng học cái mới của học viên, thúc đẩy động cơ học tập

Rất nhiều công việc mà giáo viên tự mình không thể làm được nếu không có phương

tiện

Phương tiện cũng có thể tác dụng ngược đối với quá trình dạy học nếu như việc sử

dụng chúng không hợp lý, đơn điệu hoặc quá nhiều

Nguyên tắc sử dụng phương tiện trong dạy học

- Nguyên tắc đơn giản

Quá trình đơn giản hoá một mệnh đề khoa học là một quá trình chuyển hoá một mệnh đề phức tạp, mô tả nhiều đặc điểm đặc biệt của sự vật hiện tượng thành mệnh đề khái quát, mô tả những đặc điểm chung nhất của các sự vật hiện tượng mà vẫn giữ nguyên tính đúng đắn về khoa học Quá trình đơn giản hoá có thể tiến hành bằng cách:

+ Loại bỏ những thành phần thứ yếu trong mệnh đề

+ Thay thế những đặc điểm riêng bằng một khái niệm ngoại diên

- Nguyên tắc trực quan

Đối tượng nghiên cứu của khoa học kỹ thuật là các vật phẩm kỹ thuật, các quá trình

kỹ thuật và các thao tác kỹ thuật Với đối tượng nghiên cứu như vậy, nội dung môn học

kỹ thuật vừa mang tính cụ thể, vừa mang tính trừu tượng: tính cụ thể thể hiện ở nội dung của nó nghiên cứu các vật phẩm kỹ thuật và thao tác kỹ thuật cụ thể; tính trừu tượng được phản ánh trong hệ thống các khái niệm kỹ thuật, các nguyên lý và quá trình

kỹ thuật mà học sinh không trực tiếp tri giác, cảm giác được Do đó, trong dạy học kỹ thuật, nguyên tắc đảm bảo sự thống nhất giữa cái cụ thể và cái trừu tượng là rất quan trọng

Trực quan là một tính chất của các hình ảnh chủ quan Các quá trình kỹ thuật diễn ra quanh ta rất phong phú, đa dạng Để học sinh hiểu rõ các quá trình này, người ta phải tìm cách trực quan hoá chúng bằng các phương tiện trực quan tĩnh và trực quan động

1.2.3 Phương pháp mô phỏng với sự trợ giúp của máy tính (mô phỏng số)

- Khái niệm:

Bản chất là xây dựng một số mô hình số đại diện cho đối tượng cần nghiên cứu sau

đó người ta tiến hành các thực nghiệm trên mô hình, kết quả nhận được trên mô hình cần hợp thức với nguyên hình

- Quá trình mô phỏng số: Quá trình mô phỏng số được biểu diễn như sau:

Quá trình mô phỏng số

Những bước chính của quá trình mô phỏng số bao gồm:

Đối tượng cần nghiên cứu

Kết quả Thử nghiệm và so sánh

Mô hình hóa trên máy tính

Mô hình nguyên lý

+ Từ mục đích nghiên cứu ta thu thập các thông tin, dữ liệu cần thiết của đối tượng

và các yếu tố tác động (môi trường), trên cơ sở đó xây dựng mô hình nguyên lý (phản ánh bản chất của đối tượng nghiên cứu)

+ Mô hình hóa trên máy tính: tiến hành vẽ thiết kế để xây dựng mô hình trên máy tính và lập trình/tạo hiệu ứng chạy trên máy tính (quan hệ lắp ghép, điều chỉnh…) + Lập kế hoạch thực nghiệm (số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏng), hiệu chỉnh kế hoạch thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu

+ Thử nghiệm xem mô hình có phản ánh đúng các đặc tính của đối tượng không Nếu cần, phải sửa chữa lại các lỗi Sau khi thử nghiệm, nếu mô hình trên máy tính không đạt cần phải xây dựng lại mô hình nguyên lý

- Trong dạy học kỹ thuật, khi sử dụng các chương trình mô phỏng cần cân nhắc một

số điểm sau:

+ Không thể sử dụng mô hình thay thế hoàn toàn nguyên hình Trước hoặc sau khi sử dụng mô hình cần có sự liên hệ với đối tượng thực Chỉ có sự kết hợp hiệu quả giữa mô hình - vật thực mới phát huy được kỹ năng - kỹ xảo cần thiết cho người học Ví dụ các cảm giác về khối lượng, kích thước, gia tốc…

+ Việc tạo và sử dụng mô hình cần có sự lựa chọn và có chủ ý (tính chủ quan), tuỳ thuộc vào mục đích dạy học mà tạo ra những mô hình thích hợp

+ Chú ý tính tương thích của mô hình với nguyên hình Trong khi nghiên cứu, các kết quả thu được trên mô hình phải có khả năng chuyển thành các kết luận về nguyên hình Trong quá trình dạy học, vấn đề đặt ra là các kết quả thu được trên mô hình mang một ý nghĩa truyền đạt nội dung học tập nào đó về nguyên hình

+ Mô hình trên máy tính không phải luôn luôn đúng với thực tế do tính lý tưởng của

mô hình tương đối cao Vì vậy phải thận trọng khi sử dụng các kết quả từ mô hình, không tuyệt đối hoá mô hình trên máy tính

2 Thực trạng của việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng trong dạy học 2.1 Trên thế giới

Mô phỏng số đã được nghiên cứu, triển khai tại nhiều nước trên thế giới Chắc chắn rằng, công nghệ này sẽ được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong tương lai

“Cũng như đầu máy hơi nước, điện thoại và truyền hình, mô phỏng số là một kỹ thuật bắn thẳng chúng ta tới phía trước và có thể tạo nên nhiều đổi thay trọng đại”

Trên Internet, một số trang web đã giới thiệu các bài thí nghiệm, thực hành ảo, theo đó bất cứ ai truy cập vào các website đó đều thao tác được với các bài thí nghiệm, thực hành đã được chuẩn bị sẵn Ví dụ như:

Về lĩnh vực cơ học (Mechanics): Súng phóng (The Cannon); động năng (Kinetic energy); ma sát, lực và các mặt nghiêng (Friction, Forces and Inclined Planes)

Về lĩnh vực nhiệt động lực học (Thermodynamics): Định lý về khí lý tưởng (Ideal Gas Law), sự cân bằng nhiệt động lực học (thermodynamic Equilibrium), sự phân bố vận tốc Maxwell (Maxwellia Velocity Distribution)

Về vật lý thiên văn (Astrophysics): Quang kế thiên hà (Galaxy Photometery), định luật Hubble và kích thước thiên hà (Galaxy Sizes and Hubble Law)

