Matlab và ứng dụng trong giảng dạy môn điện tử công suất

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN THỊ THANH

MATLAB VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY
MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC
CHUYÊN SÂU: SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. LÊ HUY TÙNG

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đề tài: “Matlab và ứng dụng trong giảng
dạy môn điện tử công suất.” chưa từng được bảo vệ ở bất cứ hội đồng nào. Những
số liệu thực trạng việc dạy và học môn điện tử công suất trong báo cáo của luận văn
do tác giả điều tra, phân tích và tổng hợp. Trong luận văn những ý kiến trích dẫn
được tác giả ghi chú trích dẫn.
Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2014
Tác giả thực hiện

Nguyễn Thị Thanh


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin cảm ơn chân thành sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Lê Huy
Tùng đã trực tiếp hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt
nghiệp. Sự tận tình hướng dẫn giúp đỡ và động viên của Thầy đã giúp tác giả rất
nhiều trong việc hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã dạy dỗ tác giả trong suốt thời gian
qua, Tác giả cũng xin cảm ơn quý thầy cô viện Sư Phạm Kỹ Thuật đã giúp đỡ tác giả
trong quá trình làm luận văn.
Cuối cùng là lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân cùng tồn thể
bạn bè, những người ln động viên tinh thần giúp tác giả hồn thành nhiệm vụ
được giao.


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

TT

Từ viết tắt

Nghĩa của từ viết tắt

1

PV

Pin mặt trời (Photovoltaic cell)

2

MPPT

Công suất điện tối đa(Maximum Point Power Tracking)

3

PMSG

Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu(Permanent
Magnetic Synchronous Generator )

4

FC

Pin nhiên liệu(Fuel cell)

5

WT

Tuabin gió(Wind turbines)

6

PPMP

Phương pháp mô phỏng

7

NCKH

Nghiên cứu khoa học

8

SV

Sinh viên

9

GV

Giáo viên


DANH MỤC BẢNG
TT

Bảng

Tên bảng

Trang

1

Bảng 2.1

Đánh giá thái độ của người học

15

2

Bảng 2.2

Đánh giá cảm xúc của người học đối với môn điện tử 16
công suất

3

Bảng 2.3

Đánh giá hoạt động của người học trong môn điện tử 17
công suất

4

Bảng 2.4

Thực trạng ứng dụng phần mềm Matlab vào giảng dạy.

5

Bảng 2.5

Đánh giá của người học khi phần mềm Matlab được ứng 20

19

dụng vào giờ học
6

Bảng 2.6

tín hiệu vào/ra của diode

24

7

Bảng 2.7

Các đầu vào ra của Thyristor

29

8

Bảng 2.8

Các đầu vào ra của GTO

33

9

Bảng 2.9

Các đầu vào ra của Mosfet

38

10

Bảng2.10 Các đầu vào ra của Ideal Switch

43

11

Bảng2.11 các đầu vào ra của IGBT

47

12

Bảng2.12 Bảng thông số các khối trong đồng hồ đa năng

55

13

Bảng2.13 Bảng phân cực dòng/ áp của đồng hồ đa năng

56

14

Bảng2.14 Các nhãn theo tên của khối trong cầu thông dụng

64

15

Bảng2.15

các đầu vào ra của cầu

64

16

Bảng 3.1

Các yếu tố đầu vào cho các mơ hình FC

78

17

Bảng 3. 2 Các yếu tố đầu vào cho các mơ hình PV

83

18

Bảng 3.3

Các thơng số DC/DC chuyển đổi ở đầu ra hệ thống PV

84

19

Bảng 3.4

Bảng thông số điều khiển tuan bin gió

90

20

Bảng 3.5

Thơng số của bộ chỉnh lưu hai cầu trong tua bin gió

92


DANH MỤC HÌNH
TT Hình

Tên hình

Trang

1

Hình1.1

Mơ hình nâng cao chất lượng dạy học bằng phương 3
pháp mơ phỏng

2

Hình 1.2

Mơ hình TPACK

5

3

Hình 1.3

Mục đích giáo dục (theo Albert shanker)

9

4

Hình 2.1

Tháp học tập( Learning Pyramid) thể hiện tỉ lệ phần 14
trăm khả năng tiếp thu kiến thức tương ứng với các
hoạt động học tập của sinh viên.

5

Hình 2.2

thái độ người học đối với mơn điện tử cơng suất

6

Hình 2.3

Cảm xúc của người học đối với mơn điện tử cơng 16
suất

7

Hình 2.4

Hoạt động của người học trong mơn điện tử cơng 17

15

suất
8

Hình 2.5

Thực trạng ứng dụng phần mềm Matlab vào giảng 19
dạy.

