بایگانی دسته ی بلاگ

مبانی راکتورهای بار و خط

راکتورها می‌تواند از موتورها و درایوهای الکتریکی (VFDها) در برابر اسپایک های ولتاژ و جریان مضر محافظت کنند. همچنین راکتورها با افزودن امپدانس به سیستم قدرت، به کاهش اعوجاج خط قدرت (یعنی هارمونیک‌ها) نیز کمک می‌کنند.

راکتور چیست؟

به زبان ساده، راکتور خط سه فاز القاگری است که بصورت سری بین دو نقطه در سیستم قدرت متصل شده باشد. راکتورها دستگاه‌های الکترومغناطیسی ساده‌ای هستند که برخی مواقع به آن‌ها القاگر گفته می‌شود. راکتورها از هسته‌ی فولادی تشکیل می‌شوند که از ورقه‌های فولاد الکتریکی و کویل‌های سیم‌پیچی مسی بر روی هر پایه سه فاز ساخته شده‌اند. هر پایه و کویل نشان‌دهنده‌ی یک فاز دستگاه سه فاز است و بصورت سری با درایو فرکانس متغیر (VFD) بسته می‌شود.

راکتور خط اندوکتانس مدار بیش‌تری فراهم می‌کند. این اندوکتانس برای استخراج مقاومت خط بکار برده می‌شود. امپدانس با دقت بسیار بالایی بصورت مقاومت بر حسب اهم تعریف می‌شود اما معمولا در زمان ترکیب با ولتاژ سیستم و جریان خط عبوری از راکتور بر حسب درصد بیان می‌شود. سپس این درصد، اصطلاحی معمول می‌شود که برای تعریف سطح امپدانس برای هر مقدار نامی راکتور خط بکار برده می‌شود. امپدانس برای کاهش نرخ تغییرات جریان در خط عمل می‌کند. هرچقدر جریان عبوری از راکتور بزرگ‌تر باشد، درصد امپدانس اعمالی بیش‌تر می‌شود. اگر راکتور دارای مقدار نامی امپدانس 3% یا 5% باشد، این بدان معناست که راکتور آن درصد مشخص امپدانس را هنگامی که جریان عبوری از راکتور در مقدار نامی دستگاه قرار دارد، اعمال می‌کند. با کاهش جریان به کم‌تر از مقدار نامی جریان بار کامل راکتور، درصد امپدانس اعمالی نیز بطور متناسب کاهش پیدا می‌کند. با توجه به این امر، مهم است که از تعیین اندازه‌ی بزرگ راکتور خط برای جریان بار در آن کاربرد اجتناب کرد.

حفاظت از درایو الکتریکی و کاهش هارمونیک

هرگاه از امپدانس اعمالی راکتور در سمت ورودی درایو الکتریکی استفاده شود، این امپدانس موجب کاهش اعوجاج ولتاژ خط برآمده همانند اسپایک ها و Surgeهای ولتاژ می‌شود. این امر به جلوگیری از خطاهای اضافه ولتاژ و آسیب به مولفه‌های ورودی درایو هنگام رخداد انحرافات ولتاژ خط کمک می‌کند. اختلالات خط در سیستم‌های قدرت با خازن‌های اصلاح کننده ضریب قدرت که بصورت روشن و خاموش می‌آیند و همچنین نوسان بارهای جریان بالا معمول هستند.

راکتورها برای کاهش جریان‌های هارمونیکی کشیده شده توسط درایو نیز عمل می‌کنند و به مسدود کردن هارمونیک‌های ولتاژ خط پس زمینه نیز کمک می‌کنند که ممکن است از عمل مناسب درایو فرکانس متغیر نیز ممانعت به عمل آورد. تقریبا در تمام کاربردهای درایو، افزودن راکتور خط AC ورودی راهکاری کم هزینه برای حفاظت از درایو و کاهش هارمونیک است. به شکل الف و ب مراجعه شود.

حفاظت از موتور

راکتور می‌تواند در سمت بار درایو الکتریکی نیز قرار گیرد تا با عمل کردن به عنوان بافر موثر در بین موتور و درایو از موتورها محافظت کند. درایو با مدولاسیون پهنای پالس (PWM) منبع توان موج مربعی برای موتور الکتریکی تولید می‌کند. شکل موج مربعی مدوله شده دارای لبه‌های تیزی بر روی گذرهای شکل موج است.

با استفاده از ترانزیستورهای خروجی مدرن، درایو به شبیه‌سازی شکل موج قابل استفاده مدوله شده در سرعت‌های بسیار بالا برای تغییر سرعت موتور الکتریکی خواهد پرداخت. این سرعت سوئیچینگ بالا برای موتور مشکل ایجاد می‌کند که بصورت dv/dt یا زمان افزایش و مقدار ولتاژ در لبه‌ی گذرهای سیکل بیان می‌شود. پالس‌های شکل موج سریع باعث می‌شوند اعوجاج ولتاژ و اسپایک ها بوجود بیایند که ممکن است به سیستم عایقی موتور آسیب زده و طول عمر موتورها را کاهش دهد. اندوکتانس راکتور خط باعث نرم شدن لبه‌های تیز و کاهش اعوجاج خواهد شد.

