گشتاور چیست؟

گشتاور چیست؟ مفهوم این کلمه سوال بسیاری از ماست. همیشه در کنترل الکتروموتور می شنویم: گشتاور راه اندازی، گشتاور بالا، گشتاور ثابت، گشتاور متغیر و … . همیشه این کلمه ها تو گوش ما تکرار میشن. اما واقعا گشتاور چیست؟ در این مطلب بر آنیم تا به این سوال پاسخ دهیم.

گشتاور چیست؟

به بیان ساده گشتاور همان نیرو است. منتها نیرویی که چیزی را به “چرخش” در میاره (به صورت دایره ای). پس اگه نیرو باعث حرکت غیر دایره ای بشه دیگه اسمش گشتاور نیست.

ساده بود. نه؟!

خب. حالا شکل زیر رو ببینید. فرض کنید اون دست شماست. شما پمپ رو از الکتروموتور جدا کردید و میخواید محور اون رو با دست بچرخونید.

گشتاور چیست؟
گشتاور چیست؟

اگه آب توی پمپ نباشه احتمالا مشکلی نداشته باشید و بتونید بچرخونیدش. یعنی نیروی دست شما گشتاور کافی رو ایجاد میکنه.

خب. حالا فرض کنید داخل پمپ پر از آب باشه. بنظرتون چه تغییری ایجاد میشه؟ بازم میتونید به همون راحتی بچرخونیدش؟

نه نمیتونید. یا بسختی بتونید کمی بچرخونیدش. چرا؟ چون نیروی دست شما نمیتونه گشتاور لازم رو ایجاد کنه. بنظرتون راه حل چیه؟ چطور میتونید گشتاور دستتون رو زیاد کنید؟

بنظرتون اگه از یه آچار مناسب استفاده کنید، بتونید؟

تاثیر طول محور بر گشتاور
تاثیر طول محور بر گشتاور

بله مطمئنا. طبق شکل فوق اگه از یه آچار فرانسه به اندازه کافی بزرگ استفاده کنید، میتونید خیلی راحت شفت رو بچرخونید. در حالی که نیرو همون نیروی دست قبلی هستش، ولی گشتاور زیاد شده. بخاطر فاصله نقطه اعمال نیرو تا شفت.

پس گشتاور علاوه بر اینکه به نیرو وابسته است، به فاصله اعمال نیرو تا مرکز هم وابسته است. (شعاع دایره چرخش). پس فرمول گشتاور بصورت کلی میشه:

شعاع × نیرو = گشتاور

که واحد اش هم نیوتن-متر (N.M) هستش. نتیجه این میشه که برای اینکه قدرت چرخوندن یا گشتاور زیاد بشه، بایستی یا نیروی اعمالی رو زیاد کنید یا شعاع اعمال نیرو تا مرکز رو (و یا هر دو). مثلا اگه میخواید با نیروی 20 نیوتن، گشتاور 10 نیوتن-متر ایجاد کنید، شعاع یا فاصله محل ورود نیرو تا شفت باید حداقل 0.5 متر یاشه. اگه میخواید گشتاور تا 40 نیوتن-متر افزایش پیدا کنه (4 برابر بشه)، حتما بایستی یا نیرو رو بکنید 80 نیوتن (4 برابر) یا فاصله شعاع رو 4 برابر کنید.

گشتاور موتور چیست؟

گشتاور موتور الکتریکی سه فاز یه پارامتر بسیار مهم الکتروموتور هستش که گاهی بر روی پلاک الکتروموتور مشخص میشه ولی اغلب روی پلاک الکتروموتور نوشته نمیشه. در صورت مشخص نبودن گشتاور الکتروموتور روری پلاک، اصلا جای نگرانی نیست. چون که میشه به راحتی اون رو از روی توان و سرعت الکتروموتور حساب کرد. فرمول گشتاور الکتروموتور به این صورته:

دور / کیلووات × 9550 = گشتاور

مثلا اگه یه الکتروموتور 30 کیلووات و 1420 دور داشته باشیم، گشتاور نامی اون با توجه به فرمول گشتاور به صورت زیر حساب میشه:

نیوتن‌متر 200 = 1420 / 30 × 9550 = گشتاور

توجه دارید که مطابق فرمول گشتاور الکتروموتور اگه توان مصرفی بار تغییر بکنه (مثلا الکتروموتور با نصف بار کار بکنه) یا سرعت چرخش الکتروموتور رو با اینورتر تغییر بدیم، گشتاور الکتروموتور هم تغییر میکنه.

مشخصه گشتاور موتور 3 فاز

برای بررسی رفتار و انتخاب صحیح الکتروموتور برای یک کار، معمولا منحنی گشتاور سرعت مورد توجه است. یک نمونه از این منحنی ها رو در شکل زیر می بینید. این منحنی، مشخصه گشتاور سرعت الکتروموتور 3 فاز قفس سنجابی کلاس NEMA B است که بیشترین کاربرد رو در میان تمام کلاس های موتور 3 فاز داره.

مشخصه سرعت گشتاور موتور 3 فاز کلاس NEMA B
مشخصه سرعت گشتاور موتور 3 فاز کلاس NEMA B

همانطور که در نمودار فوق می بینید از شروع راه اندازی تا رسیدن به دور نامی، گشتاور الکتروموتور تغییر میکنه. بذارید درباره نقاطی که روی نمودار مشخص شده بیشتر صحبت کنیم:

  • گشتاور راه اندازی (نقطه A): گشتاور راه اندازی (یا گشتاور روتور-قفل) هنگام راه اندازی تک ضرب الکتروموتور، تولید میشه. در شکل فوق این مقدار 150% گشتاور نامی هستش که البته ممکن است جواب راه اندازی برخی بارهای بسیار سنگین رو نده. بارهایی مثل پرس ضربه ای یا پمپ چاه نفت.