9

Hình 2.6

Đánh giá của người học khi phần mềm Matlab 20
được ứng dụng vào giờ học

10

Hình 2.7

Matlab/ Simulink cho điện tử cơng suất

21

11

Hình 2.8

Mơ tả diode

22

12

Hình 2.9

Mơ tả hoạt động của Diode

22

13

Hình 2.10

Sơ đồ khối Diode

23

14

Hình 2.11

Hộp thoại Diode

23

15

Hình 2.12

Demo mơ phỏng mạch chứa Diode

25

16

Hình 2.13

Kết quả mơ phỏng bằng Matlab cho mạch hình 2.12 26


17

Hình 2.14

Mơ tả thyristor

26

18

Hình 2.15

Mơ tả hoạt động của Thyristor

27

19

Hình 2.16

Đặc tính dịng/ áp của Thyristor

27

20

Hình 2.17

Hộp thoại và các thơng số

28

21

Hình 2.18

Demo mơ phỏng 1 mạch chứa Thyristor

30

22

Hình 2.19

Kết quả mơ phỏng mạch chứa Thyristor

30

23

Hình 2.20

Mơ tả GTO

31

24

Hình 2.21

Mơ tả hoạt động của GTO

31

25

Hình 2.22

Đặc tính dịng/ thời gian của GTO

32

26

Hình 2.23

Hộp thoại và các thơng số của GTO

32

27

Hình 2.24

Mơ phỏng mạch chứa GTO

34

28

Hình 2.25

kết quả mơ phỏng mạch chưa GTO(scope 1)

35

29

Hình 2.26

Kết quả mơ phỏng mạch chứa GTO(scope 2)

36

30

Hình 2.27

Mơ tả Mosfet

36

31

Hình 2.28

Mơ tả hoạt động của MOSFET

37

32

Hình 2.29

Đặc tính dịng/áp của Mosfet

37

33

Hình 2.30

Hộp thoại và các thơng số Mosfet

39

34

Hình 2.31

Mơ phỏng mạch chứa Mosfet

40

35

Hình 2.32

Kết quả mơ phỏng mạch chứa Mosfet.

41

36

Hình 2.33

Mơ tả Ideal switch

41

37

Hình 2.34

Mơ tả hoạt động của Ideal switch

42

38

Hình 2.35

Đặc tính dịng/áp của Ideal switch

42

39

Hình 2.36

Hộp thoại Ideal switch

44

40

Hình 2.37

Mơ phỏng mạch điện chứa Ideal Switch

44


41

Hình 2.38

Kết quả mơ phỏng mạch chứa Ideal Switch

44

42

Hình 2.39

Mơ tả IGBT

45

43

Hình 2.40

Mơ tả hoạt động của IGBT

45

44

Hình 2.41

Đặc tính dịng/áp của IGBT

46

45

Hình 2.42

Đặc tính dịng/thời gian của IGBT

46

46

Hình 2.43

Hộp thoai IGBT

48

47

Hình 2.44

Mơ phỏng mạch chứa IGBT

49

48

Hình 2.45

Kết quả mơ phỏng mạch chứa IGBT

50

49

Hình 2.46

Mơ tả đo áp

50

50

Hình 2.47

Hộp thoại Đo áp

51

51

Hình 2.48

Mơ phỏng mạch chứa đo áp

52

52

Hình 2.49

Kết quả mơ phỏng mạch chứa đo áp

52

53

Hình 2.50

Mơ tả đo dịng

53

54

Hình 2.51

Hộp thoại đo dịng

54

55

Hình 2.52

Mơ phỏng mạch chứa đo dịng

54

56

Hình 2.53

Kết quả mơ phỏng mạch chứa đo dịng.

55

57

Hình 2.54

Mơ tả đồng dồ đa năng

57

58

Hình 2.55

Hộp thoại của đồng hồ đa năngHình

58

59

Hình 2.56

Mơ phỏng mạch chưa đồng hồ đa năng

58

60

Hình 2.57

kết quả mơ phỏng mạch chứa đồng hồ đa năng

44

61

Hình 2.58

kết quả mơ phỏng mạch chứa đồng hồ đa năng

44

62

Hình 2.59

Cầu Diode

45

63

Hình 2.59

Cầu Diode

59


64

Hình 2.60

Cầu Thyristor

59

65

Hình 2.61

Cầu GTO-Diode

60

66

Hình 2.62

Cầu IGBT-Diode

60

67

Hình 2.63

Cầu MOSFET-Diode và cầu Ideal Switch

61

68

Hình 2.64

Hộp thoại các cầu thơng dụng

61

69

Hình 2.65

Mơ phỏng mạch chứa các cầu thơng dụng

61

70

Hình 2.66

Kết quả mơ phỏng mạch chứa cầu đa năng

62

71

Hình 3.1

Cấu trúc quá trình mơ phỏng NCKH

65

72

Hình 3.2

Xây dựng q trình vận dụng PPMP trong dạy học 66
chun nghành kỹ thuật

73

Hình 3.3

Mơ hình nâng cao chất lượng dạy học bằng PPMP

68

74

Hình 3.4

Bản chất cơng nghệ dạy học

69

71

Hình 3.5

Một cầu hình điển hình pin nhiêu liệu(FC)với bộ 71
chuyển đổi DC-AC trực tiếp nối vào lưới điện

72

Hình 3.6

Một cấu hình FC điển hình với một DC-DC và một 72
bộ chuyển đổi DC-AC

73

Hình 3.7

Một cấu hình FC điển hình với một DC-AC và một 74
bộ chuyển đổi AC-AC

74

Hình 3.8

Sơ đồ khối hệ thống pin nhiên liệu

74

75

Hình 3.9

Mơ phỏng hệ thống điều khiển pin năng lượng FC

74

76

Hình 3.10

Đường đặc tính dịng/áp trong FC

76

77

Hình 3.11

Mơ phỏng dịng điền tối đa, sụt áp, và tốc độ dịng 76
khí

77

Hình 3.12

Kết quả Scop 1

77

78

Hình 3.13

Kết quả Scop 2

78


79

Hình 3.14

Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời[18]

79

80

Hình 3.15

Hệ thống phụ của mơ hình điều khiển MPPT

79

81

Hình 3.16

Hệ thống phụ của mơ hình chuyển đổi dc / dc.

