แรงบิดขณะสตาร์ทและแรงบิดขณะทำงานแตกต่างกันอย่างไร?

แรงบิดขณะสตาร์ทและแรงบิดขณะทำงานแตกต่างกันอย่างไร?

แรงบิดขณะสตาร์ท (Starting torque) และแรงบิดขณะทำงาน (Working torque) เป็นพารามิเตอร์สำคัญสองประการในการเลือกมอเตอร์ มอเตอร์เกียร์ และชุดเกียร์ แรงบิดขณะทำงานระบุถึงแรงบิดที่จำเป็นเพื่อให้เครื่องจักรทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ในขณะที่แรงบิดขณะสตาร์ทต้องเอาชนะแรงต้านทานเริ่มต้นและสร้างความเร่งให้กับกลไกทั้งหมด

หากเลือกเพียงตามกำลังหรือแรงบิดขณะทำงาน มอเตอร์อาจทำงานได้ปกติหลังจากถึงความเร็วที่กำหนด แต่จะไม่มีแรงเพียงพอที่จะสตาร์ทโหลด

แรงบิดขณะสตาร์ทคืออะไร?

แรงบิดขณะสตาร์ท คือแรงบิดที่มอเตอร์สร้างขึ้น ณ ขณะที่เริ่มหมุน เมื่อความเร็วของเพลาเท่ากับหรือใกล้เคียงกับ 0

สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำที่สตาร์ทโดยตรง พารามิเตอร์นี้ยังถูกเรียกว่า:

• Starting torque

• Locked-rotor torque

• แรงบิดขณะเริ่มเดินเครื่อง

• แรงบิดขณะโรเตอร์ล็อก

แรงบิดขณะสตาร์ทต้องทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน:

1. เอาชนะแรงต้านทานของโหลดในสภาวะหยุดนิ่ง

2. สร้างความเร่งเพื่อให้มอเตอร์และกลไกของเครื่องจักรถึงความเร็วที่ต้องการ

ความสามารถในการสตาร์ทของมอเตอร์ไม่เพียงขึ้นอยู่กับกำลังพิกัดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับลักษณะสมบัติแรงบิด-ความเร็ว แรงดันไฟฟ้า วิธีการสตาร์ท และโหลดของเครื่องจักร มาตรฐาน IEC 60034-12 ได้จำแนกลักษณะสมบัติการสตาร์ทของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสไว้แยกต่างหาก ซึ่งรวมถึงแรงบิดและกระแสไฟฟ้าขณะที่โรเตอร์ยังไม่หมุน

แรงบิดขณะทำงานคืออะไร?

แรงบิดขณะทำงาน คือแรงบิดที่จำเป็นเพื่อให้เครื่องจักรทำงานได้อย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะการทำงานปกติ

จำเป็นต้องแยกแยะสองแนวคิด:

• แรงบิดโหลด (Load torque): แรงบิดที่กลไกของเครื่องจักรต้องการ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง

• แรงบิดพิกัด (Rated torque): แรงบิดที่มอเตอร์หรือชุดเกียร์สามารถจ่ายได้อย่างต่อเนื่องภายใต้สภาวะพิกัด

ในการทำงานที่เสถียร แรงบิดของมอเตอร์จะสมดุลกับแรงบิดโหลดและการสูญเสียทางกล ในขณะนั้นความเร็วจะเกือบจะคงที่

แรงบิดพิกัดของมอเตอร์สามารถคำนวณโดยประมาณได้จากกำลังและความเร็ว:

T = 9.550 × P / n

โดยที่:

• T: แรงบิด, Nm

• P: กำลัง, kW

• n: ความเร็ว, รอบต่อนาที

ตัวอย่างเช่น มอเตอร์ 1,5 kW ที่ทำงานที่ 1.450 รอบต่อนาที มีแรงบิดพิกัดโดยประมาณคือ:

T = 9.550 × 1,5 / 1.450 ≈ 9,88 Nm

การเปรียบเทียบแรงบิดขณะสตาร์ทและแรงบิดขณะทำงาน

ทำไมแรงบิดขณะสตาร์ทถึงอาจสูงกว่าแรงบิดขณะทำงาน?