نتیجه‌گیری

راکتورهای اعمالی خط به پایدار کردن شکل موج جریان کمک می‌کنند و به عنوان امپدانس بین منبع تامین کننده انرژی و درایو الکتریکی عمل می‌کنند. این امپدانس هم از بخش ورودی درایو الکتریکی محافظت می‌کند و هم جریان هارمونیکی کشیده شده از سیستم قدرت توسط درایو را کاهش می‌دهد.

راکتورهای اعمالی سمت بار، بافری بین درایو الکتریکی و موتور برای متعادل کردن شکل موج فراهم می‌کنند و فشار ولتاژ بر روی موتور را کاهش می‌دهند. با تغییر شکل موج بصورت پروفیل مناسب‌تر، موتور و سر کابل در شرایط خنک‌تر عمل خواهد کرد و در نتیجه فشار کم‌تری بر روی مولفه‌های انتقال دهنده‌ی جریان در آن کاربرد درایو  قرار می‌گیرد.

سامانه‌ی خاموشی اضطراری در مقابل دکمه‌ی توقف اضطراری 

سامانه‌ی کنترلی کوچکی را در نظر بگیرید که کار مونتاژ ماشین اسباب بازی را انجام می‌دهد.

چندین قطعه وجود دارد که باید در مکان مشخصی جای بگیرد. دو جفت چرخ لازم داریم، به کفی نیاز داریم که چرخ‌ها به آن متصل می‌شوند، و رویه‌ی وسیله‌ی نقلیه که بر کفی سوار می‌شود. به نظر ساده می‌رسد، نه؟

خب، چه می‌شود اگر مشکلی در سامانه‌ی کنترلی رخ دهد و قطعات به طور نامناسبی مونتاژ شوند؟

اگر چنین شود، برای جلوگیری از وارد آمدن خسارت به ماشین، اپراتور باید دکمه‌ی توقف اضطراری را بفشارد تا به سرعت ماشین را متوقف کند و بتواند به طور ایمن برای رفع عیب مداخله کند.

مثالی که زده شد، مبنای روندی را بیان می‌کند که در هر سامانه‌ی کنترلی در سراسر جهان وجود دارد.

مثال ماشین اسباب بازی را برای این زدیم که کارکرد دکمه‌ی توقف اضطراری را شرح دهیم. این در حالی است که در این مقاله قصد داریم درباره‌ی سامانه‌ی خاموشی اضطراری بیاموزیم که تا حدی با دکمه‌ی توقف اضطراری فرق دارد.

اما سامانه‌ی خاموشی اضطراری از پس انجام چه کاری بر می‌آید که دکمه‌ی توقف اضطراری از آن عاجز است؟ پاسخ آن است که سامانه‌ی خاموشی اضطراری می‌تواند وضعیت به طور بالقوه خطرناک را شناسایی کند و با خاموش کردن سیستم، به این وضعیت واکنش نشان دهد و با این اقدام، از کارکنان، تجهیزات، و حتی محیط کارخانه حفاظت کند.

نحوه‌ی عملکرد سامانه‌ی خاموشی اضطراری

حال می‌خواهیم عملکرد سامانه‌ی خاموشی اضطراری را در یک محیط صنعتی کاملاً جدی و واقعی بررسی کنیم. برای همین منظور، مثالی از صنعت نفت و گاز را بررسی می‌کنیم.

در صنعت نفت و گاز، سامانه‌ی خاموشی اضطراری، یک سیستم ایمنی است که برای کمینه کردن تبعات ناشی از یک وضعیت اضطراری طراحی شده است. برای مثال، سامانه‌ی خاموشی اضطراری می‌تواند در هنگام وقوع خرابی، امکان نشت مایعات نفتی، یا امکان نشت مواد خطرناک، و یا امکان بروز آتش سوزی را کاهش دهد.

سامانه‌ی خاموشی اضطراری معمولاً این کار را از طریق پایش وضعیت حسگرهای نصب شده در محل اتصال لوله‌ها به مخازن، یا حسگرهای نصب شده بر روی دریچه‌ها، و یا خروجی رله‌ها و دیگر ورودی‌هایی که به عنوان هشدار به سامانه‌ی کنترلی وارد می‌شوند، انجام ‌می‌دهد.

سامانه‌ی کنترلی می‌تواند تحلیل رابطه‌ی علت و معلولی ارائه دهد که این تحلیل برای حفاظت از تاسیسات ایجاد شده است.

برای خاموشی اضطراری لازم نیست که کل کارخانه از کار بیفتد. گاهی اوقات ممکن است خاموشی کل کارخانه خطرناک‌ تر از اصل خرابی رخ داده در یک قسمت باشد.

سامانه‌ی خاموشی اضطراری، سعی دارد تا تبعات خرابی را کمینه کند. می‌توان با کاهش تعداد عناصر در دسترس کارخانه یا با خاموش کردن بخش‌هایی از سیستم‌ها تبعات خرابی رخ داده را کاهش داد.

