ทอร์คของมอเตอร์ (Motor Torque)

ทอร์คของมอเตอร์ (Motor Torque)

            เมื่อพูดกันถึงคุณสมบัติของมอเตอร์แล้ว เรามักจะพิจารณากันถึงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเร็วรอบของมอเตอร์, แรงม้ามอเตอร์, กระแสที่ใช้หรือความร้อนจากตัวมอเตอร์ แต่ปัจจัยที่สำคัญอีกอันหนึ่งซึ่งเรามักจะมองข้ามไปก็คือ แรงบิดหรือทอร์คของมอเตอร์นั่นเอง

            ทอร์คของมอเตอร์นั้นจะเป็นปัจจัยสำคัญในการที่จะทำให้เราสามารถใช้งานมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและช่วยลดค่าไฟของมอเตอร์ ความเข้าใจในเรื่องทอร์คของมอเตอร์จำเป็นสำหรับการเลือกมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดและสามารถใช้งานได้อย่างดีที่สุดกับงานแต่ละอย่าง เพราะราคาของมอเตอร์นั้นขึ้นกับแรงบิดของมอเตอร์โดยตรง ถ้าสามารถเลือกมอเตอร์ที่มีแรงบิดเหมาะสมกับโหลด ก็จะทำให้มอเตอร์ทำงานได้ประสิทธิภาพ แต่ถ้าเลือกมอเตอร์ที่มีแรงบิดสูงๆ ไปใช้กับโหลดที่ต้องการแรงบิดต่ำแล้ว ประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์จะตกลงไปเป็นอย่างมาก

            เมื่อพูดถึงทอร์คในเรื่องเกี่ยวกับมอเตอร์นั้น จะมีความหมายเป็น 2 นัย นัยแรกก็คือ ทอร์คของตัวมอเตอร์คือ แรงบิดที่มอเตอร์สามารถให้ในการขับโหลดได้ ที่เรียกว่า มอเตอร์ทอร์ค (motor torque) ซึ่งเป็นแรงบิดที่แกนเพลาของมอเตอร์ปกติจะกำหนดค่าเป็น ฟุต-ปอนด์ นัยที่สองคือ โหลดทอร์ค (load torque) คือแรงบิดที่แกนเพลาของโหลดที่ต้องการในการหมุนให้ได้รอบที่ถูกต้อง และปกติ จะมีค่าเป็นฟุต-ปอน เช่นเดียวกัน

            ตามมาตรฐานจะกำหนดแต่เพียงค่าของแรงม้าและความเร็ว แต่ค่าแรงม้าและค่าแรงบิดของมอเตอร์จะมีความสัมพันธ์กันโดยสูตร ต่อไปนี้คือ

            แรงม้ามอเตอร์ = แรงบิดที่แกนเพลาของมอเตอร์ (ฟุต-ปอนด์ * ความเร็วรอบ)
                                                                                                         5250

            แนวทางในการเลือกมอเตอร์ใช้งาน

            ในแง่ของการสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายแล้ว แนวทางที่สำคัญ 2 ประการซึ่งเราควรจะยึดในการเลือกซื้อมอเตอร์มาใช้งาน ก็คือ

            1. เลือกมอเตอร์ให้มีกำลังเพียงพอกับการใช้งานเท่านั้น อย่าเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่เกินไป

            2. พยายามลดการนำเอามอเตอร์มาใช้งานในสภาวะที่โหลดมีค่าต่ำเป็นเวลานานๆ

            ในแง่ของการใช้งานแล้วจะมีทอร์คของมอเตอร์อยู่ 3 ประการที่จะต้องนำมาพิจารณา นั่นก็คือ

            1. ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติ (steady state torque)

            2. ทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว (acceleration torque)

            3. ทอร์คสำหรับการเริ่มหมุนจากสภาวะหยุดนิ่ง หรือค่าทอร์คสูงสุด (starting or break anay torque)

            ในการที่จะนำเอามอเตอร์ไปใช้งานอย่างได้ผลนั้น ผู้ใช้จำเป็นที่จะต้องเข้าใจถึงคุณสมบัติของมอเตอร์ตามมาตรฐานชนิด NEMA DESIGN B ที่แสดงให้เห็นทอร์คที่เกิดขึ้นเทียบกับความเร็วรอบต่างๆ ของมอเตอร์

            ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติ

            ทอร์คในสภาวะการใช้งานปกติของโหลดนั้น คือทอร์คที่โหลดต้องการสำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง มีผลเกี่ยวกับความร้อนที่เกิดขึ้นด้วย ดังนั้นมอเตอร์จะต้องสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง ค่าแรงม้าที่ระบุไว้บนแผ่นป้ายของมอเตอร์จะเป็นสิ่งรับประกันว่าโหลดที่มีค่าดังกล่าวนี้จะสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง โดยไม่ก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจนเกินกว่าค่าที่ฉนวนของมอเตอร์จะทนได้

            รายละเอียดที่แสดงไว้บนแผ่นป้ายของมอเตอร์จะบอกข้อมูลอื่นๆ ที่เกี่ยวกับการใช้งานโหลดน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ทอร์คที่โหลดต้องการในสภาวะการใช้งานตามปกติจึงมักจะไม่ค่อยเหมาะกับโหลดที่มอเตอร์สามารถจ่ายให้ได้ ดังนั้นมอเตอร์ตามมาตรฐานของ NEMA จึงมีการกำหนดค่าของปัจจัยบริการ (service factor) (ปกติจะมีค่า 1.15 สำหรับมอเตอร์ชนิดกันหยดน้ำกระเซ็น หรือ (drip proof motor) ทั้งนี้เพื่อให้มอเตอร์สามารถใช้งานได้กับสภาวะโหลดเกินกำลังที่อาจจะเกิดขึ้นในบางครั้ง

            ทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว

            การเร่งรอบความเร็วของโหลดส่วนใหญ่นั้น โดยปกติแล้วจะไม่ใช่ปัญหาอะไร ยกเว้นในกรณีที่โหลดซึ่งถูกขับนั้น มีค่าความเฉื่อยสูง ซึ่งเวลาที่ใช้ในการเร่งรอบความเร็วจากสภาวะหยุดนิ่งจนถึงรอบความเร็วปกตินั้นอาจจะกลายเป็นปัญหาที่สำคัญได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่เวลาดังกล่าวนั้นเกินกว่า 10 วินาที เหตุผลเรื่องนี้สามารถแสดงได้ดังในรูปที่ 2 ที่ผ่านมา ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามอเตอร์จะดึงกระแสไฟฟ้าสูงมาก ในขณะที่เริ่มหมุน จนกว่ามันจะมีรอบความเร็วตามปกติ ถ้ากระแสที่มีค่าสูงของมอเตอร์นี้มีอยู่นานจะเกินไป ค่าการสูญเสียก็จะทำให้มอเตอร์เกิดความร้อนจัดหรือทำให้อุปกรณ์ป้องกันในวงจรไฟฟ้าเกิดการ trip บ่อยครั้ง ซึ่งล้วนแต่เป็นสภาวะที่ไม่อาจยอมรับได้

            เวลาที่ใช้ในการเร่งรอบความเร็วนี้จะขึ้นกับค่าความเฉื่อยของอุปกรณ์ที่หมุนเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เวลานี้ก็ยังขึ้นกับค่าความแตกต่างของทอร์คที่โหลดต้องใช้ในการหมุน และทอร์คที่มอเตอร์สามารถจ่ายให้ได้ที่แต่ละความเร็วรอบดังในรูปที่ 3  จะเป็นมอเตอร์มาตรฐานชนิด NEMA B ซึ่งใช้กับโหลดที่ต้องการค่าทอร์คคงที่

            การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าปกติย่อมทำให้มีทอร์คสำหรับการเร่งรอบความเร็ว เหลือพอสำหรับแก้ปัญหาดังกล่าวนี้ แต่ก็จะทำให้ตุ้นทุนของมอเตอร์สูงขึ้น และสำหรับการใช้งานในสภาวะปกตินั้นมอเตอร์จะถูกใช้งานที่ค่าเปอร์เซ็นต์ของทอร์คต่ำลงกว่าทอร์คปกติ อันทำให้มอเตอร์ถูกใช้งานในสภาพที่มีประสิทธิภาพต่ำ

            ทอร์คสำหรับการเริ่มต้นหมุน

            โหลดบางประเภทอาจจะก่อให้เกิดปัญหาในด้านของทอร์คสำหรับการเริ่มต้นหมุนอุปกรณ์นั้น

            ค่าความเสียดทานในขณะที่ชิ้นส่วนเริ่มเกิดการหมุน (static friction) จะมีค่าสูงกว่าความเสียดทานในขณะที่มีการหมุน (rolling friction) แล้วหรือไม่นั้นจะขึ้นกับชนิดของแบริ่งที่ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบริ่งแบบปลอก (sleeve bearing) ซึ่งต้องอาศัยน้ำมันหล่อลื่นเลี้ยงแบริ่ง ดังนั้น ก่อนที่แกนเพลาของโหลดจะหมุนไปได้นั้น ทอร์คของมอเตอร์จะต้องสามารถเอาชนะค่าทอร์คที่โหลดต้องใช้ในขณะเริ่มต้นหมุน ซึ่งมีค่าสูงกว่าทอร์คในขณะที่โหลดได้หมุนไปแล้ว

            และก็เช่นเดียวกับกรณีอื่น ๆ การเลือกมอเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะสามารถแก้ปัญหานี้ได้ แต่จะทำให้เกิดความสูญเสียพลังงานในสภาพการใช้งานตามปกติ ดังนั้น จึงควรเลือกมอเตอร์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสำหรับการใช้กับงานบางประเภท โดยเฉพาะซึ่งเป็นทางเลือกที่ดีกว่าการใช้มอเตอร์ชนิดทั่วไปในการขับโหลดดังกล่าว

            ผลของการเปลี่ยนแปลงความถี่ของกระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้าที่มีผลต่อทอร์คของมอเตอร์

            ในปัจจุบันนี้ได้มีการคิดค้นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนแปลงค่าความถี่ของกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรอบความเร็วของมอเตอร์ อย่างไรก็ตามในเรื่องของการเปลี่ยนแปลงทอร์คของมอเตอร์ที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของกระแสไฟฟ้านั้นกลับเป็นเรื่องที่แทบจะไม่มีใครเคยพูดถึง ทั้งที่การเปลี่ยนแปลงทอร์คมอเตอร์นั้นจะมีผลต่อการใช้งานมอเตอร์เป็นอย่างมาก ในที่นี้เราจะพูดถึงผลของการเปลี่ยนแปลงความถี่กระแสไฟฟ้าที่มีผลต่อทอร์คของมอเตอร์ และในขณะเดียวกันก็จะได้กล่าวถึงผลการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีทอร์คของมอเตอร์ด้วยเช่นกัน อันจะทำให้ผู้ใช้สามารถนำไปพิจารณาในการเลือกมอเตอร์ใช้ขับโหลดในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าความถี่กระแสไฟฟ้า หรือค่าแรงดันไฟฟ้าดังกล่าว โดยจะกล่าวถึงมอเตอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (induction motor)