80

82

Hình 3.17

Mơ hình hệ thống điều khiển PV

81

83

Hình 3.18

Hệ thống con của mơ hình điều khiển phản hồi

81

84

Hình 3.19

Đặc điểm đầu ra của các thơng số

82

85

Hình 3.20

Mơ phỏng bức xạ và bảng điều khiển nawg lượng 82
mặt trời

86

Hình 3.21

Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi DC/DC

83

87

Hình 3.22

Điện áp đầu ra bảng điều khiển PV

84

88

Hình 3.23

Tổng cơng suất máy phát điện năng lượng mặt trời

85

89

Hình 3.24

Sơ đồ khối hệ thống tuabin gió

86

90

Hình 3.25

Chỉnh lưu hai cầu

87

91

Hình 3.26

Sơ đồ khối hệ thống tuabin gió( chỉnh lưu hai 88
cầu)[21]

92

Hình 3.27

Hệ thống điều khiển chỉnh lưu hai cầu, các bộ lọc

88

93

Hình 3.28

Đặc điểm tuabin gió

89

94

Hình 3.29

Mơ phỏng tốc độ gió

89

95

Hình 3.30

Sản lượng hiện tại của MPPT (Iref = IPV)

91

96

Hình 3.31

Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi hai cầu AC/DC

92

97

Hình 3.32

Cơng suất của máy phát điện tua bin gió

93

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... .
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. .
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................................. .
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................................... .
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................................
MỤC LỤC............................................................................................................... .
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. .
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNGTRONG DẠY
HỌC KỸ THUẬT .................................................................................................. 1
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM ..............................................................................................................1
1.1.1. Mô phỏng .............................................................................................. 1
1.1.2. Công nghệ mô phỏng............................................................................ 2
1.1.3. Ứng dụng mô phỏng trong dạy học kĩ thuật ......................................... 3
1.2. DẠY HỌC CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT ............................................................................4
1.2.1. Dạy học ................................................................................................. 4
1.2.2. Dạy học chuyên ngành kĩ thuật ............................................................ 5
1.3. MỘT SỐ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TRONG DẠY HỌC CHUYÊN NGHÀNH KỸ
THUẬT .................................................................................................................................................6

1.3.1. Phần mềm PSPICE .............................................................................. 6
1.3.2. Phần mềm PSIM .................................................................................. 7
1.3.3. Phần mềm TINA................................................................................... 7
1.3.4. Matlab/Simulink ................................................................................... 8
1.4. MÔ PHỎNG KĨ THUẬT VỚI MATLAB NHẰM NĂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY VÀ
HỌC ......................................................................................................................................................9

1.4.1. Matlab cung cấp kiến thức ................................................................. 10
1.4.2. Matlab giúp rèn luyện kỹ năng thực hành ......................................... 10

1.4.3. Matlab góp phần giáo dục nhân cách ................................................ 10
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .........................................................................................................11
CHƯƠNG 2: MATLAB VÀ ỨNG DỤNG CHO MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
.............................................................................................................................. 12
2.1. VAI TRỊ CỦA MATLAB ĐỐI VỚI MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT ............................... 12
2.1.1. Matlab có thể đánh giá được toàn diện hiệu suất hệ thống............... 12
2.1.2. Matlab giúp tiết kiệm chi phí .............................................................. 12
2.1.3. Matlab giúp kiểm tra sự phá hủy dễ dàng .......................................... 12
2.1.4. Matlab giúp đơn giản hóa các bộ phận của mạch.............................. 13
2.2. THỰC TRẠNG GIẢNG DẠY ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
MÔ PHỎNG ......................................................................................................... 13
2.3. MATLAB/ SIMULINK CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ......................................................21


2.3.1. Diode ................................................................................................... 22
2.3.1.1. Mô tả............................................................................................ 22
2.3.1.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 23
2.3.1.3Các đầu vào ra. ............................................................................... 24
2.3.1.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 24
2.3.1.5. Ví dụ và kết quả mô phỏng .......................................................... 25
2.3.2. Thyristor ............................................................................................. 26
2.3.2.1. Mô tả............................................................................................ 26
2.3.2.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 28
2.3.2.3. Các đầu vào ra. ............................................................................ 29
2.3.2.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 29
2.3.2.5. Ví dụ và kết quả mơ phỏng ......................................................... 29
2.3.3. GTO .................................................................................................... 30
2.3.3.1Mô tả ............................................................................................... 30
2.3.3.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 32
2.3.3.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 33

