ระบบขับเคลื่อนรถไฟ

 ระบบขับเคลื่อนทางกล และระบบขับด้วยไฮโดรลิคส์ ซึ่งทั้งสองระบบนั้นมีข้อด้อย คือ ระบบขับเคลื่อนทางกลนั้นมีชิ้นส่วนเคลื่อนที่มาก และถ้าต้องการให้ส่งกำลังชิ้นส่วนที่ใช้ในการส่งกำลังจะมีขนาดใหญ่ และมีน้ำหนักมาก ทำให้มีความยุ่งยากในการบังคับควบคุมตลอดจน ยากต่อการซ่อมบำรุง 

ส่วนระบบการส่งกำลังด้วยไฮโดรลิคส์นั้น แม้จะมีชิ้นส่วนที่ใช้ในระบบส่งกำลังน้อยกว่า แต่ก็ต้องใช้สารตัวกลางในการส่งกำลังซึ่งในที่นี้ คือ น้ำมันไฮโดรลิคส์ เนื่องจากน้ำมันไฮโดรลิคส์นั้นเป็นของเหลว ดังนั้น จึงมีการรั่วไหลในขณะทำการส่งถ่ายกำลังงาน นี่จึงเป็นเหตุผลที่ชัดเจนว่า ทำไมระบบการส่งกำลังด้วยไฮโดรลิคส์จึงไม่สามารถส่งกำลังได้เต็ม 100 เปอร์เซนต์ โดยจะส่งกำลังได้เพียง 90 – 95 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น นั่นหมายความว่า เพลาที่ส่งกำลังออกไปขับเคลื่อน กับเพลาที่รับกำลังเข้านั้น หมุนด้วยความเร็วไม่เท่ากันตลอดเวลาที่มีการส่งกำลัง ซึ่งเพลาส่งกำลังออกนั้น จะหมุนช้ากว่าเพลาที่รับกำลังเข้าเสมอ 

และถ้าถามว่ากำลังงานที่ส่งนั้นหายไปไหน ก็ขอตอบว่าหายไปเป็นความร้อน เนื่องมาจากการลื่นไถลภายในเนื้อของของเหลวที่ใช้ในการส่งกำลัง ดังนั้น น้ำมันที่ใช้ในการส่งกำลังจึงต้องมีการระบายความร้อนเพื่อควบคุมความหนืดให้คงที่ เพื่อให้ได้สมรรถนะในการส่งกำลังได้สูงที่สุด และถ้าน้ำมันที่ใช้ในการส่งกำลังมีอุณหภูมิสูงเกินไป ก็จะทำให้สูญเสียสมรรถนะในการส่งกำลังเนื่องจากน้ำมันจะมีความหนืดลดลง ทำให้เกิดการรั่วไหลในระบบส่งกำลังมากขึ้น 

ดัวยเหตุนี้ รถจักรที่ใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยไฮโดรลิคส์จึงไม่เหมาะสมในการทำขบวนรถที่มีน้ำหนักมาก ๆ ขึ้นทางลาดชันด้วยความเร็วต่ำ ๆ เป็นเวลานาน ๆ หรือเป็นระยะทางไกล ๆ ครับ เพราะในการขับเคลื่อนดังลักษณะที่กล่าวมานี้ จะทำให้เพลารับกำลังเข้ากับเพลาส่งกำลังออกหมุนด้วยความเร็วต่างกันมาก เป็นผลทำให้น้ำมันส่งกำลังมีอุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องจนน้ำมันไม่สามารถรักษาความหนืดเอาไว้ได้ เป็นเหตุให้ห้องส่งกำลังสูญเสียสมรรถนะในการส่งกำลังในที่สุด ดังนั้น ยานพาหนะที่ใช้ระบบการส่งกำลังด้วยไฮโดรลิคส์จึงจะต้องมีข้อกำหนดในการใช้งานในลักษณะว่า “ถ้าจำเป็นต้องขับเคลื่อนในลักษณะ บรรทุกหนัก หรือลากจูงขึ้นทางลาดชันด้วยความเร็วต่ำต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน ๆ จำเป็นจะต้องมีช่วงเวลาหยุดพักเพื่อให้ระบบส่งกำลังได้ลดอุณหภูมิลงบ้าง” ในรถจักรดีเซลไฮโดรลิคส์ก็เช่นกัน และระบบส่งกำลังแบบไฮโดรลิคส์นั้น ยังมีข้อด้อยอีกประการหนึ่งก็คือ ถ้าเป็นระบบใหญ่ ๆ ที่สามารถส่งกำลังได้ในระดับเป็นพันแรงม้า ชุดเครื่องแปลงแรงบิด หรือทอร์คคอนเวอร์เตอร์นั้น จะมีขนาดใหญ่มาก ถ้ายังนึกภาพไม่ออกก็ให้ลองไปดูทอร์คคอนเวอร์ของรถปิคอัพ หรือรถเก๋งครับ เราจะเห็นว่ามีขนาดประมาณกระทะที่ใช้ทำกับข้าวในครัวบ้านเรานั่นล่ะครับ ถ้าเป็นของรถโดยสารขนาด รถเมล์ ขสมก. หรือรถแทรคเตอร์ขนาดสัก 200 แรงม้า ทอร์คคอนเวอร์เตอร์ก็จะมีขนาดเท่า ๆ กระทะใบใหญ่ ๆ ที่เค้าทอดของขายในตลาดน่ะครับ 

