เครื่องกำเนิดไฟฟ้า รอบสวิง รอบไม่นิ่ง (Hunting)
สวัสดีอีกครั้งในเดือน กรกฏา นะครับ วันนี้ขอหยิบประเด็นที่น่าจะเป็นประโยชน์ เหมาะกับเจ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีไว้ในครอบครอง หรือช่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบางท่านที่อาจมีข้อสงสัยและกำลังหาแนวทางแก้ไขกันอยู่ หรือสำหรับผู้ที่สนใจไว้เป็นความรู้เพื่อพัฒนากันต่อไปได้ คำว่ารอบสวิง หรือรอบไม่นิ่ง ในภาษาอังกฤษจะเรียกว่า Hunting นั่นก็คือ ความเร็วรอบของเครื่องยนต์ที่มันไม่สามารถถูกรักษาให้คงที่อยู่ได้ในจุดเป้าหมาย เช่น ไม่สามารถรักษาความเร็วรอบให้คงที่ไว้ที่ 1500 rpm. นั้นได้ มันอาจมีอาการสวิงขึ้นลงเป็นจังหวะ สามารถสังเกตุได้จากเสียงและค่าที่อ่านได้จากหน้าจอ หรือเกจวัด ผลกระทบจากเครื่องยนต์มีความเร็วรอบที่สวิง ส่งผลให้ค่าความถี่ไฟฟ้านั้นแกว่งหรือสวิงตามไปด้วย เพราะความถี่ไฟฟ้านั้นแปรผันตรงกับความเร็วรอบของเครื่องยนต์ตามสมการ rpm=120f/P (เพราะมันคือแกนเพลาเดียวกันระหว่างเครื่องยนต์กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ซึ่งเป็นสมการพื้นฐานที่ช่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแทบทุกคนท่องจำมันได้อย่างขึ้นใจ rpm ก็คือ ความเร็วรอบ, f คือ ความถี่ไฟฟ้า และ P คือจำนวน Pole ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การ Hunting ของเครื่องยนต์กำเนิดไฟฟ้านั้นมีสาเหตุมาจากการควบคุมระบบเชื้อเพลิงที่ไม่สอดคล้องซึ่งกันและกันระหว่าง Input กับ Output หรืออาจเกิดได้จากตัวระบบเชื้อเพลิงที่เป็นปัญหาจนอยู่นอกเหนือความสามารถที่ระบบควบคุมจะรับได้ ระบบควบคุมความเร็วรอบของเครื่องยนต์นั้นเรียกว่า Governor Control จะมีอยู่ 2 ลักษณะคือ ที่เป็นแบบการควบคุมด้วยกลไกการหมุน (Mechanical Governor) และอีกแบบคือการควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ (Electrical Governor) ระบบที่เป็นแบบ Mechanical Governor นั้นเหมาะกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้กับโหลดที่ไม่ตึงเครียดมากนัก หรือเป็นโหลดทั่วไปที่สามารถยอมให้มีค่าแรงดันและความถี่ไฟฟ้านั้นเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วงค่าหนึ่ง แต่กรณีโหลดที่ต้องการให้มีความถี่ไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ และต้องมีการตอบสนองที่รวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดนั้นควรใช้เป็นแบบ Electrical Governor เพราะระบบนี้จะตอบสนองได้รวดเร็วและแม่นยำกว่า อาการ Hunting นั้นเกิดขึ้นได้กับระบบควบคุมทั้ง Mechanic และ Electric มันเกิดจากการควบคุมปริมาณน้ำมัน ที่ไม่สอดคล้อง โดยมีคาบเวลาเข้ามาเกี่ยวข้อง ซึ่งปริมาณน้ำมันจะเป็นตัวแปรในการควบคุมความเร็วรอบเครื่องยนต์ และจะขึ้นอยู่กับระยะของการเปิดวาล์วเพื่อควบคุมปริมาณ สำหรับระบบแบบ Mechanical จะใช้ Fly Weight กางออกหรือหุบเข้าตามความเร็วรอบการหมุนและจะมีกลไกไปดึงหรือดันวาล์วน้ำมันเพื่อควบคุมปริมาณ เราสามารถตั้งค่าให้มันคงที่ได้จากหลักการของการชดเชยแรงที่สปริง ส่วน Governor แบบ Electronic นั้นจะใช้หลักการแบบ Close Loop Control คือรับสัญญาณความเร็วรอบจาก Sensor มาเข้าตัว Speed Control Unit แล้วจะสั่งต่อให้ Actuator หรือตัวขับคันเร่ง ไปเพิ่มหรือลดปริมาณน้ำมันเพื่อจะรักษาให้ความเร็วรอบเครื่องยนต์นั้นให้คงที่