2.3.3.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 33
2.3.3.5. Ví dụ và kết quả mô phỏng .......................................................... 33
2.3.4. Mosfet ................................................................................................. 36
2.3.3.2. Mô tả............................................................................................ 36
2.3.4.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 37
2.3.4.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 38
2.3.4.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 38
2.3.4.5. Ví dụ và kết quả mơ phỏng .......................................................... 38
2.3.5. Ideal Switch ........................................................................................ 40
2.3.5.1. Mô tả............................................................................................ 40
2.3.5.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 42
2.3.5.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 43
2.3.5.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 43
2.3.3.5. Ví dụ và kết quả mô phỏng .......................................................... 43
2.3.6. IGBT ................................................................................................... 44
2.3.6.1. Mô tả............................................................................................ 44
2.3.6.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 46
2.3.6.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 47
2.3.6.4. Cho phép và giới hạn................................................................... 47
2.3.6.5. Ví dụ và kết quả mơ phỏng ......................................................... 47
2.3.7. Đo áp................................................................................................... 49
2.3.7.1. Mô tả............................................................................................ 49
2.3.7.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 50
2.3.7.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 50
2.3.7.4. Ví dụ và kết quả mơ phỏng.......................................................... 51
2.3.8. Đo dịng .............................................................................................. 52
2.3.8.1. Mơ tả............................................................................................ 52
2.3.8.2. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 53

2.3.8.3. Các đầu vào ra ............................................................................. 53
2.3.8.4. Ví dụ và kết quả mô phỏng ......................................................... 53
2.3.9. Đồng hồ đa năng ................................................................................ 54
2.3.9.1. Mô tả............................................................................................ 54
2.3.9.2. Dấu thông thường đối với dòng điện và điện áp. ........................ 55
2.3.9.3. Hộp thoại và các thơng số. .......................................................... 56
2.3.9.4. Ví dụ và kết quả mô phỏng ......................................................... 57
2.3.10. Các cầu thông dụng ........................................................................ 59
2.3.10.1. Mô tả............................................................................................ 59
2.3.10.2. Các loại cầu thông dụng ............................................................. 60
2.3.10.3. Hộp thoại và các thông số ........................................................... 62
2.3.10.4. Các đầu vào ra ............................................................................. 64
2.3.10.5. Cho phép và giới hạn................................................................... 65
2.3.10.6. Ví dụ và kết quả mơ phỏng .......................................................... 65
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .........................................................................................................69
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CHO MỘT SỐ PHẦN CỦA ĐIỆN TỬ
CÔNG SUẤT ....................................................................................................... 70
3.1. XÂY DỰNG CẤU TRÚC MƠ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THEO MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRONG
NCKH . ..............................................................................................................................................70
3.1.1. Mơ phỏng trong nghiên cứu khoa học .............................................. 70
3.1.2. Xây dựng cấu trúc mô phỏng trong dạy học ...................................... 71
3.2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH VẬN DỤNG PPMP TRONG DẠY HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT
71

3.2.1. Mối quan hệ giữa PPMP trong dạy học với phương pháp khoa học 72
3.2.2. Tác động của PPMPDH đối với công nghệ dạy học ........................... 72
3.2.3. Soạn bài giảng theo PPMP ................................................................ 73
3.3. MỘT SỐ BÀI TẬP LỚN CHO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU .............................................................75
3.3.1. Điện tử công suất cho chuyển đổi hệ thống pin nhiên liệu ................ 75
3.3.2. Pin nhiên liệu ...................................................................................... 77

3.3.3. Pin mặt trời ......................................................................................... 81
3.3.4.Tuabin gió............................................................................................. 89
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................................... 110
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................................... 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... .
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................. .
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................ .


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, những thành tựu của khoa học-công nghệ đang đưa thế giới chuyển
từ kỷ nguyên công nghiệp sang kỷ nguyên thông tin và kinh tế tri thức, tác động tới
tất cả mọi lĩnh vực, làm biến đổi nhanh chóng, sâu sắc đời sống vật chất và tinh thần
của xã hội. Kho tàng kiến thức của nhân loại ngày càng đa dạng và phong phú.
Trong điều kiện đó, việc tồn cầu hóa và hội nhập kinh tế là xu thế tất yếu, khách
quan của các nước đang phát triển. Các phương tiện truyền thông, mạng viễn thông,
Internet tạo điều kiện thuận lợi cho giao lưu, hội nhập văn hóa và cũng là điều kiện
thuận lợi cho việc đổi mới và phát triển giáo dục. Nhà trường từ chỗ hoạt động khép
kín chuyển sang mở cửa rộng rãi, đối thoại với xã hội, gắn bó chặt chẽ với nghiên
cứu khoa học- công nghệ và ứng dụng; Giáo viên thay vì chỉ truyền đạt tri thức,
chuyển sang cung cấp cho người học phương pháp thu nhận thơng tin một cách tự
lực, có phân tích và tổng hợp.
Trong bối cảnh quốc tế đó, để đáp ứng nhu cầu của sự phát triển đất nước, nền
giáo dục Việt Nam phải thực hiện một sự đổi mới sâu sắc và toàn diện về nội dung
lẫn phương pháp dạy học như tinh thần của nghị quyết TW2 - khóa VIII của Đảng
Cộng Sản Việt Nam đã nêu: “Đội mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo,
khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người
học, từng bước áp dụng các phương pháp tiên tiến và phương tiện hiện đại vào quá
trình dạy học, đảm bảo điều kiện thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh, nhất

là sinh viên đại học”. Vì vậy, với mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào việc
nâng cao hiệu quả dạy học, tôi chọn đề tài về đổi mới phương pháp giảng dạy
là: “Matlab và ứng dụng trong giảng dạy môn điện tử công suất”. Tác giả hy
vọng có thể tạo thêm những bậc thang để các giáo viên, sinh viên tiếp cận với
PPDH hiện đại, khuyến khích họ tăng cường sử dụng cơng nghệ thơng tin vào q
trình dạy học để nâng cao hiệu quả dạy học.