در صورت بروز آتش‌سوزی، سامانه‌ی کنترلی اطفای حریق ممکن است در صورت لزوم کنترل‌های موجود بر باز و بسته بودن دریچه‌ها را نادیده بگیرد و درهای ضد حریق را ببندد.

کاربردهای سامانه‌ی خاموشی اضطراری

مثال‌های متعددی برای کاربرد سامانه‌ی خاموشی اضطراری وجود دارد. بیایید برخی از این کاربردها را مرور کنیم.

1- سامانه‌ی جداسازی مخازن هیدروکربن

در سیستمی که مخازن هیدروکربن را جدا می‌کند، بسیار مهم است که سامانه‌ی خاموشی اضطراری به طور مؤثر عمل کند تا چیزی به جو نشت نکند.

2- سیستم تهویه‌ی اضطراری

یکی دیگر از کاربردهای مهم سامانه‌ی خاموشی اضطراری در سیستم تهویه‌ی اضطراری است.

هنگامی که مشکلی تشخیص داده شود که نیاز به تهویه‌ی سریع داشته باشد، بسیار مهم است که سیستم ایمنی بتواند مشکل را شناسایی کند و به آن واکنش نشان دهد، یا حتی بتواند مشکل را قبل از وقوع شناسایی کند.

سیستم تشخیص دود مثالی از سیستم تهویه‌ی اضطراری است.

اگر آتش سوزی تشخیص داده شود، این سیستم احتمالاً برای مهار آتش سوزی، همه‌ی تجهیزات کارخانه را خاموش می‌کند و اجازه نمی‌دهد که اکسیژن وارد شود و آتش‌ شعله‌ورتر شود، اما اگر دود شناسایی شود، ممکن است سیستم تهویه بخواهد دود را خارج کند و بنابراین، تجهیزات کارخانه را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که این کار انجام شود.

سامانه‌ی خاموشی اضطراری معمولاً کنترل‌گر منطقی خود را دارد که این کنترل‌گر منطقی سریع‌تر از یک سیستم PLC عادی به خرابی واکنش نشان می‌دهد.

در زمان وقوع سانحه، هزارم ثانیه‌ها نیز ارزشمند اند و از دست دادن زمان می‌تواند یک مشکل را به یک خرابی فاجعه‌بار تبدیل کند.

سطح یکپارچگی ایمنی چیست؟

سیستم‌های ایمنی بر اساس ریسک و احتمال وقوع فرضیه‌ها، کار دسته‌بندی وضعیت موجود را انجام می‌دهد. به این شیوه‌ی عمل، «سطح یکپارچگی ایمنی» یا به اختصار SIL گفته می‌شود. چهار سطح برای SIL وجود دارد:

1- سطح یکپارچگی ایمنی 1 (SIL 1)

سطح یکپارچگی ایمنی 1 بیانگر یکپارچگی مورد نیاز برای جلوگیری از حوادث نسبتاً جزئی است و ممکن است این سطح از یکپارچگی را بتوان تا حد زیادی از طریق طراحی یک سیستم تحمل پذیر در برابر خرابی که بر اساس دستورالعمل‌های عملیاتی مناسب ایجاد شده است، پیاده‌سازی کرد.

2- سطح یکپارچگی ایمنی 2 (SIL 2)

سطح یکپارچگی ایمنی 2 یکپارچگی را ارائه می‌کند که برای اجتناب از حوادث جدی‌تر اما با تبعات محدود طراحی شده است که این نوع از حوادث می‌تواند منجر به جراحت جدی و مرگ افراد شود.

3- سطح یکپارچگی ایمنی 3 (SIL 3)

سطح یکپارچگی ایمنی 3 بیانگر یکپارچگی مورد نیاز برای اجتناب از حوادث جدی شامل مجموعه‌ای از تلفات و یا جراحات جدی است.

4- سطح یکپارچگی ایمنی 4 (SIL 4)

سطح یکپارچگی ایمنی 4 بیانگر سطح یکپارچگی مورد نیاز برای اجتناب از حوادث فاجعه بار است.

هنگام طراحی سیستم ایمنی، سطح ایمنی مورد نیاز و ریسک مربوط آن را باید از طریق ماتریس ارزیابی ریسک ایمنی محاسبه کرد.

در ماتریس ارزیابی ریسک ایمنی، به هر ریسک یک احتمال وقوع و تبعات ناشی از وقوع را اختصاص می‌دهیم تا به سطح یکپارچگی ایمنی مورد نیاز برای سیستم ایمنی دست یابیم.

عجب! باید به چیزهای زیادی توجه کنیم و کاملاً قابل درک است اگر نیازمند آن هستید که این مقاله را دوباره بخوانید تا به همه‌ی این جزئیات بپردازید.

خلاصه

در واقع، سیستم‌های ایمنی سامانه‌های کنترلی جداگانه‌ای هستند که در شرایط اضطراری مانند سناریوی خاموشی اضطراری، در کنترل‌گر اصلی PLC وقفه ایجاد می‌کند.