ทีนี้มาพูดถึงสาเหตุของอาการ Hunting สำหรับระบบแบบ Electrical Governor กัน ซึ่งน่าจะเห็นภาพได้ดีแล้วพบเจอกันบ่อย ระบบแบบ Electronic นั้นจะถูกออกแบบให้สามารถปรับตั้งค่าการตอบสนองได้ โดยจะอยู่ที่ตัวประมวลผลซึ่งก็คือตัว Speed Control Unit นั่นเอง เมื่อ Speed Sensor ส่งสัญญาณเข้ามา (Input) ตัวประมวลผลจะรับรู้ว่าขณะนี้เครื่องยนต์มีความเร็วรอบที่ค่าใด ต่ำกว่าหรือสูงกว่าค่าเป้าหมายเพียงใด หลังจะนั้นก็จะประมวลผลและส่งสัญญาณออกไปขับ Actuator (Output) เพื่อเพิ่มหรือลดปริมาณน้ำมัน ตรงจุดนี้เอง ถ้าสัญญาณรับ กับการประมวลผล และการส่งสัญญาณควบคุม มีการทำงานที่ไม่สัมพันธ์กันแล้ว ค่าจะสวิงขึ้นลงและไม่ลู่เข้าหาจุดเป้าหมาย หรือใช้เวลาลู่เข้าหาจุดเป้าหมายนานเกินไป ซึ่งก็คือการ Hunting และในการแก้ปัญหานี้ จะมีตัวแปรของ Gain และ Stability เข้ามาเกี่ยวข้อง ค่า Gain และ Stability นั้นเป็นพารามิเตอร์ที่ควบคุมการตอบสนองของระบบ Governor ที่สัมพันธ์กันของสัญญาณ Input และ Output สามารถปรับแต่งค่าให้เหมาะสมกับระบบได้ที่ตัว Speed Control Unit ส่วนใหญ่แล้ววิธีการตั้งค่าจะถูกแนะนำไว้ในคู่มือของแต่ละยี่ห้อ แต่ถ้าเราเข้าใจถึงหลักการของ Gain และ Stability แล้วนั้นเราจะสามารถปรับแต่งค่าด้วยตัวเองได้ง่ายขึ้น หรือที่เรียกว่าการ Fine Tuning มาเริ่มที่ Gain กันก่อน Gain ความหมายคือ ค่าสัดส่วนที่แสดงความสัมพันธ์ของ Magnitude ระหว่าง Output และ Input ในจุดที่อยู่ในสภาวะคงตัว การเพิ่มค่าของ Gain เปรียบเสมือนเป็นการเพิ่มค่าคงที่หน้าสมการของการตอบสนอง จะส่งผลให้ขนาดของ Output นั้นสูงขึ้นในเวลาอันสั้นหรือมีการตอบสนองที่รวดเร็ว ส่งผลให้เอื้อโอกาสต่อความไม่เสถียรภาพที่สูง แต่การเพิ่ม Gain นั้นจะช่วยให้ระบบมีกำลังในการตอบสนองในกรณีที่มีภาระโหลดสูงๆ ได้ดี ด้วยเหตุนี้เองในการปรับค่า Gain ที่ปลอดภัยสามารถทำได้ในขณะเครื่องยนต์ไม่มีโหลด โดยเริ่มจากการเดินเครื่องที่ค่า Gain ต่ำๆ หลังจากนั้นค่อยๆ เพิ่มค่า Gain ไปเรื่อยๆ จนถึงจุดที่เครื่องยนต์เริ่มสวิงหรือ Hunting จึงหยุดแล้วลดค่ากลับมาเล็กน้อย ส่วน Stability คือค่าที่มีไว้สำหรับปรับแต่งการตอบสนองอีกส่วนหนึ่งในขณะที่มีโหลด หรือระบบที่มีการตอบสนองที่ไม่ดี และเป็นค่าหนึ่งที่เป็นตัวบอกว่า ณ Gain ค่านั้นอยู่ในค่าที่มีความเสถียรแล้วเช่นกัน ดังนั้นถ้าเราปรับเปลี่ยนค่า Gain ไป เราต้องไปหาค่า Stabilty ค่าใหม่ที่เหมาะสมกับค่า Gain นั้นๆ แต่ทว่า มันอาจจะเป็นค่าที่ไม่ตายตัวนัก อาจเป็นค่าในช่วงหนึ่งๆ ที่ยังทำให้ระบบอยู่ในสภาวะเสถียรภาพได้ คำว่าเสถียรภาพในที่นี้คือระบบ Governor นั้นสามารถควบคุมรอบให้คงที่ได้ดี และต้องควบคุมได้ในทุกสภาวะของโหลดอีกด้วย การตั้งค่า Gain และ Stability ในขณะที่เครื่องจ่ายภาระโหลดอยู่นั้นอาจเสี่ยงเป็นอัตรายได้ ดังนั้นควรปรับตั้งค่าที่สภาวะเครื่องยนต์ยังไม่มีโหลดเสียก่อน การปรับตั้งค่า Stability นั้นก็ควรทำในลักษณะเดียวกันกับค่า Gain แต่เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอยู่ในสภาวะที่มีโหลด และยังพบว่าเครื่องมีอาการ Hunting อยู่ ถ้าสวิงมากเราควรหยุดจ่ายโหลดและทบทวนการตั้งค่าใหม่ แต่ถ้าจ่ายภาระโหลดแล้วพบว่าเครื่องสวิงเพียงเล็กน้อยเราก็สามารถปรับแต่งค่าเพิ่มเติมได้แต่ควรทำอย่างระมัดระวังและมั่นใจว่ายังอยู่ในย่านที่ปลอดภัย สุดท้ายนี้ขอเล่าวิธีการปรับตั้งค่าจากประสบการณ์มาเป็นข้อๆ พร้อมคำแนะนำดังนี้
1. เครื่องที่ผ่านการทดสอบมาจากโรงงานมักจะถูกตั้งค่ามาแล้ว เราอาจทวนสอบซ้ำหรืออาจปรับแต่งได้เล็กน้อยก็สามารถเสถียรภาพได้
2. Speed Control Unit นั้นมีหลายยี่ห้อและหลายรูปแบบจะมีตัวปรับ Gain อยู่แทบทุกรุ่น แต่บางรุ่นแยกย่อย Stability ออกไปและอาจใช้เป็นคำอื่นๆ แต่พื้นฐานแล้วยังมีหลักการปรับค่าที่คล้ายกัน
3. วิธีการปรับให้หมุน Potentiometer ช้าๆ แล้วหยุดดูเพื่อสังเกตุการตอบสนองเป็นระยะ โดยเริ่มจากค่าที่ต่ำๆ ก่อน เน้นย้ำตรงที่ค่า Droop ถ้าไม่ได้ใช้งานแบบเดินขนานให้หมุนค่า Droop ไปที่ 0% เสียก่อน แต่ถ้าเป็นระบบแบบเดินขนานค่อยมาปรับแต่งค่า Droop อีกครั้งได้ภายหลัง ปัญหาตรงที่ถ้าระบบมีการใช้งานทั้งแบบเดินตัวเดียว (Isolate) หรือแบบเดินขนาน (Synchronize) แนะนำให้ปรับค่า Droop ไว้รอ แล้วใช้วงจร Switch Droop เข้าช่วย
4. ก่อนการเดินเครื่องเพื่อทำการปรับค่า ควรตรวจสอบกลไกของระบบให้ดีเสียก่อนเช่นระบบสายไฟ Sensor วัดรอบ หรือก้านจับยึดคันเร่งต่างๆ
5. การปรับควรเริ่มที่ Gain ก่อนแล้วค่อยปรับตัวอื่นตามหลัง
6. ระวังเรื่องก้านจับคันเร่งที่ Actuator นั้นมีระยะไม่เหมาะสม เช่นดึงสุดหรือกดสุด จะส่งผลให้เกิดอาการสวิงได้จากการกระแทกกลับ
7. กรณีปรับ Gain และ Stability แล้วยังไม่พบค่าที่เหมาะสม ให้ย้อนกลับไปลดระยะรัศมีของคันเร่งที่ Actuator ลง จะเป็นการลด Gain ทางอ้อมได้อีกทางหนึ่ง
8. จากข้อ 7 ยังถ้าไม่สามารถแก้ปัญหาได้อาจจำเป็นต้องใช้ Damping Spring เข้าช่วยแต่ต้องเลือกค่า K ของ Spring ที่ไม่กระทบกับกำลังขับที่เพิ่มขึ้นของ Speed Control Unit และกรณีนี้อาจไปกระทบกับโหลดได้
9. การเพิ่ม Droop เป็นอีกทางหนึ่งที่สามารถลดการสวิงได้ทางอ้อม แต่เป็นวิธีที่ไม่แนะนำ เพราะการเพิ่ม Droop จะเป็นการไปผ่อนปรนระบบขณะมีภาระโหลด จะทำให้เครื่องยนต์นั้นรอบตกขณะจ่ายโหลดได้ตามเปอร์เซ็นของ Droop ที่ตั้งค่าไว้
10. ควรทำ Fine Tuning อย่างใจเย็น และจะพบจุดที่เหมาะสมได้อย่างง่ายดาย
สุดท้ายนี้ก็หวังว่าท่านจะได้รับประโยชน์กันบ้างนะครับจากบทความนี้ แต่เชื่อว่าการได้ลงมือทำสักครั้งสองครั้ง จะสามารถเข้าใจและแก้ปัญหากันได้จริงๆ
ขอบพระคุณมากครับ