2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng của Matlab trong giảng dạy mơn điện tử cơng suất nhằm
tích cực hóa hoạt động nhận thức của sinh viên và nâng cao chất lượng giảng
dạy môn điện tử công suất.
3. Khách thể,đối tượng, phạm vi nghiên cứu
3.1. Khách thể nghiên cứu:
Matlab và ứng dụng trong giảng dạy môn điện tử công suất.
3.2. Đối tượng nghiên cứu: Matlab/Simulink và điện tử công suất.
3.3. Phạm vi nghiên cứu: Matlab và ứng dụng trong giảng dạy môn điện tử
công suất.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
4.1.

Nghiên cứu cơ sở lí luận về mơ phỏng và dạy học chuyên nghành kỹ
thuật.

4.2.

Đánh giá thực trạng giảng dạy điện tử công suất và khả năng ứng
dụng mô phỏng.

4.3.

Cơ sở lí luận phần mềm Matlab cho điện tử cơng suất.

4.4.

Thiết kế mô phỏng một phần của điện tử công suất.

5. Giả thuyết khoa học
Nếu ứng dụng phần mềm Matlab/ Simulink vào dạy học mơn điện tử cơng suất
sẽ góp phần nâng cao hiệu quả việc dạy và học môn học này tại các trường đại
học và cao đẳng.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu, các bài báo trong và ngồi
nước về mơ phỏng trong dạy học, các ứng dụng của Matlab trong dạy học kỹ
thuật. Trên cơ sở đó tổng hợp và phân tích.
- Phương pháp điều tra bằng phiếu : Tài liệu thu thập được tác giả đề xuất sử
dụng các công cụ điều tra trên mạng để tiến hành thu thập số liệu.
- Phương pháp mô phỏng: xây dựng một số học liệu cho điện tử công suất.


7. Cấu trúc luận văn:
Ngoài phần mở đầu,kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được
chia làm 3 chương:
Chương 1: Công nghệ mô phỏng và ứng dụng trong dạy học kỹ thuật
Chương 2: Matlab và ứng dụng trong dạy học điện tử công suất
Chương 3: Thiết kế mô phỏng cho một số phần của điện tử công suất.
Do điều kiện thời gian, kiến thức còn hạn hẹp nên luận văn sẽ khơng tránh khỏi
những thiếu sót về mặt nội dung lẫn hình thức. Tác giả thực hiện rất mong nhận
được sự quan tâm chỉ bảo của quý thầy cơ, bạn bè để luận văn được hồn thiện hơn.

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNGTRONG DẠY
HỌC KỸ THUẬT

1.1. Một số khái niệm
1.1.1. Mô phỏng
“Mô phỏng là sự bắt chước, phỏng theo một hiện tượng, sự vật hay q trình
nào đó bằng cách xây dựng những mơ hình động, xử lý chung trong tác động qua lại
nhằm nghiên cứu các sự vật, hiện tượng, q trình đó trên những mơ hình này.”[1]
Mơ phỏng thường được dùng trong nghiên cứu khoa học (NCKH), là q
trình phát triển mơ hình hố rồi mơ phỏng một đối tượng cần nghiên cứu. Thay cho
việc phải nghiên cứu đối tượng cụ thể mà nhiều khi là không thể hoặc rất tốn kém
tiền của, chúng ta xây dựng những mơ hình hố của đối tượng đó trong phịng thí
nghiệm và tiến hành nghiên cứu đối tượng đó dựa trên mơ hình hố này. Kết quả rút
ra được phải có kiểm chứng với kết quả đo đạc thực tế. Dựa trên những kết quả thu
được sau q trình mơ phỏng, ta có thể rút ra hướng đi tiếp cho nghiên cứu và sản
xuất về sau. Đây là lĩnh vực phức tạp, trong bài báo này chỉ giới hạn nghiên cứu
việc ứng dụng khoa học công nghệ trong giáo dục và cơ sở lý luận cho việc sử dụng
mô phỏng trong dạy học nhằm đổi mới phương pháp giảng dạy hiện nay ở các
trường đại học kỹ thuật.
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hố dựa trên
việc xây dựng mơ hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải. Chính vì vậy,
máy tính số là cơng cụ duy nhất và hữu hiệu để thực hiện việc mô phỏng hệ thống.
Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng chúng ta chỉ có thể xây
dựng được các mơ hình gần đúng với đối tượng mà thơi, vì trong q trình mơ hình
hố bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của
mơ hình, để mơ hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dầu vậy mơ hình
hố ln ln là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng,
nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc biệt ngày nay, nhờ có sự trợ giúp
đắc lực của kỹ thuật máy tính, kỹ thuật tin học, người ta đã phát triển các