سامانه‌ی خاموشی اضطراری با دکمه‌ی توقف اضطراری که روی یک پنل یا در درون یک سلول ماشین تعبیه شده است، فرق دارد. سامانه‌ی خاموشی اضطراری می‌تواند خرابی‌های بالقوه را، از طریق حسگرهای نصب شده بر روی تجهیزات، دریچه‌ها، و از طریق رله‌ها، شناسایی کند و می‌تواند سریع‌تر از اپراتور انسانی به این خرابی‌ها واکنش نشان دهد تا جلوی بزرگتر شدن مشکل و به فاجعه تبدیل شدن آن را بگیرد.

این قطعه یک نیمه‌هادی چندلایه است، به همین دلیل از کلمۀ “سیلیکون” درنام‌گذاری‌اش استفاده شده است. تریستور برای روشن شدن نیاز به اعمال یک سیگنال به گیت دارد. بعد از روشن شدن، بخش “کنترل شده” شبیه یک دیود یکسوساز عمل می‌کند که دلیل استفاده از کلمۀ “یکسوساز” در نامش نیز همین است. در واقع نماد الکترونیکی تریستور نشان می‌دهد که این قطعه، مثل یک دیود یکسوساز کنترل شده عمل می‌کند.

نماد تریستور

گرچه، برخلاف دیود پیوندی که یک قطعۀ نیمه‌هادی دولایه (P-N) است،تریستور یک قطعۀ نیمه‌هادی چهارلایه است    (P-N-P-N) که از سه پیوند PN متوالی تشکیل شده است و با نماد بالا نشان داده می‌شود.

تریستور همانند دیود یک قطعۀ یک‌طرفه است، به این معنی که تنها در یک جهت جریان را هدایت می‌کند، اما بر خلاف دیود، می‌توان از تریستور بسته به چگونگی تحریک گیتش، به عنوان سوئیچ مدارباز یا دیود یکسوساز استفاده کرد. به عبارت دیگر، تنها می‌توان از تریستور در کارهای سوئیچینگ استفاده کرد و کاربردی در زمینۀ تقویتی ندارد.

یکسوساز سیلیکونی کنترل‌شده یا SCR هم یکی از چندین قطعۀ نیمه‌هادی قدرتی است. سایر این قطعات  تریاک‌ها (تریودهای AC)، دیاک‌ها (دیودهای(AC ، و UJTها (ترانزیستورهای تک‌پیوندی) هستند، که همه قادرند مانند سوییچ‌های حالت جامد بسیار سریع AC در کنترل ولتاژها و جریانات AC بالا عمل کنند. به همین دلیل برای دانشجویان الکترونیک، قطعات حالت جامد در زمینۀ کنترل موتورهای AC، لامپ‌ها و کنترل فاز بسیار کاربردی به شمار می‌روند.

مقایسۀ تریستور و دو ترانزیستور

مدار معادل دو ترانزیستوری تریستور، نشان می‌دهد که جریان کلکتور ترانزیستور NPN TR₂  ، مستقیما بیس ترانزیستور PNP   TR₁را تغذیه می‌کند، در حالی که جریان کلکتور TR₁ بیس ₂TR را تغذیه می‌کند. این دو ترانزیستور متصل به هم، برای هدایت به یکدیگر وابسته‌اند، چون هرکدام از آن‌ها جریان بیس-امیترش را از جریان کلکتور-امیتر دیگری می‌گیرد. بنابراین تا زمانی که به یکی از ترانزیستورها جریان بیس وارد می‌شود، حتی اگر ولتاژ آند به کاندی هم وجود داشته باشد، هیچ اتفاق خاصی نخواهد افتاد.

وقتی پایۀ آند تریستور نسبت به پایۀ کاتدش منفی‌تر است، پیوند N_P مرکزی بایاس مستقیم دارد، اما دو پیوند P_N بیرونی‌تر بایاس معکوس شده‌اند و تریستور بسیار شبیه به یک دیود معمولی کار می‌کند. بنابراین تریستور جلوی جریان معکوس را ،تا زمانی که ولتاژ آنقدر بالا برود که از ولتاژ نقطه شکست دو پیوند بیرونی بیشتر شود و تریستور بدون نیاز به اعمال سیگنال به گیت هدایت جریان را انجام دهد، سد می‌کند.

این ویژگی، یکی از ویژگی‌های منفی مهم تریستور است. زیرا ممکن است تریستورها بدون این که ما بخواهیم، با یک ولتاژ معکوس بالا، یابالارفتن دما یا بالارفتن سریع ولتاژ dv/dt  مثل یک پالس ناگهانی، شروع به هدایت جریان کنند.

اگر پایۀ آند تریستور نسبت به پایۀ کاتدش مثبت‌تر شود، دو پیوند بیرونی P_N بایاس مستقیم، و پیوند N_P مرکزی بایاس معکوس می‌شود. بنابراین جلوی جریان مستقیم هم سد می‌شود. اگر یک جریان طمثبت به بیس ترانزیستور NPN TR₂ وارد شود، جریان کلکتور ایجاد شده وارد بیس ترانزیستور TR₁ می‌شود. این اتفاق باعث می‌شود یک جریان کلکتور در ترانزیستور PNP TR₁ایجاد شود که جریان بیس TR₂را افزایشمی‌دهد و این چرخه به همین شکل ادامه دارد.