เมื่อเครื่องจักรทำงานในสภาวะคงตัว มอเตอร์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องจ่ายแรงบิดเพื่อเอาชนะโหลดและการสูญเสียทางกล

ในขณะสตาร์ท มอเตอร์ยังต้องเร่งความเร็วให้กับ:

• โรเตอร์ของมอเตอร์

• เฟืองและเพลา

• ข้อต่อ (Coupling)

• เฟืองโซ่, พูลเลย์ หรือดรัมม้วน

• สายพานลำเลียงและวัสดุ

• ใบกวน

• มวลรวมทั้งหมดที่หมุนหรือเคลื่อนที่ของเครื่องจักร

ความสัมพันธ์ทางพลศาสตร์พื้นฐานคือ:

Tmotor − Tload = J × α

โดยที่:

• Tmotor: แรงบิดของมอเตอร์

• Tload: แรงบิดต้านของโหลด

• J: โมเมนต์ความเฉื่อยที่เทียบเท่า

• α: ความเร่งเชิงมุม

ส่วนต่างระหว่างแรงบิดมอเตอร์และแรงบิดโหลดจะถูกนำไปใช้ในการเร่งความเร็วของระบบ หากแรงบิดมอเตอร์เท่ากับแรงบิดโหลด เครื่องจักรแทบจะไม่มีแรงบิดเหลือสำหรับเร่งความเร็ว ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดรวม โมเมนต์ความเฉื่อย และความเร่งเชิงมุม เป็นหลักการพื้นฐานของระบบขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า

แรงบิดขณะสตาร์ทสูงกว่าแรงบิดขณะทำงานเสมอไปหรือไม่?

ไม่ใช่ทุกการใช้งานที่ต้องการแรงบิดขณะสตาร์ทสูงกว่าแรงบิดขณะทำงานมากนัก

ระดับแรงบิดที่จำเป็นขึ้นอยู่กับลักษณะของโหลด

ดังนั้น จึงไม่ควรใช้ค่าอัตราส่วนแรงบิดขณะสตาร์ทคงที่กับเครื่องจักรทุกประเภท

แรงบิดขณะสตาร์ทของมอเตอร์และเกียร์ทดมีความสัมพันธ์กันอย่างไร?

เกียร์ทดจะทำหน้าที่ลดความเร็วและเพิ่มแรงบิดที่เพลาขาออก

แรงบิดขาออกสามารถประมาณค่าได้ดังนี้:

T₂ ≈ T₁ × i × η

โดยที่:

• T₁: แรงบิดที่เพลามอเตอร์

• T₂: แรงบิดที่เพลาขาออกของเกียร์ทด

• i: อัตราทดเกียร์

• η: ประสิทธิภาพการส่งกำลัง

ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราทดเกียร์ ความเร็ว และแรงบิด เป็นพื้นฐานของระบบส่งกำลังที่มีเกียร์ โหลดความเฉื่อยที่สะท้อนกลับไปยังฝั่งมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงตามค่ากำลังสองของอัตราทดเกียร์

ตัวอย่างเช่น มอเตอร์สร้างแรงบิดขณะสตาร์ทได้ 15 Nm โดยมีเกียร์ทดที่มีอัตราทด 20 และประสิทธิภาพรวม 90%:

T₂ ≈ 15 × 20 × 0,9 = 270 Nm

อย่างไรก็ตาม ไม่ควรสรุปว่าเกียร์ทดนั้นเหมาะสมเพียงเพราะผลลัพธ์นี้ จำเป็นต้องตรวจสอบปัจจัยต่อไปนี้ควบคู่กันไปด้วย:

• แรงบิดขาออกต่อเนื่องที่ยอมรับได้

• แรงบิดสูงสุดที่ยอมรับได้

• แรงบิดขณะสตาร์ทหรือแรงบิดสูงสุดชั่วขณะ

• จำนวนครั้งในการสตาร์ทต่อชั่วโมง

• โหลดกระแทก

• แรงในแนวรัศมีและแรงในแนวแกน

• อายุการใช้งานของตลับลูกปืนและเฟือง

เกียร์ทดที่มีแรงบิดใช้งานเพียงพออาจยังเกิดการโอเวอร์โหลดได้ หากแรงบิดขณะสตาร์ทหรือแรงบิดกระแทกเกินขีดจำกัดระยะสั้น

อิทธิพลของวิธีการสตาร์ท

การสตาร์ทโดยตรง (Direct-on-line)

มอเตอร์จะได้รับแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายโดยตรงและสร้างแรงบิดขณะสตาร์ทตามการออกแบบของมอเตอร์ กระแสขณะสตาร์ทมักจะมีค่าสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟ อุปกรณ์ตัดตอน และความสามารถในการรับโหลดของกลไก

การสตาร์ทแบบสตาร์-เดลต้า (Star-Delta)

แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับขดลวดแต่ละชุดในระหว่างการต่อแบบสตาร์จะต่ำกว่าเมื่อทำงานในแบบเดลต้า ส่งผลให้แรงบิดขณะสตาร์ทลดลงอย่างมาก

วิธีการนี้ไม่เหมาะสมหากโหลดต้องการแรงบิดสูงตั้งแต่สภาวะหยุดนิ่ง

การสตาร์ทแบบซอฟต์สตาร์ท (Soft Starter)

ซอฟต์สตาร์ทจะลดแรงดันไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการเริ่มเดินเครื่องเพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าและลดแรงกระแทกทางกล เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง แรงบิดขณะสตาร์ทของมอเตอร์เหนี่ยวนำก็จะลดลงด้วย

ดังนั้น จึงจำเป็นต้องตั้งค่าเวลาในการเพิ่มแรงดันและแรงดันเริ่มต้นให้เหมาะสมกับโหลด

การใช้เครื่องปรับความถี่ (VFD)

VFD จะควบคุมแรงดันไฟฟ้า ความถี่ และกระแสของมอเตอร์ในระหว่างการสตาร์ท ความสามารถในการสร้างแรงบิดที่ความเร็วต่ำขึ้นอยู่กับ:

• โหมด V/F หรือ Vector control

• การจำกัดกระแสไฟฟ้า

• พารามิเตอร์ของมอเตอร์

• ผลการทำ Autotune

• เวลาในการเร่งความเร็ว

• ความสามารถในการรับโหลดเกินของ VFD

• สภาวะการระบายความร้อนของมอเตอร์

แรงบิดขณะสตาร์ทเมื่อใช้ VFD ไม่ควรประเมินเพียงแค่ค่า Locked-rotor torque ของมอเตอร์เมื่อสตาร์ทโดยตรงเท่านั้น

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงบิดขณะสตาร์ทไม่เพียงพอ?

สัญญาณที่พบบ่อย ได้แก่:

• มอเตอร์มีไฟเข้าแต่ไม่หมุน

• มอเตอร์หมุนช้ามากเมื่อเริ่มเดินเครื่อง

• กระแสไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น

• รีเลย์โอเวอร์โหลดหรือ VFD แจ้งเตือนกระแสเกิน

• สตาร์ทได้เมื่อไม่มีโหลด แต่ไม่สามารถทำงานได้เมื่อมีโหลด

• เวลาในการเร่งความเร็วนานเกินไป

• มอเตอร์ร้อนเร็ว

• เบรกคลายตัวแล้วแต่โหลดไม่เคลื่อนที่

• สายพานลำเลียงกระตุกแล้วหยุด

• ข้อต่อ โซ่ หรือสายพานมีการสั่นสะเทือนรุนแรง

หากมอเตอร์ถูกรักษาไว้ที่ความเร็วต่ำมากเป็นเวลานาน กระแสไฟฟ้าและอุณหภูมิอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของขดลวดลดลง

ทำไมมอเตอร์ที่มีกำลังเพียงพอจึงยังสตาร์ทไม่ได้?

มอเตอร์ที่มีกำลังพิกัดเหมาะสมอาจยังไม่สามารถสตาร์ทได้เนื่องจาก:

• แรงบิดขณะสตาร์ทต่ำกว่าแรงบิดต้าน

• เวลาในการเร่งความเร็วตั้งไว้สั้นเกินไป

• อินเวอร์เตอร์จำกัดกระแสต่ำเกินไป

• แรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายตก

• ต่อวงจรสตาร์ทแบบสตาร์-เดลต้าผิด

• เบรกแม่เหล็กไฟฟ้ายังไม่คลายตัวสมบูรณ์

• โหลดติดขัดทางกล

• ตลับลูกปืนหรือชุดเกียร์ฝืด

• ติดตั้งเฟือง โซ่ หรือพูลเลย์ไม่ถูกต้อง

• มีวัสดุสะสมในสกรูลำเลียงหรือเครื่องกวน

• โมเมนต์ความเฉื่อยของโหลดสูงเกินไป

• ชุดเกียร์มีอัตราทดไม่เหมาะสม

ดังนั้น จึงไม่ควรแก้ไขด้วยการเพิ่มกำลังมอเตอร์ทันทีโดยที่ยังไม่ได้ระบุสาเหตุที่แท้จริง