1


phương pháp mơ hình hố cho phép xây dựng các mơ hình ngày càng gần với đối
tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận lựa chọn xử lý các thông tin về mơ hình
rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác. Chính vì vậy, mơ hình hố là một phương
pháp nghiên cứu khoa học cần nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn.
1.1.2. Công nghệ mô phỏng
Công nghệ là hệ thống phương tiện, phương pháp và kỹ năng nhằm vận dụng
quy luật khách quan, tác động vào một đối tượng nào đó, đạt một thành quả xác
định cho con người[2].
Cơng nghệ mô phỏng là công nghệ tạo ra những mô hình, thiết bị mơ phỏng
hoạt động giống hoặc gần giống như những sự vật, hiện tượng, quá trình xảy ta
trong thực tế. Việc nghiên cứu, thao tác trên thiết bị mô phỏng cho phép rút ra
những kết luận thực tế. Việc nghiên cứu, thao tác trên thiết bị mô phỏng cho phép
rút ra kết luận và hình thành kỹ năng phục vụ cho lợi ích con người [3].
Tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh được những trường hợp
rủi ro, nguy hiểm trong điều kiện thực, giảm tác động xấu tới mơi trường…, thậm
chí có thể làm được cái khơng thể làm trong điều kiện thực. Đó là những gì cơng
nghệ mơ phỏng có thể mang lại.
Thay cho việc phải nghiên cứu đối tượng thực, cụ thể mà nhiều khi là không thể
hoặc tốn kém, người ta mô hình hố đối tượng đó trong phịng thí nghiệm và tiến
hành nghiên cứu đối tượng đó dựa trên mơ hình này.
Công nghệ mô phỏng liên quan đến nhiều ngành khoa học: tốn, vật lý, mơ
hình hóa, tự động, điện tử công suất... Đây là công cụ đa dạng và linh hoạt đặc biệt
thích ứng với việc nghiên cứu thử nghiệm và giáo dục đào tạo.
Mô phỏng được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như trong
công nghiệp nghệ nhằm tối ưu chất lượng, kỹ thuật an toàn, kiểm tra; trong giáo dục
và đào tạo, đặc biệt gần đây được ứng dụng khá rộng rãi trong thiết kế các trị chơi.
Việc ứng dụng kỹ thuật mơ phỏng trong dạy học tạo nên một phương pháp dạy học

hiện đại, đó là việc dạy về các khía cạnh khác nhau của thế giới bằng việc bắt chước
hoặc sao chép nó. Sinh viên khơng những hình thành động cơ học tập từ việc mơ
phỏng mà cịn học bằng cách tương tác với chúng theo cách tương tự mà họ sẽ
tương tác trong các tình huống thực tế [4].
2


Mơ phỏng trên máy tính giúp sinh viên có cơ hội để quan sát gián tiếp thế
giới thực và tương tác với nó. Trong lớp học, mơ phỏng có thể đóng vai trị quan
trọng trong việc tạo ra các thí nghiệm ảo và các yêu cầu. Các vấn đề đưa ra dựa trên
mô phỏng cho phép sinh viên giám sát các thí nghiệm, kiểm tra các mơ hình mới và
nâng cao nhận biết trực giác của họ về các hiện tượng phức tạp. Mơ phỏng có thể sử
dụng cho các công việc mà không thể làm được trong thực tế, các cơng việc địi hỏi
chi phí cao, hoặc các cơng việc quá nguy hiểm nếu làm trong thực tế. Mô phỏng có
thể đóng góp vào việc thay đổi khái niệm; cung cấp các kinh nghiệm không hạn chế
cho các sinh viên, cung cấp các công cụ cho nhu cầu nghiên cứu khoa học [6].
1.1.3. Ứng dụng mô phỏng trong dạy học kĩ thuật
Phương pháp dạy học sử dụng phương pháp mơ phỏng (PPMP) có nhiều ưu
điểm. Trước hết, nó vẫn duy trì được ưu điểm của phương pháp giảng dạy truyền
thống là phát huy vai trò chủ đạo của người thầy, bên cạnh đó PPMP lại có thế
mạnh mà phương pháp dạy học truyền thống khơng thể có như sử dụng hình ảnh
động, mơ phỏng hoạt động “như thật” của các mạch điện tử, thực hành ảo, các hoạt
động của thiết bị, sinh viên có thể “can thiệp” vào tiến trình bài giảng như thay đổi
“thơng số” kỹ thuật của thiết bị ảo... nên giúp sinh viên nhanh chóng nẵm vững kiến
thức. Vì vậy giáo viên có nhiều quỹ thời gian để làm việc trực tiếp với học trò hơn,
nâng cao hiệu quả giảng dạy.
Hứng thú
nhận thức
PPMP

Gia công sư
phạm nội
dung dạy

Chất lượng
dạy học
Tư duy
tưởng tượng

Hình 1.1: Mơ hình nâng cao chất lượng dạy học bằng phương
pháp mô phỏng [5]
Phương pháp dạy học sử dụng PPMP đã đổi mới phương thức giảng dạy,
chuyển việc giảng viên truyền thụ kiến thức cho học sinh sang giảng viên hướng
dẫn học sinh tìm kiếm tri thức, tìm cách khám phá khoa học.
3


Phương pháp dạy học sử dụng PPMP cho phép chúng ta xác lập được
phương pháp học tập hiệu quả nhất cho người học và cũng dễ dàng lý giải các câu
châm ngơn:
-

Nếu tơi chỉ nghe thì tơi sẽ qn ngay,

-

Nhưng nếu tơi nhìn thì tơi sẽ nhớ,

-

Cịn nếu tơi thực hành thì tơi sẽ hiểu.