تریستور معمولی

ترانزیستورها که به شکل حلقۀ فیدبک بازتولیدی غیرقابل توقف به هم متصل شده‌اند، همدیگر را به هدایت تا سر حد اشباع مجبور می‌کنند. وقتی شروع به عبور دادن جریان کنند، جریان عبوری بین آند و کاتد قطعه تنها توسط مقاومت مدار خارجی محدود می‌شود، چرا که هنگام هدایت جریان، مقاومت قطعه در جهت مستقیم بسیار پایین و کمتر از 1 اهم است و به همین دلیل افت ولتاژ و هدررفت برق هم در این قسمت کم است.

اینجاست که می‌توانیم ببینیم تریستور در حالت خاموشش عبور جریان AC  منبع تغذیه را در هر دو جهت سد می‌کند و در حالت روشنش، با اعمال جریان مثبت به بیس ترانزیستور TR₂ که در مورد یکسوسازهای کنترل‌شدۀ سیلیکونی پایۀ “گیت” نامیده می‌شود، به کار کردن مثل یک دیود یکسوساز عادی واداشته شود.

منحنی مشخصه‌های ولتاژ-جریان I-V عملکرد یکسوساز سیلیکونی کنترل‌شده به این صورت است:

منحنی I_V تریستور

زمانی که تریستور روشن شده است و جریان را در جهت مستقیم (آند مثبت) عبور می‌دهد، عملکرد بازتولیدی و غیرقابل توقف (قفل شده) ترانزیستورهای داخلی باعث می‌شود اعمال کنترل با استفاده از سیگنال گیت از بین برود. بعد از شروع بازتولید، اعمال هرگونه سیگنال یا پالس هیچ تاثیری نخواهد داشت، چرا که تریستور در حال هدایت جریان و کاملا روشن است.

SCR برخلاف ترانزیستور قابلیت بایاس شدن برای ماندن در ناحیۀ فعال در طول خط بار، بین دو حالت اشباع و سد کنندگی را ندارد. دامنه و مدت زمان پالس “روشن کننده” گیت تاثیر کمی بر عملکرد قطعه دارد، زیرا هدایت به شکل داخلی کنترل می‌شود. به همین دلیل اعمال یک پالس گیت لحظه‌ای به قطعه کافیست تا آن را وادار به هدایت کرده و دائما، حتی اگر سیگنال گیت کاملا برداشته شود، روشن نگه دارد.

به همین خاطر می‌توان تریستور را نوعی قطعۀ قفل شوندۀ دوپایا دانست که دو حالت پایدار “روشن” و “خاموش” را دارد. به این علت که یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی وقتی هیچ سیگنال گیتی اعمال نشده، راه جریان را در هر دوجهت موج AC سد کرده، و هنگامی که برای هدایت تحریک شود، عملکرد قفل‌شوندگی بازتولیدی به این معناست که قطعه نمی‌تواند دوباره با استفاده از گیتش “خاموش” شود.

پس چطور می‌توان تریستور را خاموش کرد؟

زمانی که تریستور در حالت “روشن”‍اش خود-قفل‌شوندگی انجام داده و جریان عبور می‌دهد، تنها به یکی از این دو روش دوباره “خاموش” خواهد شد:یا ولتاژ تغذیه و به تبع آن جریان آندش(I_A)  ‌ کاملا قطع شود، و یا جریان آند به کاتدش با یک ابزار خارجی (مثلا قطع کردن یک کلید) تا کمتر از آنچه معمولا “حداقل جریان نگهدارنده” (I_H)  ‌ خوانده می‌شود، کاهش یابد.

بنابراین جریان آند باید آنقدر طولانی به کمتر از حداقل جریان نگهدارنده کاهش یابد، که پیوندهای PN تریستور که در داخل قفل‌شده‌اند، قبل از اعمال دوبارۀ ولتاژ مستقیم به قطعه بدون خود-هدایتگری اتوماتیکش، از حالت سدکنندگی خارج شوند. واضح است که در این حالت برای هدایت جریان قبل از هرچیز ، جریان آند تریستور که جریان بار (I_L) هم هست، باید از میزان جریان نگهدارنده‌اش بیشتر باشد. یعنی I_L > I_H.

از آنجا که تریستور قابلیت “خاموش” شدن در هر زمانی که جریان آند کمتر از حداقل جریان نگهدارنده شود را دارد، وقتی SCR با یک منبع تغذیۀ سینوسی AC کار می‌کند، خودش در نقطه‌ای نزدیک به محل تقاطع نمودار با منحنی خودش را “خاموش” می‌کند، و همانطور که اکنون می‌دانیم، تا اعمال پالس تریگر بعدی به گیت “خاموش” باقی می‌ماند.

این موضوع که قطبیت ولتاژ سینوسی AC دائما در حال نوسان  بین مثبت و منفی در هر نیم سیکل است، باعث می‌شود تریستور امکان “خاموش” شدن در نقطۀ صفر (محل تلاقی نمودار سینوسی با محور افقی) در فاز 180 قسمت مثبت موج را دارد. این اثر با عنوان “جابجایی طبیعی” شناخته شده و یکی از ویژگی‌های بسیار مهم SCR است.