Về điện học: Định luật ôm (Ohms law) Ví dụ thí nghiệm về định luật ôm được thể hiện bằng cách thiết lập mạch điện điều khiển một bóng đèn ảo với sự kết hợp khác nhau giữa các cặp giá trị của hiệu điện thế và điện trở

Những ví dụ về các bài mô phỏng, thực hành ảo đề cập ở trên cho phép khẳng định vai trò quan trọng của nó trong dạy học

2.2 Tại Việt Nam

2.2.1 Một số văn bản chỉ đạo, hướng dẫn

Trong những năm qua với sự hội nhập quốc tế và phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, việc nghiên cứu và áp dụng các ứng dụng công nghệ thông tin được các

ngành, các cấp quan tâm và chỉ đạo thực hiện

Bộ Giáo dục Đào tạo đã có công văn số: 9886/BGDĐT-CNTT ngày 11/11 /2008

về việc Hướng dẫn thực hiện nhiệm vụ CNTT năm học 2009 – 2010 Theo công văn, một trong những nhiệm vụ trọng tâm năm học là tiếp tục triển khai nhiệm vụ CNTT theo Chỉ thị số 55/2008/CT-BGDĐT ngày 30/9/2008 của Bộ trưởng Bộ GDĐT về tăng cường giảng dạy, đào tạo và ứng dụng công nghệ thông tin trong ngành giáo dục giai

đoạn 2008-2012 Cụ thể là : ’’ ứng dụng CNTT và đào tạo nguồn nhân lực CNTT là công tác thường xuyên và lâu dài của ngành giáo dục, tiếp tục phát huy các kết quả đạt được của "Năm học đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin" “ triển khai thực hiện nhiệm vụ CNTT năm học 2009 – 2010 nhằm đẩy mạnh việc đổi mới phương pháp giảng dạy, học tập và ứng dụng CNTT một cách thiết thực và hiệu quả trong công tác quản lý của nhà trường và công tác đào tạo nguồn nhân lực về CNTT’’

Chỉ thị số 55/2008/CT-BGDĐT ngày 30/9/2008 của Bộ trưởng Bộ GDĐT về tăng cường giảng dạy, đào tạo và ứng dụng công nghệ thông tin trong ngành giáo dục giai đoạn 2008-2012 Cụ thể là :

‘’ Triển khai áp dụng CNTT trong dạy và học, hỗ trợ đổi mới phương pháp giảng dạy, tích hợp ứng dụng CNTT ngay trong mỗi môn học một cách hiệu quả và sáng tạo ở những nơi có điều kiện thiết bị tin học.’’;

‘’ Khuyến khích giáo viên, giảng viên soạn bài trình chiếu, bài giảng điện tử và giáo án trên máy tính’’

‘’ Việc hỗ trợ đổi mới phương pháp giảng dạy bằng ứng dụng CNTT phải được thực hiện một cách hợp lý, tránh lạm dụng, tránh bệnh hình thức chỉ ứng dụng CNTT tại một số giờ giảng trong cuộc thi, trong khi không áp dụng trong thực tế hàng ngày.’’

2.2.2 Tình hình nghiên cứu mô hình mô phỏng

Việc áp dụng mô phỏng vào trong giáo dục đào tạo đã được rất nhiều trường quan tâm, tìm hiểu nghiên cứu và đã đạt được thành quả nhất định Cụ thể là:

Trường Đại học công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh đã tạo một số mô hình mô phỏng cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong

Vụ giáo dục quốc phòng – Bộ Giáo dục Đào tạo, đã xây dựng một số mô hình mô phỏng về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số vũ khí thông thường phục vụ cho giáo dục quốc phòng

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã ứng dụng phần mền MATLAB/SIMULINK, PSIM và LabVIEW… trong lĩnh vực điện tử để thiết kế mô

phỏng mạch điều khiển tự động ổn định các quá trình sản xuất

Tuy nhiên qua tìm hiểu thông tin cho thấy chưa có cơ sở nào sử dụng các phần mềm chuyên dụng mô phỏng hoàn chỉnh bộ biến tần ứng dụng vào đào tạo

2.2.3 Kết quả khảo sát

Qua khảo sát láy ý kiến của giáo viên, cán bộ quản lý đào tạo một số trường (ĐHCN Hà Nội, Cao đẳng CN Việt Hung, Cao đẳng CN Thái Nguyên, Cao đẳng Cơ khí Luyện kim, Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức, Cao đẳng Công nghệ và Kinh tế Thái nguyên) đã thu được những thông tin như sau:

1 Tính cấp thiết phải sử dụng phần mềm mô phỏng, mô hình dàn trải để mô tả hoạt động của bộ biến tần vào bài giảng:

Rất cần thiết (58,3%); Cần thiết (41,7%); Chưa cần thiết (0%)

2 Việc xây dựng các bài giảng có mô phỏng , mô hình dàn trải tại các trường:

Khả thi(61,7%); Có thể khả thi (38,3%); Khó khả thi (0%); Không khả thi (0%);

5 Khả năng phát huy tư duy sáng tạo của học sinh, sinh viên trong giờ giảng có mô phỏng , mô hình dàn trải :

Phát huy cao độ (98,3%) ; Ít phát huy (1,7%) ;Không phát huy (0 %)

6 Khả năng ghi nhớ kiến thức cuả học sinh, sinh viên trong giờ giảng có mô phỏng ,

mô hình dàn trải;

Dễ ghi nhớ(100 %); Khó ghi nhớ(0%); Không ghi nhớ được (0%);

Kết quả trên cho thấy việc ứng dụng các bài giảng có mô phỏng, mô hình dàn trải trong giảng dạy tại các trường là rất cấp thiết, tính khả thi cao, có tầm quan trọng và lợi

ích to lớn Đây là cơ sở thực tiễn xác đáng cho việc xây dựng mô phỏng, mô hình dàn

trải bộ biến tần áp dụng vào đào tạo tại các trường cao đẳng công nghiệp nói chung và trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức nói riêng

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÀN TRẢI, MÔ PHỎNG BỘ BIẾN TẦN

1 Các yếu tố xây dựng mô hình dàn trải, mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ công tác đào tạo tại trường CĐCN Việt Đức

Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức cũng như các trường Cao đẳng Công nghiệp thuộc Bộ Công Thương quản lý đều có đặc điểm chung là tiền thân từ các

trường công nhân và trung cấp kỹ thuật (trường Công nhân kỹ thuật Việt Đức 1998); năm 1998 trường Trung học Công nghiệp Việt Đức; Năm 2006 trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức) Vì vậy bậc đào tạo rất đa dạng : đào tạo bồi dưỡng nguồn