“Nếu tơi chỉ nghe”, tức là nghe giảng theo phương pháp truyền thống, thầy
đọc trò ghi, học sinh rất dễ qn. “Nếu tơi nhìn”, tức là nhìn trên màn hình xem các
mơ hình chuyển động như thật quá trình vận hành của thiết bị sẽ giúp học sinh nhớ
bài giảng lý thuyết. Câu này cũng giống nghĩa với câu châm ngôn “trăm nghe không
bằng một thấy”. “Nếu tôi thực hành”, tức là cho phép sinh viên được “thực hành”
ngay trên các thiết bị ảo như thật sẽ giúp sinh viên hiểu sâu sắc bản chất vấn đề.
Điều này cho thấy trí nhớ là q trình tái hiện tích hợp của các giác quan. Xét về
phương diện lý luận, PPMP bổ sung vào lý luận phương pháp giáo dục hiện đại ở
khía cạnh mới: Học sinh tự tìm kiến thức bằng hành động thao tác trực tiếp vào các
thiết bị ảo, các mơ hình trong bài giảng như những giáo viên. Trong khi phương
pháp giáo dục truyền thống khi dạy các môn kỹ thuật chủ yếu là: Giáo viên làm mẫu
còn học sinh làm theo.
1.2. Dạy học chuyên ngành kĩ thuật
1.2.1. Dạy học
"Dạy học là quá trình hoạt động hai mặt do thầy giáo (dạy) và học sinh (học)
nhằm thực hiện các mục đích dạy học. Nhiệm vụ dạy học trong nhà trường không
chỉ đảm bảo một trình độ học vấn nhất định mà cịn góp phần hình thành nhân cách
con người của xã hội cộng sản chủ nghĩa" (Bách khoa Giáo dục học - Maxcơva).

4


Kiến thức về nội
dung và công
nghệ

Kiến thức về công
nghệ và phương

pháp

Kiến thức về công
nghệ, nội dung và
phương pháp

Kiến thức về nội
dung và phương
pháp

Hình 1.2. Mơ hình TPACK
Mơ hình Tpack (kiến thức về cơng nghệ, nội dung và phương pháp) hình ảnh
hóa các thành tố quan trọng của q trình phát triển chun mơn liên tục này. Mơ
hình đưa ra cái nhìn tổng quan về ba dạng cơ bản của kiến thức mà một giáo viên
cần để ứng dụng công nghệ thơng tin vào việc dạy học của mình: kiến thức công
nghệ, kiến thức phương pháp, kiến thức về nội dung, cũng như mối quan hệ tương
tác giữa chúng [8].
Một giáo viên có khả năng kết hợp tất cả ba dạng cơ bản của kiến thức sẽ
đem lại một giờ học đầy hứng thú, hiệu quả và lôi cuốn người học.
1.2.2. Dạy học chuyên ngành kĩ thuật
Phương pháp giảng dạy cổ điển nặng về truyền đạt một chiều, đặc trưng nhất
là thầy giảng trị ghi. Sự minh họa bằng hình vẽ hay một vài giáo cụ trực quan được
xem như một bước sâu hơn trong phương pháp giảng dạy. Cho sinh viên làm bài tập
và các hình thức kiểm tra cũng chỉ có tính chất củng cố những kiến thức đã được
tiếp thu một cách thụ động.
5


Với một số ngành học, mơn học có trong các ngành cơng nghiệp có mức độ
tự động hóa, tin học hóa ngày càng cao tính chất “sơi kinh, nấu sử” thì có thể