جابجایی طبیعی در تریستورهایی که در مدارهای با منبع تغذیۀ DC  استفاده می‌شوند اتفاق نمی‌افتد، زیرا ولتاژ تغذیه DC یکنواخت است و باید در زمان مناسب از روش‌های دیگری برای “خاموش” کردن تریستور استفاده شود، چون با یک بار تحریک تریستور دائما به هدایت ادامه خواهد داد.

در مدارهای AC سینوسی جابجایی طبیعی در هر نیم سیکل اتفاق می‌افتد. در طول نیمۀ مثبت سیکل موج سینوسی AC، تریستور بایاس مستقیم شده (آند مثبت) و می‌تواند با اعمال یک سیگنال یا پالس به گیت “روشن” شود. در طول نیمۀ منفی سیکل، آند منفی و کاتد مثبت می‌شود. تریستور با این ولتاژ بایاس معکوس شده و حتی اگر سیگنالی به گیت اعمال شود هم قادر به هدایت جریان نخواهد بود.

بنابراین با اعمال سیگنال به گیت در زمان مناسبی از نیمۀ مثبت موج AC، می‌توان تریستور را به هدایت کردن جریان تا پایان نیم سیکل مثبت واداشت. بنابراین می‌توان از کنترل فاز برای راه‌اندازی  تریستور در هر نقطه از نیمۀ مثبت موج AC استفاده کرد و یکی از کاربردهای بسیار یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی هم همانطور که نشان داده شد، کنترل توان سیستم‌های AC است.

کنترل فاز تریستور

در شروع هر نیم سیکل مثبت SCR “خاموش” است. هنگام اعمال پالس به گیت، SCR تحریک به هدایت جریان می‌شود و تا پایان نیم سیکل مثبت، کاملا در حالت “روشن” قفل می‌ماند. اگر تریستور در شروع نیم سیکل مثبت (θ = 0^o)  راه‌اندازی شود، بار (مثلا یک لامپ) برای کل مدت نیم‌سیکل مثبت، با ولتاژ حداکثرِ متوسطی به اندازۀ  0.318 x Vp روشن خواهد ماند (یکسوساز نیم موج AC).

با افزایش اعمال  پالس تریگر گیت  در طول نیم سیکل (90تا0= θ)، لامپ زمان کوتاه‌تری روشن می‌ماند و ولتاژ متوسط رسیده به لامپ هم همزمان کاهش پیدا کرده و باعث کم نورتر شدن لامپ می‌شود.

پس ما می‌توانیم از یکسوساز کنترل‌شدۀ سیلیکونی به عنوان دیمر نور AC و همچنین در کاربردهای قدرتی AC دیگری مثل: کنترل سرعت موتور AC، سیستم کنترل دما و مدارهای تنظیم‌کنندۀ توان و … استفاده کنیم.

تا اینجا دیدیم که تریستور  در واقع یک قطعۀ نیم موج است که وقتی آندش مثبت است تنها در نیمۀ مثبت سیکل هدایت را انجام می‌دهد و وقتی آندش منفی است، بدون توجه به سیگنال گیت، در برابر عبور جریان سد ایجاد می‌کند.

اما قطعات نیمه‌هادی دیگری هم تحت عنوان “تریستور” در دسترس هستند که توانایی عبور دادن جریان در هر دو جهت را دارند، قطعات تمام موج هستند، یا امکان خاموش شدن با سیگنال گیت را دارند.

اینگونه قطعات شامل “تریستورهای خاموش از گیت” (GTO)، “تریستورهای القای استاتیک” (SITH)، “تریستورهای کنترلی MOS” (MCT)، “سوییچ کنترل‌شونده سیلیکونی” (SCS)، “تریستورهای تریودی” (TRIAC)، و “تریستورهای فعال شونده با نور” (LASCR) به عنوان چند نمونه هستند. این قطعات همه در دسته‌بندی‌های مختلف ولتاژی و جریانی وجود دارند که آن‌ها را برای استفاده در کاربردهای در توان خیلی بالا قابل توجه می‌کند.

خلاصه

یکسوسازهای کنترل‌شدۀ سیلیکونی که با نام تریستور هم شناخته می‌شوند، قطعات نیمه‌هادی سه پیوندی PNPN هستند که می‌توان آن‌ها را به عنوان دو ترانزیستور متصل‌شده به هم که در سوئیچینگ بارهای الکتریکی بالا قابل استفاده هستند نیز در نظر گرفت. این قطعات می‌توانند با اعمال یک پالس جریان مثبت به پایۀ گیتشان در حالت “روشن” قفل شوند و تا هر زمان نامحدودی که جریان آند به کاتد از حداقل جریان قفل‌نگه‌دار کمتر نشده باشد “روشن” بماند.