วิธีการเลือกมอเตอร์และชุดเกียร์ตามแรงบิด

1. กำหนดแรงบิดขณะทำงาน

คำนวณแรงบิดที่จำเป็นเพื่อให้เครื่องจักรทำงานต่อเนื่องได้ที่ความเร็วที่ต้องการ

2. กำหนดแรงบิดต้านขณะสตาร์ท

ตรวจสอบว่าโหลดสตาร์ทแบบไม่มีโหลดหรือเต็มโหลด มีแรงเสียดทานสถิต แรงยก วัสดุแข็งตัว หรือแรงดันเริ่มต้นหรือไม่

3. คำนวณโมเมนต์ความเฉื่อย

ประเมินมวลและขนาดของชิ้นส่วนหมุน เช่น ดรัมม้วนสาย มู่เล่ย์ จานหมุน พูลเลย์ และเพลาเครื่องจักร

4. กำหนดเวลาในการเร่งความเร็ว

ยิ่งเวลาในการเร่งความเร็วสั้นเท่าใด แรงบิดเร่งที่ต้องการก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

5. ตรวจสอบคุณลักษณะของมอเตอร์และอุปกรณ์ควบคุม

จำเป็นต้องยืนยันว่ามอเตอร์และอุปกรณ์ควบคุมสามารถสร้างแรงบิดได้เพียงพอตลอดกระบวนการเร่งความเร็ว ไม่ใช่แค่เฉพาะช่วงเริ่มต้นเท่านั้น

6. ตรวจสอบชุดเกียร์

ชุดเกียร์ต้องรองรับทั้ง:

• แรงบิดต่อเนื่อง

• แรงบิดขณะสตาร์ท

• แรงบิดสูงสุด

• รอบการสตาร์ท

• โหลดกระแทก

• โหลดภายนอกบนเพลา

7. ตรวจสอบเบรกและอุปกรณ์กันย้อน (Backstop)

สำหรับสายพานลำเลียงแบบลาดเอียง รอก หรือกลไกยก ต้องตรวจสอบความสามารถในการยึดโหลดเมื่อมอเตอร์หยุดทำงานหรือไฟฟ้าดับเพิ่มเติม

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการเลือกใช้งาน

เลือกตามกำลัง kW เพียงอย่างเดียว

กำลังไฟฟ้าไม่สามารถแสดงความสามารถในการสตาร์ทได้อย่างครบถ้วน มอเตอร์สองตัวที่มีกำลังเท่ากันอาจมีคุณลักษณะแรงบิดขณะสตาร์ทที่แตกต่างกัน

ตรวจสอบเฉพาะแรงบิดพิกัด

แรงบิดพิกัดแสดงถึงความสามารถในการทำงานที่เสถียร ไม่สามารถใช้แทนการตรวจสอบแรงบิดขณะสตาร์ทและแรงบิดสูงสุดได้

คิดว่าชุดเกียร์ยิ่งใหญ่ยิ่งดี

ชุดเกียร์ที่ใหญ่กว่าอาจเพิ่มความสามารถในการรับโหลด แต่ก็เพิ่มโมเมนต์ความเฉื่อย ขนาด และต้นทุนด้วย ควรเลือกให้เหมาะสมกับโหลดจริง

ลดเวลาในการเร่งความเร็วสั้นเกินไป

เวลาในการเร่งความเร็วที่สั้นเกินไปจะเพิ่มแรงบิดเร่งและกระแสไฟฟ้าที่ต้องการ

ละเลยสถานะของโหลดขณะสตาร์ท

สกรูลำเลียงเปล่าและสกรูลำเลียงที่บรรจุวัสดุเต็มมีความต้องการในการสตาร์ทที่แตกต่างกันมาก

ใช้แรงบิดสูงสุดในการประเมินการทำงานต่อเนื่อง

แรงบิดสูงสุดมักอนุญาตให้เกิดขึ้นได้ในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ห้ามนำมาใช้แทนแรงบิดขณะทำงานต่อเนื่อง

คำถามที่พบบ่อย

แรงบิดขณะสตาร์ท (Starting Torque) คือแรงบิดสูงสุดใช่หรือไม่?

ไม่ใช่ แรงบิดขณะสตาร์ทคือแรงบิด ณ ขณะที่ความเร็วรอบเท่ากับ 0 ส่วนแรงบิดสูงสุด (Maximum Torque) อาจเกิดขึ้นที่ความเร็วรอบอื่นบนเส้นกราฟคุณลักษณะของมอเตอร์

แรงบิดขณะทำงาน (Working Torque) คือแรงบิดพิกัด (Rated Torque) ใช่หรือไม่?