phương pháp giảng dạy truyền thống, thầy đọc trò ghi chưa lộ rõ các nhược điểm.
Nhưng đối với những môn học kỹ thuật như: Môn điện tử công suất, truyền động
điện… phải đào tạo cả kiến thức và kỹ năng nghề nghiệp thì phương pháp giảng dạy
cũ sẽ trở nên bất cập vì những lý do sau:
Do diễn giải chỉ bằng logic tư duy, thầy dẫn dắt truyền đạt trò thu nhận nên
chỉ dừng lại được ở các mơ hình tốn học hay sơ đồ thuật tốn, lưu đồ công nghệ...,
kết quả là các kỹ sư, cử nhân đào tạo ra “ôm một mớ lý thuyết” mà khai triển ứng
dụng khó khăn.
Do tiếp thu thụ động, người học bị hạn chế sự sáng tạo, thiếu khả năng tự
nghiên cứu trong q trình tiếp cận các lĩnh vực cơng nghệ mới nên sau quá trình
học ra làm việc bị động với công việc, nhất là thiếu khả năng tự đào tạo, cập nhật và
nâng cao trình độ.
Thiếu khả năng làm việc nhóm, thiếu khả năng hợp tác trong cơng việc mà
đó lại là các địi hỏi ngày càng cần thiết đối với các kỹ sư hiện nay.
Do đặc điểm của các môn học chuyên ngành kỹ thuật như trên đã phân tích là
tìm hiểu, phân tích, thiết kế mạch cùng với các phần thí nghiệm, thực hành trợ giúp
nên các bài giảng trên lớp của môn học này thường lồng ghép rất nhiều hình vẽ
mạch điện tử. Với phương pháp dạy học truyền thống để thể hiện các hoạt động của
các thiết bị này, giáo viên phải dành khá nhiều thời gian vẽ hình trên bảng, tuy nhiên
những hình vẽ này trên bảng ln ở trạng thái “tĩnh” khó có sức thuyết phục [5].
1.3. Một số phần mềm ứng dụng trong dạy học chuyên nghành kỹ thuật
1.3.1. Phần mềm PSPICE
PSPICE là phần mềm mô phỏng mạch điện - điện tử trường đại học tổng hợp
California ở Berkeley sáng tạo ra. Hiện nay, PSPICE được xem là một trong những
phần mềm mô phỏng mạch điện - điện tử mạnh và phổ biến trên thế giới. Phần mềm
này cho phép người dùng thiết lập mơ 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. Đây là sản phẩm mới nhất, nhằm tổng hợp các giai đoạn thiết kế chế
6

tạo mạch điện tử: xây dựng mạch nguyên lý, mô phỏng, chuyển mạch nguyên lý
mạch sang mạch in, đổ sang máy làm mạch in...
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 mơ hình riêng, tự thiết lập thư viện riêng phục vụ mục đích của mình.
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. Ngồi ra cịn có cơng
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 mơ 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 khơng đạt thì ngắt hẳn
chương trình để sửa đổi.
1.3.2. Phần mềm PSIM
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
cơng 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.
1.3.3. Phần mềm TINA
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 cơng cụ đặc trưng là các phần tử mô phỏng mạch, được chia làm
7


một phương trình với nhiều tham số đặc trưng, do đó mơ hình mơ phỏng rất sát đặc
tính Vơn-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 khơng phải lúc nào cũng
biết được. Để dễ dàng cho người sử dụng, thư viện của TINA có sẵn hàng trăm loại
bóng thơng dụng trên thị trường với các tham số chuẩn do nhà chế tạo cung cấp.
1.3.4. 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 điển tử công suất
(power electronic). Đây là phần mềm bổ sung của mục “power system blockset”
nằm trong phần simulink. Trong đó đưa ra mơ 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 dịng điện,
cịn khi khơng dẫn dịng thì tương ứng đứt mạch (tổng trở bằng vơ hạn), ngồi ra
ln 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 điển tử công suất theo ý muốn (ví dụ
như mạch chỉnh lưu cầu hoặc mạch băm xung…)
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
lầ 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 Vơn-ampe của chúng nữa song điều đó
khơng 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, khơng phải là điện áp điều khiển hay dịng

điều khiển cho van nên không cần chú ý về phương diện cách ly giữa lực và điều
khiển.
Nhìn chung phần mềm Matlab là phần mềm dễ sử dụng, trực quan. Chính vì
vậy, tác giả lựa chọn phần mềm Matlab vào môn điện tử công suất.

8


1.4. Mô phỏng kĩ thuật với Matlab nhằm năng cao hiệu quả dạy và học
Với sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp mơ phỏng ngày càng
chứng tỏ ưu thế của nó. Trong cơng tác phục vụ nghiên cứu, phân tích và thiết kế hệ
thống của các nhận định cũng như các kết quả khoa học, phương pháp mơ phỏng đã
đóng góp một vai trị to lớn, nó cho phép giảm chi phí, hạn chế rủi ro, tăng cường
các ưu điểm của sản phẩm nghiên cứu để từ đó chúng ta có thể đánh giá, rút ngắn
thời gian và hạ giá thành thử nghiệm.
Phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink là một công cụ mô phỏng mạnh
với giao diện, khả năng lập trình linh hoạt, cùng với các cơng cụ có sẵn để phục vụ
mơ phỏng cho cơng việc nghiên cứu cho các ngành kỹ thuật như: Điện, điện tử,
điều khiển tự động… Trong đó Simulink là cơng cụ dùng để mơ phỏng và phân
tích hệ thống động học được tích hợp sẵn trong chương trình Matlab/Simulink cho
phép chúng ta mô phỏng Simulink bao gồm các khâu cơ bản trong ngành kỹ thuật
điều khiển tự động đáp ứng đầy đủ u cầu mơ phỏng, phân tích cũng như tính mở
cho người sử dụng nếu người sử dụng muốn định nghĩa thêm một khâu mới. Ngồi
ra Simulink cịn tương thích với các chương trình được lập trình trên nền Matlab là
M-file. Điều này làm cho q trình mơ phỏng thêm linh hoạt hệ thống trên cả miền
thời gian liên tục và gián đoạn có sẵn trong các thư viện.
Mơ phỏng bằng Matlab phù hợp với mục đích giáo dục.

Hình 1.3: Mục đích giáo dục (theo Albert shanker)
9