(1973-nhân lực có trình độ kỹ thuật viên cao đẳng, trung cấp chuyên nghiệp, trung cấp nghề, cao đẳng nghề, sơ cấp nghề ; ngành nghề đào tạo cũng rất phong phú : điện, cơ điện tử, công nghệ thông tin, kinh tế, cơ khí Hầu hết các trường đều đào tạo các ngành, nghề thuộc lĩnh vực Điện như : Công nghệ kỹ thuật điện, Điện kỹ thuật, Điện dân dụng và công nghiệp

Với đặc điểm chung đó, đề tài mặc dù chỉ nghiên cứu ứng dụng phần mềm chuyên dùng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần nhưng có thể phục vụ cho đào tạo trình độ cử nhân cao đẳng, cao đẳng nghề, trung cấp nghề thuộc lĩnh vực Điện, điện tử trong các trường cao đẳng công nghiệp

Để xây dựng mô hình dàn trải và mô phỏng bộ biến tần cần dựa vào các yếu tố sau:

1.1 Chương trình đào tạo :

Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức thực hiện chức năng, nhiệm vụ theo quyết định số 1005/2006/QĐ-BCN ngày 17/04/2006 của Bộ Công nghiệp: Đào tạo bồi dưỡng nguồn nhân lực có trình độ cao đẳng kỹ thuật và các trình độ thấp hơn Hiện nay trường đang đào tạo các bậc trình độ và các ngành, nghề sau :

Trình độ cử nhân cao đẳng gồm các chuyên ngành chủ yếu: Công nghệ kỹ thuật điện, cao đẳng công nghệ kỹ thuật cơ khí, công nghệ ô tô, tin học ứng dụng, cơ điện tử,

Chương trình đào tạo các bậc cao đẳng chuyên nghiệp, trung cấp nghề, cao đẳng nghề của trường được xây dựng từ chương trình khung của Bộ GDĐT và Bộ LĐTBXH nên có sự tương đồng với các trường khác Vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu một số

chương trình môn học, mô đun đào tạo điển hình để làm cơ sở thực hiện (Phụ lục 1)

1.2 Đội ngũ giáo viên

Tổng số giáo viên của trường hiện nay là 203/338 Cán bộ-Công nhân viên, chiếm

tỉ lệ gần 86% 100% giáo viên đạt chuẩn về trình độ chuyên môn, nghiệp vụ sư phạm đáp ứng được công tác giảng dạy trong nhà trường, trong đó có 01 Tiến sĩ, 03 đang là NCS, 89 trình độ thạc sĩ còn lại là trình độ đại học Đội ngũ cán bộ quản lý đào tạo có thâm niên công tác, kinh nghiệm trong công tác quản lý Trình độ của đội ngũ giáo viên nhà trường là cơ sở và điều kiện phù hợp cho việc xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần áp dụng vào giảng dạy tại nhà trường

BẢNG TỔNG HỢP ĐỘI NGŨ GIẢNG VIÊN, CÁN BỘ QUẢN LÝ, NHÂN VIÊN

(Theo nội dung công khai đội ngũ cán bộ, giáo viên tại thời điểm 09/07/2012)

Chức danh Trình độ đào tạo Nội dung Tổng

số

Giáo

sư

Phó Giáo

Cao đẳng

Khoa Công nghệ thông tin 15 6 9

Tổ môn Giáo dục thể chất 7 7

Cán bộ quản lý, nhân viên 135 32 74 1 28

(Nguồn: Báo cáo số 222/CĐCNVĐ ngày 09/07/2012 “Báo cáo tổng kết năm học

2011-2012 và phương hướng nhiệm vụ năm học 2011-2012-2013” gửi Bộ Công thương)

Nhận xét: Với đội ngũ giáo viên có trình độ Tiến sĩ, thạc sĩ chiếm tỷ lệ cao (44%) với

chuyên ngành đa dạng như: Kỹ thuật Điện, kỹ thuật cơ khí, khoa học giáo dục, công

nghệ thông tin Đây là điều kiện thuận lợi để thực hiện và ứng dụng đề tài

1.3 Điều kiện cơ sở vật chất

Được xây dựng trên mặt bằng trên 13,2 ha với qui mô đào trên 4000 học

sinh-sinh viên, hiện nay nhà trường có 11 khoa và 3 tô môn, trung tâm:

- Khoa khoa học cơ bản

- Khoa công nghệ chế tạo máy

- Khoa nguội SCTBCN

- Khoa cơ khí động lực

- Khoa cơ khí cắt gọt

- Khoa cơ khí kết cấu

- Khoa điện-điện tử-điện lạnh

- Khoa kinh tế và quản lý

- Khoa sư phạm dạy nghề

- Khoa tại chức-đào tạo liên kết

- Trung tâm lái xe ô tô

- Trung tâm ngoại ngữ

- Tổ giáo dục thể chất

Được sự quan tâm, đầu tư cơ sở vật chất của Bộ Công Thương cũng với sự cố gắng

phấn đấu của thày và trò nhà trường trên chặng đường gần 40 năm xây dựng và phát

triển Nhà trường ngày càng khang trang hơn, cơ sở vật chất phục vụ cho đào tạo ngày

càng hiện đại và đầy đủ hơn (xem bảng tổng hợp dưới đây)

BẢNG TỔNG HỢP CÁC ĐIỀU KIỆN, CƠ SỞ VẬT CHẤT

I Diện tích đất đai tại cơ sở đào tạo quản lý sử

VII Phòng học ngoại ngữ

3 Thiết bị đào tạo ngoại ngữ chuyên dùng Thiết bị 60

VIII Thư viện

XI Ký túc xá thuộc cơ sở đào tạo quản lý

1 Số sinh viên ở trong ký túc xá S.viên 548

XII Diện tích nhà ăn sinh viên thuộc cơ sở đào tạo

quản lý

XIII Diện tích sân vận động m2 8000

(Nguồn: Báo cáo số 222/CĐCNVĐ ngày 09/07/2012 “Báo cáo tổng kết năm học

2011-2012 và phương hướng nhiệm vụ năm học 2011-2012-2013” gửi Bộ Công thương)