در چنین مواردی بایستی از الکتروموتور هایی استفاده کنیم که یا رنج بالاتری از نظر قدرت داشته باشن یا اینکه از الکتروموتور های با کلاس قفس روتور خاص که گشتاور راه اندازی بالایی دارند استفاده کنیم. مثلا شکل زیر رو ببینید. یه الکتروموتور هستش با کلاس طراحی روتور NEMA D. میبینید که گشتاور راه اندازی اش نزدیک 300% میرسه. یعنی 2 برابر الکتروموتور بالایی که کلاس B بود.

 مشخصه سرعت گشتاور موتور 3 فاز کلاس NEMA D
مشخصه سرعت گشتاور موتور 3 فاز کلاس NEMA D
  • گشتاور pull-up (نقطه B): بعد از راه اندازی الکتروموتور و با دور گرفتنش، گشتاور اون مقداری کم و سپس زیاد میشه. در نمودار اول به نقطه B نگاه کنید. البته می بینید که در نمودار دوم (الکتروموتور با کلاس D) ما چنین نقطه ای برای گشتاور نداریم و بعدا از استارت، گشتاور الکتروموتور مدام کاهش پیدا میکنه.
  • گشتاور ماکزیمم (نقطه C): حداکثر گشتاوری هستش که الکتروموتور می تونه تحت ولتاژ و فرکانس نامی ارائه بده. در نمودار اول به نقطه A نگاه کنید. این گشتاور در حدود 75% سرعت سنکرون تولید میشه که مقدارش 200% گشتاور نامی است. البته همونطور که می بینید در نمودار دوم (الکتروموتور با کلاس D) این گشتاور در همون لحظه استارت تولید میشه.
  • گشتاور نامی (نقطه D): مقدار گشتاور الکتروموتور در سرعت و شرایط نامی هستش و معمولا در پلاک الکتروموتور نوشته میشه. (نقطه D در نمودار اول)

بار گشتاور ثابت و گشتاور متغیر

عزیزان! میدونید که صحبت گشتاور برای الکتروموتور بدون توجه به بار مکانیکی متصل به اون کافی نیست. در بالا صحبت از حد و حدود و ظرفیت گشتاور موتور الکتریکی بود. در حالی که ممکنه همه این ظرفیت زیر بار قرار نگیره. چون که گشتاورِ روی شفت الکتروموتور رو بار یا وسیله مکانیکی متصل به اون تعیین میکنه.

معمولا گشتاور مورد نیاز بار (که الکتروموتور باید تأمین اش کنه) تابع سرعت چرخش اون تجهیز هستش. سرعت چرخش الکتروموتور چون توی فاز راه اندازی کم کم زیاد میشه، بنابراین گشتاور مورد نیاز بار هم متناسب با سرعت تغییر میکنه.

البته فقط موقع راه اندازی نیست. ممکنه سرعت الکتروموتور بعد از راه اندازی هم با روش های مختلف تغییر داده بشه. مثلا با اینورتر یا الکتروموتور های دالاندر.

خب همه اینا رو گفتم که یه نگاهی بندازیم به رفتار گشتاور برخی از سیستم های مکانیکی که الکتروموتور میچرخوندشون. ما اینجا بهش میگیم بار. اغلب بار ها رو میشه توی 2 دسته جاشون داد: بار گشتاور ثابت و بار گشتاور متغیر

بار گشتاور متغیر (Variable Torque)

به فن ها و پمپ های سانتریفیوژ میگن بار گشتاور متغیر. چرا که سرعتشون اگه تغییر کنه، گشتاور مورد نیاز و توان مصرفی اشون هم به شدت تغییر میکنه. نمودار زیر رو ببینید. منظورم واضحه دوستان؟

اگه سرعت چرخش این بارها رو با اینورتر 10% زیر سرعت نامی بیاریم، برای توان مصرفی چه اتفاقی می افته؟

لطفا نظرتون رو پایین همین صفحه بنویسید
نمودار بار گشتاور متغیر (Variable Torque)
نمودار بار گشتاور متغیر (Variable Torque)

بار گشتاور ثابت (Constant Torque)

بارهایی مثل کمپرسور، بالابر، جرثقیل، نوار نقاله، اکسترودر و … رو میگن بار گشتاور ثابت. چون گشتاورشون در سرعت های مختلف تقریبا ثابته یا اصطلاحا گشتاور تابع سرعت نیست (به جز احتمالا لحظه اولیه استارت). نمودار زیر رو ببینید.

نمودار بار گشتاور ثابت (Constant Torque)
نمودار بار گشتاور ثابت (Constant Torque)

و جمع بندی صحبت

با اینکه گشتاور یه مفهوم فیزیکی ساده است، ما اغلب با این مفهوم خیلی غریبه ایم و گاهی یه تصور خیلی عجیب غریب راجع بهش داریم. تو این بحث سعی کردم خیلی ساده و کاربردی مفهوم گشتاور رو روشن کنم و بیشتر به مواردی بپردازم که در کنترل الکتروموتور به اون نیاز داریم. البته اون هم در نهایت اختصار. امیدوارم که مورد استفاده اتون قرار گرفته باشه.

2 دیدگاه برای “گشتاور چیست؟

نظر شما چیه؟ سوالی دارید؟

For security, use of Google's reCAPTCHA service is required which is subject to the Google Privacy Policy and Terms of Use.

I agree to these terms.