مشخصه‌های استاتیکی تریستور

• تریستورها قطعاتی نیمه‌هادی هستند که تنها در حالت سوئیچینگ قابل استفاده‌اند.
• تریستورها قطعاتی هستند که بر پایۀ جریان کار می‌کنند، یک جریان گیت کوچک، جریان آند بزرگ‌تری را کنترل می‌کند.
• تنها در حالت بایاس مستقیم و اعمال جریان تریگر به گیت جریان را عبور می‌دهد.
• تریستور هنگامی که “روشن” است مانند یک دیود یکسوساز عمل می‌کند.
• جریان آند باید از جریان نگهدارنده بالاتر باشد تا عبور جریان ادامه پیدا کند.
• فارغ از جریان اعمال شده به گیت، جلوی جریان عبوری را در زمان بایاس معکوس سد می‌کند.
• وقتی “روشن” می‌شود، حتی زمانی که دیگر جریانی به گیت اعمال نمی‌شود تا جریان آند را بالاتر از جریان قفل‌شوندگی نگه‌دارد، در همان حالت “روشن” قفل می‌شود.

تریستورها سوئیچ‌های سرعت بالایی هستند که چون قطعۀ متحرک، قوس الکتریکی هنگام اتصال، و فرسودگی بر اثر پوسیدگی و گرد و خاک ندارند، می‌توانند در بسیاری از مدارها به عنوان جایگزین برای رله‌های الکترومکانیکی به کار روند. اما تریستورها علاوه بر سوئیچینگ راحت بین “روشن” و “خاموش” در جریان‌های بزرگ، می‌توانند برای کنترل مقدار متوسط جریان AC بار، بدون هدر دادن توان زیاد، به کار روند. کنترل روشنایی الکتریکی، هیترها، و سرعت موتور، مثال‌هایی خوب از کنترل توان توسط تریستور هستند.

پروتکل مدباس به عنوان «پروتکل باز»

بسته به تولید کننده‌ی تجهیزات اتوماسیون پردازش، از زبان بسیار خاص یا اختصاصی استفاده می‌شود که ممکن است زبانی باشد که معمولا در صنعت کارایی دارد. بسیاری از تولید کنندگان برای روانه کردن راحت محصولاتشان به بازار از این زبان استفاده می‌کنند.

«پروتکل باز» به این معناست که مشخصات منتشر شده‌اند و ممکن است آزادانه یا با مجوز توسط افراد مورد استفاده قرار گیرند.

پروتکل‌های باز معمولا توسط گروهی از شرکت‌ها، گروه‌های کاربران، جوامع حرفه‌ای و دولت‌ها پشتیبانی می‌شوند. این امر گزینه‌های متعددی از دستگاه‌ها یا سیستم‌هایی را فراهم می‌کند که می‌توان از آن‌ها برای انجام کارهای خاصی بهره برد.

مزایای پروتکل‌های باز عبارتند از پشتیبانی توسط چند تولید کننده، فروشندگان نرم‌افزار و سازمان‌های نصب‌کننده یا ارائه دهنده‌ی خدمات، گروه‌های فعال جامعه برای پشتیبانی، امکان بقای فعلی و افزودن قابلیت‌ها در آینده.

یکی از رایج‌ترین پروتکل‌های ارتباطات اتوماسیون (Automation Communication Protocols) در اتصال دستگاه‌های الکترونیکی صنعتی که امروزه از آن استفاده می‌شود مدباس هست.

در این مقاله، در مورد چیستی پروتکل ارتباطی مدباس و انواع ارتباطات مدباس مورد استفاده در صنعت بحث خواهیم کرد.

پروتکل مدباس چیست؟

پروتکل ارتباطی مدباس (Modbus) قدیمی‌ترین و به مراتب رایج‌ترین پروتکل اتوماسیون در زمینه‌ی اتوماسیون پردازش و SCADA (سامانه سرپرستی و گردآوری داده) است.

آشنایی با شیوه‌‌ی ایجاد شبکه‌های مبتنی بر مدباس برای هر تکنسین و مهندس برقی که در این زمینه کار می‌کند ضروریست.

توانایی افزودن (یکپارچه‌سازی) دستگاه‌هایی از تولیدکنندگان مختلف مهارتی است که مورد تقاضا است و یادگیری آن جایگاه شما در صنعت و بازار ارزشمندتر می‌کند.

مدباس پروتکل ارتباطی است که در سال 1979 توسط مودیکون (Modicon) برای استفاده با کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) منتشر شد. هم اکنون شرکت اشنایدر الکتریک (Schneider Electric) مالک مودیکون هست.

مدباس زبان مشترکی را برای ایجاد ارتباط بین دستگاه‌ها و تجهیزات با یکدیگر فراهم می‌کند. به عنوان مثال، مدباس این امکان را برای دستگاه‌های موجود در سیستم که دما و رطوبت را اندازه‌گیری می‌کنند فراهم می‌کند تا بر روی یک شبکه متصل بوده و نتایج را به رایانه‌ی نظارتی یا PLC تحویل دهند.

توسعه و به روزرسانی پروتکل‌های مدباس توسط سازمان مدباس (Modbus Organization) مدیریت می‌شود. سازمان مدباس انجمنی از کاربران و تامین‌کنندگان دستگاه‌های سازگار با مدباس هستند.