Nhận xét: Kết quả phân tích trên cho thấy các ngành nghề đào tạo đa dạng, thiết bị

phục vụ cho đào tạo nói chung và để thực hiện đề tài nói riêng (xưởng thực hành nghề nguội sửa chữa máy công cụ, nghề cắt gọt kim loại, phòng học và máy tính ) đảm bảo

đủ phục vụ cho đào tạo Đây là điều kiện thuận lợi để thực hiện và ứng dụng đề tài tại trường

1.4 Trình độ học sinh-sinh viên

Trình độ học sinh – sinh viên được tuyển sinh hàng năm đều có chất lượng tương đối cao, tốt nghiệp trung học phổ thông thông qua tuyển sinh và nguyện vọng 2 của các trường đại học và cao đẳng trong cả nước (đối với bậc đào tạo cao đẳng chuyên nghiệp) Hầu hết học sinh-sinh viên học trung cấp nghề, cao đẳng nghề đều tốt nghiệp trung học phổ thông, số ít tốt nghiệp trung học cơ sở được học thêm các môn văn hóa theo qui định của Bộ Giáo dục & Đào tạo Đa số học sinh-sinh viên đều có động cơ học tập tốt và có ý thức nghề nghiệp ngay từ ngày đầu học tập; đặc biệt trong giờ học học sinh-sinh viên đều hăng hái tham gia với ý thức cao và luôn tìm tòi nghiên cứu, luyện tập hình thành kỹ năng ứng dụng, liên hệ với trong đời sống thực tiễn

Với trình độ học sinh – sinh viên ở trên rất thuận lợi cho việc lĩnh hội kiến thức cũng như phát triển tư duy sáng tạo là yếu tố thuận lợi cho việc xây dựng mô phỏng qúa trình hoạt động của bộ biến tần phục vụ cho đào tạo tại trường

2 Nguyên tắc xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần

2.1 Phù hợp với mục tiêu, nội dung học phần/môn học/mô đun

Một chương trình mô phỏng được xây dựng phải có nội dung phản ánh phù hợp với mục tiêu chương trình, nội dung bài giảng nhằm làm sáng tỏ lý thuyết, từ đó hình thành nên kỹ năng cần thiết cho người học Không tuân thủ điều kiện này chương trình

mô phỏng có thể không sát với lý thuyết bài học, xa rời trọng tâm bài học hoặc không phù hợp với đối tượng học tập dẫn tới khó hiểu, phân tán tập trung suy nghĩ của học sinh-sinh viên

Nội dung mô phỏng cần được xác định phù hợp với tính chất, những thế mạnh của

mô phỏng Cần xác định rằng mô phỏng không thể thay thế hoàn toàn các mô hình thật, tuy nhiên cũng cần khai thác triệt để những chương trình mô phỏng với đối tượng quá phức tạp, khó quan sát, không thực hiện được hoặc chi phí quá cao Đây chính là vai trò hữu ích được ghi nhận cho hình thức mô phỏng

Việc xác định nội dung mô phỏng cần căn cứ kết quả của quá trìmh phân tích cấu trúc, đặc điểm, nội dung, điều kiện thực hiện một cách thận trọng có khoa học

2.2 Tính khả thi

Đơn giản trong sử dụng: Chương trình mô phỏng được xây dựng có thể dành cho giáo viên áp dụng trong khi giảng dạy, thao tác mẫu hoặc cũng có thể do chính học sinh nghiên cứu khai thác sau khi được hướng dẫn cơ bản Do vậy tính đơn giản phải được xét tới trong quá trình xây dựng chương trình mô phỏng Nó được thể hiện ở các khía cạnh :

- Tính đơn giản trong quy trình thực hiện

- Tính đơn giản trong thao tác sử dụng

- Tính đơn giản việc thể hiện kết quả khảo sát

2.3 Tính hiệu quả

Mô phỏng số là quá trình xây dựng mô hình thông qua các phần mềm máy tính để thay thể cho các mô hình thực nên các mô hình ảo này phải phản ánh chính xác đối tượng trong thực tế thì kết quả thu được khi tác động lên nó càng gần với thực tế Do

đó, việc xây dựng mô hình phù hợp với đối tượng của quá trình

3 Công cụ, phương tiện xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần 3.1 Giới thiệu và lựa chọn biến tần, động cơ

Bằng cách sử dụng Biến tần để điều chỉnh tốc độ, các động cơ này có thể được

sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, mà động cơ một tốc độ sẽ không đáp ứng được

3.1.1.1 Phân loại biến tần

* Phân loại biến tần theo cấu tạo: được chia làm hai loại

- Biến tần gián tiếp:

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3 1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy

có tên gọi là biến tần gián tiếp

Ưu điểm và nhược điểm của biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp:

Biến tần trực tiếp: có thể trao đổi năng lượng với điện lưới một cách liên tục nhất

là đối với động cơ công suất lớn và cực lớn từ hàng trăm Kw đến vài Mw

Ngoài ra tổn hao công suất ở biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua một phần tử đóng cắt, không qua hai phần tử và qua khâu trung gian như ở biến tần gián tiếp

Sơ đồ van và quy luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn biết tần gián tiếp

* Phân loại biến tần theo phương pháp điều khiển:

Trên thị trường ngày nay, có 3 loại Biến tần cơ bản:

Hình 3 2: Hình ảnh biến tần của hãng ABB

-Truyền động Vôn/Hz (mạch hở)

-Truyền động Véc-tơ không cảm biến (mạch hở)

-Truyền động Véc-tơ có phản hồi (mạch kín)

Hai loại truyền động Vôn/Hz và truyền động véc tơ không cảm biến được gọi là mạch hở do chúng cung cấp điện cho động cơ, nhưng không có cách nào xác minh rằng các động cơ thực sự đang chạy ở tốc độ mong muốn, điều này chấp nhận được cho các ứng dụng không yêu cầu điều khiển vị trí chính xác hoặc điều chỉnh tốc độ lớn

Loại cuối cùng truyền động véc tơ có phản hồi là thiết bị mạch kín có nghĩa là nó

có khả năng chấp nhận tín hiệu từ thiết bị phản hồi giám sát tốc độ hoặc vị trí của động

cơ Ví dụ: nếu tín hiệu phản hồi cho thấy rằng tốc độ quá thấp hoặc quá cao, biến tần có thể điều chỉnh đầu ra của nó để khắc phục lỗi

* Truyền động Vôn/Hz (mạch hở):

Tần số của dòng xoay chiều được đo bằng chu kỳ trên giây, còn gọi là hertz Ví dụ: 50Hz = 50 chu kỳ/giây