ไม่เชิง แรงบิดขณะทำงานคือแรงบิดจริงที่โหลดต้องการ ส่วนแรงบิดพิกัดคือความสามารถในการจ่ายแรงบิดอย่างต่อเนื่องของมอเตอร์หรือเกียร์ทดภายใต้สภาวะพิกัด

หากมอเตอร์มีแรงบิดพิกัดมากกว่าโหลดถือว่าเพียงพอแล้วหรือไม่?

ยังไม่เพียงพอ จำเป็นต้องตรวจสอบแรงบิดขณะสตาร์ท เวลาในการเร่งความเร็ว ความเฉื่อยของโหลด และแรงบิดสูงสุดเพิ่มเติม

การเพิ่มอัตราทดเกียร์ช่วยให้มอเตอร์สตาร์ทได้ง่ายขึ้นหรือไม่?

การเพิ่มอัตราทดเกียร์มักจะช่วยเพิ่มแรงบิดที่เพลาขาออกและลดแรงบิดของโหลดที่คำนวณย้อนกลับไปยังมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ความเร็วขาออกจะลดลงและต้องตรวจสอบขีดจำกัดของเกียร์ทดด้วย

อินเวอร์เตอร์ (VFD) ช่วยเพิ่มแรงบิดขณะสตาร์ทได้หรือไม่?

อินเวอร์เตอร์สามารถปรับปรุงความสามารถในการควบคุมแรงบิดที่ความเร็วต่ำได้หากเลือกและตั้งค่าอย่างถูกต้อง ความสามารถที่แท้จริงยังคงถูกจำกัดด้วยกระแสไฟฟ้า มอเตอร์ โหมดการควบคุม และความสามารถในการรับโหลดเกินของอินเวอร์เตอร์

เกียร์ทดที่มีแรงบิดขณะทำงานเพียงพอ แต่แรงบิดขณะสตาร์ทไม่เพียงพอจะเป็นอะไรหรือไม่?

เป็น เกียร์ทดอาจรับโหลดต่อเนื่องได้แต่ไม่มีความสามารถเพียงพอที่จะรับแรงบิดสูงสุดขณะสตาร์ท ขณะโหลดติดขัด หรือขณะเปลี่ยนทิศทางการหมุน

MDriveTech ให้คำปรึกษาการเลือกมอเตอร์และเกียร์ทด

MDriveTech สนับสนุนการเลือกมอเตอร์เกียร์และเกียร์ทด DSK, Nara Samyang และ NK สำหรับ:

• สายพานลำเลียง

• สกรูลำเลียง

• เครื่องกวน

• เครื่องบรรจุภัณฑ์

• ม้วนเก็บสาย/วัสดุ

• โต๊ะหมุน

• อุปกรณ์ยก

• ระบบส่งกำลังในงานอุตสาหกรรม

เพื่อให้ได้การเลือกที่แม่นยำ ลูกค้าควรระบุข้อมูลดังนี้:

• กำลังและความเร็วรอบของมอเตอร์

• ความเร็วรอบขาออก

• แรงบิดหรือลักษณะของโหลด

• การสตาร์ทแบบไม่มีโหลดหรือเต็มโหลด

• เวลาในการเร่งความเร็ว

• จำนวนครั้งในการสตาร์ทต่อชั่วโมง

• โหลดมีการกระแทกหรือเปลี่ยนทิศทางหรือไม่

• รูปแบบการติดตั้งและขนาดเพลา

• รูปถ่ายหรือแบบของเครื่องจักร

สายด่วน: 0868 789 647
อีเมล: [email protected]

สรุป

แรงบิดขณะสตาร์ทคือแรงบิดที่จำเป็นในการเอาชนะแรงต้านทานเริ่มต้นและเร่งความเร็วของระบบ ส่วนแรงบิดขณะทำงานคือแรงบิดที่จำเป็นในการรักษาการทำงานของเครื่องจักรที่ความเร็วที่ต้องการ

เมื่อเลือกมอเตอร์และเกียร์ทด จำเป็นต้องตรวจสอบแรงบิดขณะสตาร์ท แรงบิดขณะทำงาน แรงบิดสูงสุด ความเฉื่อยของโหลด เวลาในการเร่งความเร็ว และรอบการทำงานไปพร้อมกัน การเลือกตามกำลัง kW เพียงอย่างเดียวอาจทำให้ระบบมีกำลังเพียงพอแต่ไม่สามารถเริ่มการทำงานได้