เพราะฉะนั้นถ้าเป็นทอร์คคอนเวอร์เตอร์ของรถจักรดีเซลขนาดสัก 1,500 แรงม้า อย่างรถจักรกรุปป์ล่ะก็ ขนาดจะพอ ๆ กับกระทะใบบัวเอาเลยล่ะครับ เพราะฉะนั้นปริมาณน้ำมันส่งกำลังที่ใช้จะมากมายมหาศาลอย่างที่เรา ๆ ท่าน ๆ คาดไม่ถึงเอาเลยทีเดียว 

ท่านผู้อ่านพอจะทราบไหมล่ะครับว่า รถยนต์เกียร์อัตโนมัติที่เรา ๆ ท่าน ๆ ขับกันอยู่ทุกเมื่อเชื่อวันนี้ ใช้น้ำมันในระบบส่งกำลังกี่ลิตร ก็ราว ๆ 5-8 ลิตรครับ แต่ถ้าเป็นรถจักรดีเซลไฮโดรลิคส์ ที่ไม่ใช่รถสับเปลี่ยนล่ะก็ ไม่ต่ำกว่า 200 ลิตร ครับ เพราะฉะนั้น ความยุ่งยากอีกประการหนึ่งคือ การบำรุงรักษา และการซ่อมแซมครับ ถ้าพูดกันแบบซ่อมรถยนต์ทั่ว ๆ ไปก็คือว่า “รื้อเกียร์ทีนึงนี่แทบโกลาหลทั้งโรงซ่อมเอาเลยทีเดียวครับ” 

และนอกจากนี้ ถ้าเราต้องการให้ระบบนี้มีความสามารถในการส่งกำลังได้มาก ๆ ทอร์คคอนเวอร์เตอร์ก็จะมีขนาดใหญ่มากขึ้นตามไปด้วย ผลที่ตามมากจะทำให้ชิ้นต่าง ๆ ในชุดทอร์คคอนเวอร์เตอร์ เช่น อิมเพลเลอร์ เทอร์ไบน์ และสเตเตอร์ มีขนาดใหญ่มากขึ้น ทำให้มีน้ำหนักมาก ไม่สะดวกในการใช้งานและการซ่อมบำรุง ตลอดจนมีค่าใช้จ่ายระหว่างการใช้งานสูง เพราะฉะนั้นจากข้อด้อยตรงนี้ จึงทำให้เราจำเป็นต้องพิจารณาระบบขับเคลื่อนอีกระบบคือ ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า 

ถ้าถามว่า ระหว่างระบบขับเคลื่อนด้วยไฮโดรลิคส์ กับระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ระบบไหนถูกพัฒนาขึ้นมาใช้งานก่อนกัน ผมก็ขอตอบว่า ระบบไฟฟ้าครับ เพราะมาแทบจะไล่ ๆ กับรถจักรไอน้ำเอาเลยทีเดียว แต่เนื่องจากในยุคแรกนั้น วิศวกรไฟฟ้ายังไม่สามารถพัฒนาระบบส่งจ่ายไฟฟ้า ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และระบบมอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อนให้สามารถส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มาก ๆ ในระทางไกล ๆ และ มอเตอร์ไฟฟ้าที่มีกำลังฉุดลากสูง ๆ ตลอดจนเครื่องยนต์ดีเซลต้นกำลังที่มีสมรรถนะสูง และมีน้ำหนักไม่มากนักได้จึงทำให้วิศวกรรถไฟ และวิศวกรเครื่องกล จึงต้องหันไปหาระบบขับเคลื่อนไฮโดรลิคส์ก่อนระยะหนึ่ง ก่อนที่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจะเข้ามาแทนที่ในเวลาต่อมา 


ระบบการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า 

หลังจากที่สงครามโลกครั้งที่ 2 จบสิ้นลง ความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีเครื่องยนต์และเครื่องจักรกลมากขึ้น ไม่เว้นแม้แต่ทางด้านของรถไฟ เพราะรถไฟนั้นได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่า การขนส่งทางบกนั้นรถไฟจะสามารถขนส่งสินค้า และมวลชนได้ในปริมาณมาก ๆ ในขณะที่ใช้พลังงานในการขับเคลื่อนน้อยกว่าการขนส่งทางรถยนต์ในปริมาณเท่า ๆ กัน ไม่ว่าจะเป็นการขนส่งสินค้า หรือขนส่งมวลชน 

จากความสำเร็จในการนำเอาไฟฟ้ามาขับเคลื่อนรถราง จึงได้มีการนำเอาไฟฟ้ามาใช้ในการขับเคลื่อนรถไฟด้วย เนื่องจากว่า มีความต้องการในขนส่งสินค้าเพื่อการพัฒนาในด้านต่าง ๆ มากขึ้นเรื่อย ๆ 