Đây là các bộ truyền động phổ biến sử dụng “bảng tìm kiếm” để xuất ra điện áp

cụ thể phụ thuộc vào tần số đầu ra

Bộ truyền động Vôn/Hz là phù hợp nhất cho các ứng dụng có mô-men xoắn biến thiên với tải thay đổi chậm và có thể dự đoán được Ví dụ: bơm ly tâm, quạt, băng chuyền, máy trộn, máy khuấy, máy rửa công nghiệp, sấy công nghiệp và các tải động hạng nhẹ khác

* Truyền động Véc-tơ không cảm biến (Mạch hở):

Hình 3 5: Truyền động Véc-tơ không cảm biến

Truyền động Véc-tơ không cảm biến có một bộ xử lý PWM (điều biến độ rộng xung quá trình trong đó IGBT bật và tắt rất nhanh tạo ra điện áp một chiều giống sóng dạng sin xoay chiều cho động cơ) giám sát đầu ra dòng điện và điện áp tới động cơ, và điều chỉnh dạng sóng đầu ra để đạt được yêu cầu điều khiển tốc linh hoạt

Mô-men xoắn lớn khi khởi động ở tốc độ thấp (200% ở 0,5Hz) cho phép khởi động tải có lực quán tính cao Thiết kế với thuật toán nâng cao cung cấp khả năng điều khiển về tốc độ bằng không, cộng với vận hành chính xác cho chu kỳ hoạt động và mô-men xoắn nhanh mà không cần phản hồi (trong Biến tần hoặc động cơ, mô-men xoắn tỷ

lệ thuận với dòng điện)

Bằng cách sử dụng bộ vi xử lý và xử lý tín hiệu số, các bộ truyền động có thể nhận biết đặc điểm của động cơ trong khi chạy và tự điều chỉnh với động cơ

Nhờ công nghệ này, điều chỉnh tốc độ được cải thiện lên còn < 1% lỗi

Có thể sử dụng truyền động véc-tơ không cảm biến với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ tốc độ cao tối đa 1000Hz

Truyền động Véc-tơ không cảm biến có thiết bị đầu vào tham chiếu tốc độ và mô-men xoắn riêng Kết hợp điều này với khả năng mô-men khởi động lớn sẽ cải thiện điều chỉnh tốc độ, tự điều chỉnh với động cơ và không cần phản hồi của động cơ

Kết hợp này giúp Truyền động Véc-tơ không cảm biến thích hợp cho tất cả các ứng dụng có mô-men xoắn biến thiên và có hiệu suất từ trung bình đến cao

Tuy nhiên, các bộ truyền động này cũng có một số giới hạn chẳng hạn như hiệu suất động thấp khi tải đột ngột thay đổi Chúng cũng thiếu khả năng giữ động cơ ở tốc

độ bằng không và có thể khó khăn trong việc điều khiển mô-men xoắn vượt quá 2 lần tốc độ cơ bản Kết nối nhiều động cơ sẽ tự động đưa bộ truyền động về chế độ vận hành V/Hz

Các ứng dụng phổ biến cho Truyền động Véc-tơ không cảm biến là máy đúc ép, tời điện, máy tháo tời và dây chuyền công nghệ

* Truyền động Véc-tơ có Thiết bị Phản hồi (mạch kín)

Hình 3 6: Động cơ có phản hồi

Truyền động Véc-tơ có thiết bị phản hồi

Bộ truyền động này hiện là loại Biến tần duy nhất có hiệu suất tương tự hoặc tương đương với Truyền động điện một chiều

Các bộ truyền động này giám sát đầu ra điện áp và dòng điện, cũng như phản hồi

Phản hồi này được dùng để điều chỉnh dạng sóng đầu ra để đạt được điều khiển tốc độ linh hoạt nhất

Vì Truyền động Véc-tơ có thiết bị phản hồi có thể vận hành trong cấu hình mạch kín, nên chúng có thể đạt được mô-men xoắn và hiệu suất vòng lặp tốc độ cực cao

Các bộ truyền động này có thể điều chỉnh vô cấp, mô-men xoắn tối đa ở tốc độ bằng không và phạm vi điều khiển tốc độ rất rộng

Giới hạn của những bộ truyền động này là chúng yêu cầu thiết bị phản hồi và thẻ tùy chọn phản hồi bộ mã hóa cũng như chỉ dùng cho hoạt động của một động cơ Có thể cần đến phần cứng tùy chọn bổ sung để tận dụng các tính năng khác của các bộ truyền động này

Các bộ truyền động này phù hợp nhất cho các ứng dụng hiệu suất cao như trục quay và máy tiện, ứng dụng chuyển đổi, máy đúc ép và các ứng dụng phải dùng truyền động điện một chiều trước đó Các bộ truyền động điện này đang có xu hướng tăng mạnh trong ngành vận chuyển vật liệu

3.1.1.2 Nguyên lý làm việc của biến tần

Gắn bên trong Biến tần là các bộ phận giúp có thể nhận được điện áp đầu vào cố định với tần số cố định và biến điện áp/tần số đó thành điện áp và tần số biến thiên ba pha để điều khiển tốc độ động cơ

Hình 3 7: Nguyên lý làm việc của biến tần

a.Nguyên lý làm việc

Hình 3 8: Cách thức hoạt động của biến tần

Trước tiên, biến tần chuyển đổi điện xoay chiều vào thành điện áp Một chiều sử dụng bộ chỉnh lưu Điện đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định

Tiếp theo, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện Điện áp một chiều này ở mức rất cao

Cuối cùng, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp bộ biến đổi IGBT (IGBT là từ viết tắt của Tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật

và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) của Biến tần sẽ tạo ra một điện

áp xoay chiều ba pha (nghịch lưu) Điện áp và tần số đầu ra biến thiên và thay đổi khi cần tăng hoặc giảm tốc độ của động cơ

Hoạt động của các khối chức năng Biến tần như sau:

* Bộ chỉnh lưu:

Hình 3 9: Bộ chỉnh lưu cầu

Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu diode sóng toàn phần

Bộ chỉnh lưu cầu diode tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó xoay chiều một pha được chuyển đổi thành một chiều Tuy nhiên, cầu diode được sử dụng trong biến tần cũng có thể cấu hình diode bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều

Các diode chỉ cho phép luồng điện theo một hướng, vì vậy cầu diode hướng dòng electron của điện năng từ dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC)

* Tuyến dẫn Một chiều:

Hình 3 10: Tụ điện

Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp một chiều đã chỉnh lưu Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung

Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho động cơ

* IGBT:

(a) (b)