انواع پروتکل‌های ارتباطی مدباس

چند نسخه از پروتکل مدباس برای پورت سریال و اترنت وجود دارد و متداول‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• Modbus RTU
• Modbus ASCII
• Modbus TCP
• Modbus Plus

موديكون رابط ارتباطي مدباس را براي شبكه‌ی چندهاپی بر مبنای معماري Master-Slave منتشر كرد.

ارتباط بین گره‌های مدباس از طریق پیام‌های درخواستِ ارسال و پاسخِ خواندن حاصل می‌شود.

پروتکل مدباس و رسانه‌ی فیزیکی آن

مدباس استاندارد باز است که گفتگوی ارتباط پیام‌رسانی را توصیف می‌کند.

مدباس با انواع مختلفی از رسانه‌های فیزیکی ارتباط برقرار می‌کند، از جمله:

• سریال RS-232
• سریال RS-485
• سریال RS-422
• اترنت

رابط کاربری مدباس اصلی روی ارتباط سریال RS-232 اجرا شد، اما اکثر پیاده‌سازی‌های بعدی مدباس از RS-485 استفاده می‌کنند زیرا موارد زیر را میسر می‌سازد:

• مسافت‌های طولانی‌تر،
• سرعت‌های بالاتر،
• امکان قرار گرفتن چند دستگاه در یک شبکه‌ی Multi-drop

ارتباط مدباس Master-Slave بر روی رسانه‌ی فیزیکی سریال RS-485 از اتصالات فرستنده و گیرنده‌ی دو سیمی استفاده می‌کند.

بر روی رابط‌های ساده همانند RS232 یا RS485، پیام‌های مدباس بصورت ساده از طریق شبکه ارسال می‌شوند و شبکه فقط به ارتباطات مدباس اختصاص می‌یابد.

اما اگر شبکه‌ به چند دستگاه متفاوت با استفاده از یک سیستم شبکه‌ی همه‌کاره‌تر همانند TCP/IP بر روی اترنت نیاز داشته باشد، پیام‌های مدباس در بسته‌های اترنت با فرمت از قبل تعیین شده برای این رابط فیزیکی تعبیه می‌شوند.

بنابراین در این حالت، مدباس و انواع دیگر پروتکل‌های مرکب می‌توانند همزمان در یک رابط فیزیکی وجود داشته باشند.

مقدمه‌ای بر ساختار پیام مدباس

ساختار پیام مدباس اصلی بصورت Peer-to-Peer است. مدباس قادر به عملکرد در هر دو شبکه‌ی نقطه به نقطه (Point-to-Point) و چندهاپی(Multidrop) است.

دستگاه‌های مدباس با استفاده از تکنیک Master-Slave (Client-Server برای اترنت) ارتباط برقرار می‌کنند که در آن تنها یک دستگاه (Master-Slave) قادر به آغاز تبادلات ( تحت عنوان صف ها (queries) ) هست.

سایر دستگاه‌ها (Slaves/Clients) با تحویل داده‌های درخواستی به Master یا با انجام عمل درخواستی در query پاسخ می‌دهند.

Slave به هر دستگاه جانبی مانند I / O transducer، دریچه، درایو شبکه یا سایر دستگاه‌های اندازه‌گیری گفته می شود که اطلاعات را پردازش می‌کند و با استفاده از مدباس پیام پاسخ خود را به Master ارسال می‌کند.

Master ها می‌توانند تک تک Slave ها را در نظر بگیرند یا پیام همه جانبه (Broadcast message) را به تمام Slaveها ارسال کنند. Slaveها به تمام پرسش‌های ارسالی پاسخ می‌دهند اما به پیام‌هایBroadcast پاسخ نمی‌دهند.

Slaveها به خودی خود پیامی را ارسال نمی‌کنند و تنها به صف پیام ارسالی از Master پاسخ می‌دهند.

درخواست Master شامل موارد زیر خواهد بود:

• آدرس Salve (آدرس broadcast).
• کد عملکرد با دستور خواندن یا نوشتن داده به Slave.
• «داده‌های» دستور نوشتن اگر دستور نوشتن توسط Master ارسال شده باشد.
• قسمت بررسی خطا.

بررسی خطا مقداری است که Salve یا Master در ابتدای انتقال یا پاسخ ایجاد می‌کند و سپس زمان دریافت پیام بررسی می‌شود تا صحیح بودن محتوا تایید شود.

پاسخ یک Slave شامل موارد زیر می‌شود:

• قسمت‌هایی که دریافت درخواست را تایید می‌کند.
• داده‌هایی که باید برگردانده شوند.
• داده‌های بررسی خطا.

اگر خطایی رخ ندهد، پاسخ Slave  حاوی داده‌های درخواستی خواهد بود.

اگر خطایی در صف پیام دریافتی توسط Slave رخ دهد، یا اگر Slave نتواند عملکرد درخواستی را انجام دهد، Slave پیام استثنایی (Exception message) را به عنوان پاسخ خود برمی‌گرداند.

قسمت بررسی خطا در قاب پیام Slave به Master اجازه می‌دهد تا صحت محتوای پیام را تایید کند.