สมรรถนะของรถจักรไอน้ำเริ่มถึงจุดที่จะไม่สามารถที่จะพัฒนาต่อไปได้ ในขณะที่ระบบส่งจ่ายกระแสไฟฟ้ายังไม่สามารถตอบสนองได้ทั้งหมด ดังนั้น ระบบการขับเคลื่อนแบบดีเซลไฟฟ้าจึงได้ถูกเลือกเพื่อการนี้ ซึ่งในขณะนั้นเครื่องยนต์ดีเซลให้มีความก้าวหน้ามากขึ้น โดยมีขนาดที่เล็กลง มีน้ำหนักน้อยลง มีกำลังขับเคลื่อนมากขึ้น มีความเร็วรอบหมุนสูงขึ้น ดังนั้น จึงได้เกิดเป็นแนวความคิดที่จะนำเอาเครื่องยนต์ดีเซลมาขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแล้วนำไฟฟ้าที่ได้จ่ายให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อนโดยตรง โดยผ่านชุดควบคุมเพื่อให้รถจักรสามารถขับเคลื่อนเดินหน้าถอยหลังได้ 

ในยุคแรก ๆ นั้น ระบบการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า เป็นระบบที่ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไฟฟ้ากระแสตรง และมอเตอร์ขับเคลื่อนก็ใช้มอเตอร์กระแสตรง หรือที่เราเรียกว่าระบบ DC-DC แต่เมื่อมีความต้องการกำลังขับเคลื่อนมากขึ้นจนเกินกว่าที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจะตอบสนองได้ ระบบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจึงถูกพัฒนาให้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ระบบมอเตอร์ขับเคลื่อนยังคงเป็นระบบไฟฟ้ากระแสตรงอยู่ 

และถ้าถามว่าแล้วเอาไฟฟ้ากระแสสลับมาขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้อย่างไร ผมก็จะตอบว่า ไฟฟ้ากระแสสลับจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จะถูกนำไปผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่าชุดเร็กติไฟเออร์ ซึ่งจะทำหน้าที่เรียงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรง จากนั้น ก็จะนำไปผ่านชุดควบคุมก่อนที่จะนำไปป้อนให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อนต่อไป แต่เนื่องจากมอเตอร์ขับเคลื่อนแบบไฟฟ้ากระแสตรงนั้นมีขีดจำกัดอยู่ตรงที่ว่า ถ้าต้องการให้มีกำลังขับเคลื่อนมาก ๆ มอเตอร์จะมีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก นอกจากนี้ ยังมีข้อจำกัดอีกประการหนึ่งที่สำคัญมาก คือ ถ้าให้ทำงานที่ความเร็วต่ำ ๆ เต็มกำลังต่อเนื่องเป็นเวลานาน ๆ เช่น ใช้รถจักรทำขบวนเต็มหน่วยลากจูงขึ้นทางลาดชันด้วยความเร็วต่ำ ๆ เป็นระยะทางยาว ๆ ก็อาจทำให้มอเตอร์มีอายุการใช้งานสั้นลง หรือเสียหายได้ครับ 

จากขีดจำกัดข้อนี้ ทำให้วิศวกรไฟฟ้าจำเป็นต้องพัฒนามอเตอร์ขับเคลื่อนระบบไฟฟ้ากระแสสลับขึ้นมาเพื่อใช้ในการนี้ ทั้งที่ในทางปฏิบัติจริงแล้ว การเปลี่ยนแปลงความเร็วมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ รวมไปถึงการกลับทิศทางการหมุนของมอเตอร์นั้น ยากกว่ามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมาก แต่จากจุดเด่นที่ดีกว่าในโครงสร้างของมอเตอร์ที่สามารถทำงานแบบเต็มกำลังที่ความเร็วต่ำ ๆ ได้ดี และมีขนาดเล็กกว่า ตลอดจนน้ำหนักที่เบากว่า จึงทำให้วิศวกรรถไฟต้องหาทางนำมาใช้ในระบบขับเคลื่อนรถจักรดีเซลไฟฟ้าให้ได้ และในเวลาเดียวกัน จากการที่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภทกำลังสูงได้ถูกพัฒนาขึ้นมาอย่างต่อเนื่อง โดยอุปกรณ์ดังกล่าวมีขนาดเล็กลง และมีสมรรถนะสูงขึ้น นั่นคือ สามารถทำงานที่แรงเคลื่อนสูง ๆ กระแสสูง ๆ ได้ดี ตลอดจนสามารถทำงานในสภาวะแวดล้อมที่ไม่ดีนัก อย่างภายในห้องเครื่องของรถจักรดีเซลที่มีทั้งความร้อน ความชื้น ไอน้ำมัน หรือก๊าซไอเสียได้ดี ดังนั้น อุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ในลักษณะโมดูลจึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในการนี้ทำให้ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแบบ AC-AC ถูกพัฒนาขึ้นมาใช้ในรถจักรดีเซลไฟฟ้าอย่างแพร่หลายครับ