Hình 3.11: (a) IGBT ; (b) Giản đồ tạo xung

Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện

Bằng cách sử dụng điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang

Trong hình 3.11b, sóng hình tam giác biểu thị sóng mang và cung tròn biểu thị một phần sóng dạng sin

Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang,

độ rộng xung có thể thay đổi

PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ

* Bộ điện kháng Xoay chiều:

Hình 3 12:Bộ điện kháng Xoay chiều

Bộ điện kháng được mắc nối tiếp với đầu vào của bộ biến tần nhằm giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều Ngoài ra, bộ điện kháng dòng xoay chiều sẽ giảm mức đỉnh của dòng điện lưới hay nói cách khách là giảm dòng đỉnh nhọn trên tuyến dẫn một chiều Giảm dòng đỉnh nhọn trên tuyến dẫn một chiều sẽ cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn

Bộ điện kháng dòng xoay chiều có thể hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo

vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và xung gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác bằng bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ

* Bộ điện kháng Một chiều:

Hình 3 13: Bộ kháng điện một chiều

Bộ điện kháng một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ biến tần 7,5 kW trở lên Bộ điện kháng một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn bộ điện kháng xoay chiều

Bộ điện kháng một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng đỉnh nhọn không làm hỏng tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho bộ chỉnh lưu

b Phương thức điều khiển

* Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 3 14: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

(vo1 là thành phần sin cơ bản, vi là điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp ra)

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trong đề tài này sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực

Có hai cách thức điều chế cơ bản là:

- Điều chế sin PWM (SPWM)

- Điều chế vectơ không gian (SVPWM)

Điều chế SPWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác Vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn Vc (gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần

số tín hiệu điều khiển Vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3.16 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 3 15: Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3.17 Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu Sin mẫu

Hình 3 16: Nghịch lưu áp ba pha

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hình 3 17: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang:

Trong đó: ma - hệ số điều biến

Vc - biên độ sóng điều khiển

Vtri - biên độ sóng mang Trong vùng tuyến tính (0 < ma< 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01

(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

Đối với điện áp dây là:

Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma< 1) Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển:

Trong đó: mf : hệ số điều chế tỷ số

ftri : tần số sóng mang, bằng tần số PWM

fc : tấn số tín hiệu điều khiển Giá trị của mf được chọn sao cho có giá trị nguyên và lẻ Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp

ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần

số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu Sin chuẩn Vc Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên

Điều chế vectơ không gian (SVPWM)

Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độ rộng xung khác Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như

ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7

Hình 3.19 là sơ đồ nguyên lý đơn giản của phương pháp không gian vector Trong sơ đồ này, trạng thái dẫn của ba chân của biến tần được đại diện bởi ba biến logic, SA, SB và SC Giá tri 1 có nghĩa là việc chuyển đổi lên trên được tiến hành và giá trị 0 có nghĩa là việc chuyển đổi xuống dưới được tiến hành

Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý phương pháp không gian vector

Chuyển đổi của SA, SB, SC tạo ra tám tổ hợp Sáu vectơ hoạt động lệch một góc cách nhau 60 độ và hai vectơ không

3.1.2 1 Động cơ điện không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ hay còn gọi là động cơ dị bộ, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình Chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :

Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo,vận hành an toàn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các thiết bị biến đổi

Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử

Nguyên lý hoạt động

Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau

120o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra momen làm quay thanh dẫn theo chiều quay của từ trường quay

Tốc độ quay của thanh dẫn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua Nếu thanh dẫn quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ không quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn Do mômen cản thanh dẫn sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện

và do đó lại có mômen quay làm thanh dẫn tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc

độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường

Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KĐB) hay động cơ xoay chiều

Hình 3.21: Động cơ xoay chiều

3.1.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ như: Điều tốc độ động cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch Rô to, điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi số đôi cực, các phương pháp thay đổi cách nối dây của cuộn dây, điều khiển tốc độ động

cơ không đồng bộ bằng biến tần Ở đây tác giả chỉ nêu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần

Từ biểu thức:

Ta thấy, tốc độ đồng bộ n1 của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi nếu ta thay đổi tần số lưới điện f1 Do đó tốc độ của động cơ n = n1(1 – S) cũng thay đổi theo

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần

số nguồn điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với ưu điểm gọn nhẹ và dễ điều chỉnh

Bộ biến tần dùng trực tiếp thyristor được dùng trong công nghiệp như điều chỉnh tốc độ trong truyền động chính của các máy mài cao tốc, điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống băng tải

Bộ biến tần dùng máy phát đồng bộ được ứng dụng khi cần điều chỉnh tốc độ đồng thời cho nhiều động cơ

P f

n1 = 60 1

3.1.3 Ứng dụng của biến tần

Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các loại máy móc thiết bị ví dụ như:

Quạt/Bơm Ly tâm, băng chuyền, máy nén khí, máy tháo tời và Tời điện, cần trục và lăng, băng chuyền… ở đây chỉ đưa ra 2 ứng dụng cơ bản của biến tần

Đồng thời, khi nhiều động cơ được sử dụng, tốc độ có thể được đồng bộ và tải có thể được chia sẻ giữa các động cơ

* Cầu trục và Pa-lăng

Hình3.22: Cần trục và pa-lăng

Cần trục là các máy được sử dụng để nâng vật liệu bằng cáp, dây cáp hoặc xích Cần trục sử dụng một thiết bị có tên pa-lăng, trong đó cáp được kéo dài hơn hoặc ngắn hơn bằng cách cuốn cáp xung quanh một trống

Một đầu cáp được gắn vào trống Khi trống được quay theo một hướng, cáp được cuộn xung quanh trống khiến vật được nâng lên

Khi trống quay theo hướng đối diện, cáp được tháo ra và vật được hạ xuống Biến tần có điều khiển định vị, mô-men xoắn và hãm giúp các ứng dụng như cần trục và pa-lăng khả thi bằng cách sử dụng động cơ Xoay chiều

3.2 Khảo sát và lựa chọn phần mềm chuyên dùng để mô phỏng

7 Giao diện đồ họa

MATLAB là tên viết tắt từ “MATrix LABoratory” Như tên của phần mềm cho thấy, phần cốt lõi của phần mềm là dữ liệu được lưu dưới dạng array (ma trận) và các phép tính toán ma trận, giúp việc tính toán trong MATLAB nhanh và thuận tiện hơn so với lập trình trong C hay FORTRAN Đặc biệt, khả năng tính toán của MATLAB có thể dễ dàng được mở rộng thông qua các bộ toolbox Toolbox là tập hợp các hàm MATLAB (M-file) giúp giải quyết một bài toán cụ thể

Matlab là phần mềm phổ cập ở mức độ toàn cầu Ở nước ta hiện nay MATLAB cũng khá quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa Tuy nhiên chỉ từ phiên bản 5.3 của MATLAB mới cho phép thâm nhập vào lĩnh vực điện tử công suất (power electronics) Đây là phần mới bổ sung của ”Power System Blockset” nằm trong phần SIMULINK Trong đó đưa ra mô hình các phần tử bán dẫn là: Tiristor, Diode, GTO, MOSFET, và ideal swicth 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 tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vô hạn), ngoài ra luôn có mạch RC đấu song song Bằng cách ghép từng mô hình theo một sơ đò cụ thể nào đó, có thể thiết lập như một viện các mạch điện tử công suất theo ý muốn (thí dụ mạch chỉnh lưu cầu, hoặc mạch băm xung…) Ngoài ra còn có các mạch điện cần thiết và thông dụng khác để trong các mục Elements, Electricaln Sources, 3- phase Library… Ghép nó với mạch khác quen biết trước đó, như các bộ điều chỉnh PID… ta có thể tiến hành nghiên cứu các thiết bị theo quan điểm hệ thống hoàn chỉnh

Nhìn chung, phần mềm này rất thuận tiện khi nghiên cứu hệ thống tự động dưới dạng các khối chức năng hàm truyền đạt

Một số hình ảnh về thư viện các hàm hỗ trợ trong Matlab

Hình 3.23: Các công cụ hỗ trợ trong Matlab

Hình 3.24: Các chế độ mô phỏng có trong Matlab

Mặc dù hỗ trợ rất tốt các chế độ mô phỏng nhưng Matlab tương đối nặng

3.2.2.Phần mềm TINA (Toolkit for Interactive Network Analysis):

Đây là phần mềm chuyên dụng cho phân tích mạch điện, mạch điện tử dạng tương tự và xung số do các hãng DesignSoft đưa ra thị trường Mạch điện ở đây được xây dưng trên các mô hình phần tử (model) giống như ta lắp mạch điện thực Do tính chuyên dụng của phần mềm này nên TINA chỉ ứng dụng trong lĩnh vực hẹp hơn nhiều

so với MATLAB Tuy nhiên cũng nhờ chuyên dụng mà phần mềm TINA chỉ chiếm 6MB bộ nhớ cứng, trong khi MATLAB chiếm dung lượng không dưới vài trăm MB (nếu đầy đủ trên 1000MB) Phần mềm TINA cài đặt và chạy trên Windows nên sử dụng khá thuận tiện, đó là nhờ thanh công cụ chính luôn được hiển thị trên phía màn hình và thao tác nhanh chóng nhờ sử dụng chuột Ngoài một thanh công cụ tương tự cho Windows như: mở- đóng file, cất file, lựa chọn chế độ phần tử vào mạch hay nối các phần tử với nhau… TINA có thanh công cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm 8 nhóm chức năng: nhóm nguồn, các phần tử cơ bản, đo lường, linh kiện bán dẫn, mạch lặp flip-flop, mạch logic, mạch cổng (sources, basic components, meters, semiconductors, flip-flop, logic IC, gates) Ký hiệu theo quy ước có thể chọn hai chuẩn:

Mỹ (USA) và Châu Âu(EU) Đối với phân tích mạch điển tử công suất (ĐTCS) thì hay dùng nhất là bốn nhóm đầu, trong đó đặc trưng chính thể hiện ở nhóm nguồn và nhóm các phần tử bán dẫn Nhóm nguồn có sẵn các nguồn dòng hay nguồn áp các kiểu khác nhau: một chiều, xoay chiều hình sin, tam giác, hình chữ nhật…và ta cũng có thể thiết lập nguồn theo hình dạng mong muốn đặc biệt còn có các nguồn phụ thuộc rất cần thiết trong khi mô phỏng các phần tử bán dẫn: nguồn điện áp phụ thuộc vào dòng điện U(I), nguồn điện áp phụ thuộc vào điện áp U(U); tượng tự là nguồn dòng phụ thuộc I(U), I(I) Nhóm quan trọng hơn cả là mô hình các linh kiện bán dẫn: diode, transitors, thyristor, triac

Điểm khác biệt của các mô hình trong TINA so với mô hình cùng loại trong phần mềm MATLAB/SIMULINK là ở đây chúng xây dựng theo bản chất hoạt động vật

lý bán dẫn thể hiện bằng phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mô hình mô phỏng sát với 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 về tham số của nó, điều này không phải lúc nào cũng biết được Để dễ dàng hơn 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 tạo cung cấp vi dụ: thyristor có hơn 200 loại, BT có hơn 300 loại … Tuy nhiên trong thực tế, khi chỉ dừng lại ở mức độ phân tích nguyên lý các mạch điện tử công suất mới gặp, hoặc thiết kế riêng thì chỉ cần thay đổi vài thông số cơ bản là đủ tiến hành mô phỏng, không nhất thiết máy móc đưa vào tất cả các tham số của linh kiện được chọn

TINA có thể tiến hành phân tích mạch theo nhiều kiểu khác nhau với mạch tương tự thường phân tích ở chế độ một chiều hay xoay chiều cho phép tính toán điện

áp các điểm nút, xác định các đặc tính hàm truyền hai cửa (đặc tính biên độ, pha, trễ,…) tính toán hệ số Fourier, hệ số méo (tín hiệu tuần hoàn) hay phổ fourier (tín hiệu phi chu kỳ)… với mạch xung – số, chương trình sẽ giải phương trình trạng thái và hiển thị kết quả, đặc biệt cho phép kiểm tra mạch theo từng bước tác động của logic

Với lĩnh vực điện tử công suất, thường sử dụng kiểu phân tích chế độ động (transient analysis) mà kết quả hiển thị bằng các đồ thị theo thời gian của các đại lượng điện cơ bản U(t), I(t), P(t) của mạch Do đặc điểm của mạch điện tử công suất, ngoài mạch lực với dòng điện lớn, còn có phần điều khiển với tín hiệu ra rất nhỏ, nên việc đặt các tham số cho chương trình tính toán có ảnh hưởng khá lớn đến độ hội tụ của phép nội suy, cũng như đến thời gian tính Với các mạch điều khiển phức tạp, thí dụ như điều

khiển chỉnh lưu ba pha sơ đồ cầu, thời gian chạy chương trình rất lâu, vì vậy nên sử dụng một số thủ thuật để đơn giản bớt mạch, không nên máy móc lập mạch điều khiển hoàn toàn như mạch nguyên lý Cũng có thể tách riêng hai phần điều khiển và mạch lực nếu cần phân tích chi tiết từng phần một, khi cần ghép vào với nhau nên chuyển sang dùng sơ đồ điều khiển tương đương Như vậy, khi cần phân tích mạch điện tử công suất

ở khía cạnh hệ thống, nhất là khi có nhiều mạch vòng thì TINA không mạnh và cũng không thuận tiện bằng MATLAB/SIMULINK, tốc độ tính toán cũng thua kém nhiều

3.2.3.Phần mềm chuyên dụng PSPICE (Power Simulation Program with Intergrated Circuit Emphases):

PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện – điện tử chạy trên máy PC của trường đại học tổng hợp California ở Berkeley sang tạo ra Và được thương mại hóa nhờ công ty McroSim Hiện nay PSPICE được xem là một trong nhưng phần mềm mô phỏng mạch điện – điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới Có thể nói rằng trong lĩnh vực mô phỏng mạch điện tử, PSPICE cũng thông dụng như MATLAB trong mô phỏng

hệ thống tự động Phần mềm này cho phép người dùng tự thiết lập mô hình phần tử của mình theo định hướng nghiên cứu riêng, mở ra khả năng rộng lớn cho các chuyên gia trong lĩnh vực điện tử công suất

Phiên bản gốc của PSPICE chạy trên môi trường DOS, tuy nhiên để thuận tiện cho người sử dụng và thích ứng với các PC của hệ điều hành Windows, MicroSim cho

ra phiên bản PSPICE mới Release 8 Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn cơ bản trong thiết kế chế tạo mạch điện tử: xây dựng nguyên lý, mô phỏng, chuyển mạch nguyên lý sang mạch in, đổ sang máy để làm mạch in,… Đương nhiên các file soạn thảo PSPICE trong DOS vẫn chạy bình thường trong Windows vì chương trình mô phỏng gốc vẫn là DOS

Thư viện của PSPICE rất lớn, đến hàng chục nghìn linh kiện điện tử, bóng bán dẫn, vi mạch IC của rất nhiều hãng trên thê giới, vì vậy rất thuận lợi khi thiết kế hay khảo sát mạch sử dụng các linh kiện đã có trong thư viện Tuy nhiên không phải tất cả các phần tử đều có sẵn, nhất là các phần tử bán dẫn công suất lớn hay phần tử kiểu mới

Vì vậy cần phải xây dựng các mô hình riêng và thiết lập thư viện riêng cho mục đích của mình

Chương trình mô phỏng trong PSPICE được thiết lập trong một file có tên phần

mở rộng là *.cir(viết tắt của circuit) Tương tự như các ngôn ngữ lập trình khác, file này phải tuân theo một số thủ tục nhất định như: dòng đầu tiên là tên chương trình, kết thúc chương trình phải là ” END”, phải có các lệnh về phân tích mạch… Trước khi chương trình được chạy, file *.cir này sẽ kiểm tra lỗi và đưa ra thông báo ở file *.out Cấu trúc chương trình sẽ sáng sủa hơn mếu mô hình phần tử mới được thiết lập dưới dạng các mạch con (subcircuit) và cất sẵn trong thư viện, bây giờ chương trình chỉ cần gọi tên các subcircuit là đủ, điều này rất thuận tiện khi trong một mạch khảo sát chứa nhiều phần tử có mô hình như nhau Giống như TINA, trong PSPICE có sẵn rất nhiều loại nguồn điện để người khảo sát sử dụng (nguồn điện áp nguồn điên một chiều, nguồn hình sin, dạng sóng theo hàm mũ, nguồn xung, nguồn điện áp nhiều đoạn tuyến tính; nguồn tín hiệu điều chế tần số)và 4 nguồn phụ thuộc cơ bản Ngoài ra còn có các công tắc điện tử được điều khiển bằng điện áp hoặc dòng điện Các phân tích chính là đặc tính truyền đạt, đặc tính tần số, điểm làm viêc một chiều (thiên áp), đặc tính động (thời gian) Trong mô phỏng mạch điện tử công suất thì quan trọng nhất là phân tích động (transient analysis) Chế độ phân tích này thường tốn thời gian tính của PC vì chương trình sẽ tính thời gian của tất cả các nút của mạch khảo sát trong từng bước tính và lưu

gian khảo sát lớn, dung lượng của file dữ liệu này có thể lên tới hàng trăm MB Chính

vì vậy, để tránh mất thời gian, khi chương trình đang chạy ta có thể tạn dừng chương trình để theo dõi và kiểm tra sơ bộ nếu thấy không đạt thì ngắt hẳn chương trình để sửa đổi

3.2.4 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)

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

Hinh 3.26: Giao diện làm việc của PSIM

PSIM bao gồm 3 chương trình:

- 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 3.27: Các khối chức năng của PSIM

- Power circuit: Mạch động lực

- Control circuit: Mạch điều khiển

- Sensors: Hệ cảm biến

- Switch controllers: Bộ điều khiển chuyển mạch

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 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 lực

Nhìn chung, PSIM được đánh giá là một phần mềm dễ sử dụng, trực quan, dung lượng nhẹ và khá mạnh trong lĩnh vực Điện tử công suất PSIM có ưu điểm mô phỏng độc lập mạch lực vì các khối điều khiển đã được xây dựng sẵn, ta chỉ việc lắp ghép Vì vậy, chúng tôi lựa chọn PSIM làm phần mềm PSIM mô phỏng mạch nguyên lý làm việc của biến tần

3.3 Lựa chọn phần cứng

Trên cơ sở phần mềm đã lựa chọn (PSIM) để xây dựng mô phỏng hoạt động của

bộ biến tần ta cần máy vi tính có cấu hình phù hợp với phần mềm PSIM Ở đây xin đưa

ra cấu hình của máy vi tính sử dụng phần mềm PSIM

Hệ điều hành: Microsoft Windows 98/NT/2000/XP/Winvista/Win7

Pentium ® 3.0 GHz hoặc nhanh hơn, Intel ® Xeon ™, Intel ® Core ™, bộ xử lý AMD Athlon ™ 64, AMD Opteron ™, hoặc phiên bản sau này

RAM tối thiểu 1 GB

DVD-ROM drive

Độ phân giải màn hình (1280 x 1024) hoặc cao hơn

Máy chiếu Projector