Governor คืออะไร? ประวัติระบบคุมรอบเครื่องยนต์ จากโม่แป้งกังหันลม James Watt ถึงกล่องอิเล็กทรอนิกส์ในเครื่องปั่นไฟ

Governor (กัฟเวอร์เนอร์) คือระบบควบคุมความเร็วรอบของเครื่องยนต์ ทำหน้าที่วัดรอบจริง เทียบกับรอบที่ต้องการ แล้วเพิ่มหรือลดปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงโดยอัตโนมัติ เพื่อให้รอบคงที่แม้โหลดเปลี่ยน ในเครื่องปั่นไฟ governor สำคัญเป็นพิเศษเพราะความถี่ไฟฟ้าผูกอยู่กับรอบเครื่องโดยตรง เครื่องยนต์ที่ขับอัลเทอร์เนเตอร์ 4 ขั้วแม่เหล็กต้องหมุน 1,500 รอบต่อนาทีพอดีจึงจะได้ไฟ 50 Hz ถ้า governor ทำงานไม่ดี ความถี่จะแกว่ง มอเตอร์หมุนผิดจังหวะ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อาจตัดการทำงาน

คำว่า governor ในภาษาอังกฤษแปลตรงตัวว่าผู้ปกครอง ซึ่งฟังดูใหญ่โตเกินกว่าอุปกรณ์ชิ้นเล็ก ๆ ที่ซ่อนอยู่ข้างเครื่องยนต์ แต่ถ้าย้อนดูประวัติ อุปกรณ์ชิ้นนี้คือจุดเริ่มต้นของสาขาวิชาที่ทุกวันนี้ควบคุมตั้งแต่ระบบนำร่องอัตโนมัติของเครื่องบินไปจนถึงหุ่นยนต์ในโรงงาน และชื่อของมันก็ถูกนำไปตั้งเป็นคำว่า cybernetics ในเวลาต่อมาด้วย บทความนี้จะพาย้อนไปดูว่ามันเริ่มต้นจากโม่แป้งได้อย่างไร ผ่านเครื่องจักรไอน้ำ นักคณิตศาสตร์ และโรงงานในรัฐอิลลินอยส์ จนกลายเป็นกล่องอิเล็กทรอนิกส์ที่คุมเครื่องปั่นไฟ 500 kVA ได้นิ่งถึงหลักทศนิยม

ปริศนาจากหน้างาน: ทำไมเปิดมอเตอร์ตัวใหญ่แล้วไฟไม่กระพริบ

ลองนึกถึงโรงงานที่ใช้เครื่องปั่นไฟ Cummins 500 kVA เป็นไฟสำรอง เมื่อไฟการไฟฟ้าดับ เครื่องติดและรับโหลดทั้งโรงงาน จากนั้นมีคนกดสตาร์ทปั๊มน้ำมอเตอร์ 75 kW พร้อมกันอีกตัว ในเสี้ยววินาทีนั้น อัลเทอร์เนเตอร์ต้องจ่ายกระแสเพิ่มขึ้นทันที แรงต้านที่เพลาเครื่องยนต์จึงเพิ่มขึ้นทันทีเหมือนรถที่ขึ้นเนินโดยไม่ได้เหยียบคันเร่งเพิ่ม รอบเครื่องจะเริ่มตก

คนที่ยืนอยู่ในห้องเครื่องจะได้ยินเสียงเครื่องเปลี่ยนไปนิดหนึ่ง แต่ไฟในสำนักงานแทบไม่กระพริบ เครื่องคอมพิวเตอร์ไม่ดับ และภายในไม่กี่วินาทีทุกอย่างก็กลับมาเหมือนเดิม คนที่ทำให้เรื่องนี้เกิดขึ้นได้คือ governor ที่ตรวจจับรอบตกได้ภายในเสี้ยววินาที แล้วสั่งให้ปั๊มฉีดน้ำมันเพิ่มจนรอบกลับมาที่ 1,500 rpm

ตัวเลขที่ต้องจำไว้คือความสัมพันธ์ระหว่างรอบกับความถี่ ความถี่ (Hz) เท่ากับรอบต่อนาทีคูณจำนวนขั้วแม่เหล็กหารด้วย 120 สำหรับเครื่อง 4 ขั้ว รอบ 1,500 rpm จึงได้ 50 Hz พอดี (เรื่องที่ไทยเลือกใช้ 50 Hz อ่านต่อได้ใน ทำไมประเทศไทยใช้ไฟ 50 Hz) ดังนั้นรอบที่ตกไป 1 เปอร์เซ็นต์หรือ 15 rpm จะทำให้ความถี่ลดลงครึ่งเฮิรตซ์ทันที งานของ governor คือไม่ปล่อยให้ตัวเลขนี้หนีไปไกล และดึงมันกลับมาให้เร็วที่สุด

จุดเริ่มต้น: โม่แป้งกังหันลมกับลูกตุ้มเหวี่ยง

ก่อนจะมีเครื่องยนต์ คนที่มีปัญหาเรื่องรอบไม่นิ่งเป็นกลุ่มแรกคือช่างโม่แป้ง กังหันลมและกังหันน้ำหมุนเร็วหรือช้าตามแรงลมและกระแสน้ำ ถ้าหินโม่หมุนเร็วเกิน แป้งจะร้อนและหยาบ ช่างโม่ต้องคอยปรับระยะห่างระหว่างหินโม่สองก้อนด้วยมือตลอดเวลา

ทางออกคืออุปกรณ์ที่เรียกว่า governor แบบหนีศูนย์ (centrifugal governor) หรือที่เรียกติดปากว่าลูกตุ้มเหวี่ยง (flyball governor) หลักการของมันง่ายจนน่าทึ่ง คือติดลูกตุ้มโลหะสองลูกไว้ที่แขนซึ่งหมุนไปพร้อมกับเครื่อง เมื่อหมุนเร็วขึ้น แรงหนีศูนย์จะเหวี่ยงลูกตุ้มให้กางออกและยกตัวสูงขึ้น ข้อต่อที่ผูกกับลูกตุ้มจะดึงปลอกที่เลื่อนได้ไปตามแกน และปลอกนั้นก็ต่อคันโยกไปปรับสิ่งที่ต้องการควบคุม เมื่อหมุนช้าลง แรงโน้มถ่วงดึงลูกตุ้มกลับลงมา คันโยกก็เลื่อนกลับ

ตามที่สารานุกรม Wikipedia บันทึกไว้ governor แบบนี้ถูกใช้ควบคุมระยะห่างและแรงกดระหว่างหินโม่ในกังหันลมมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 บางแหล่งให้เครดิตการคิดค้นแก่ Christiaan Huygens นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ผู้สร้างนาฬิกาลูกตุ้ม แต่หลักฐานเรื่องผู้คิดค้นคนแรกยังไม่ชัดเจน และหอจดหมายเหตุด้านกังหันลมของอังกฤษก็ยังเก็บสิทธิบัตร governor แบบปรับตัวเองของช่างชื่อ Thomas Mead ไว้ด้วย บทความนี้จึงขอบันทึกเพียงว่าเป็นภูมิปัญญาของช่างโม่ที่เกิดก่อนยุคเครื่องจักรไอน้ำ

1788: James Watt กับเครื่องจักรไอน้ำที่ต้องการรอบนิ่ง

ปลายศตวรรษที่ 18 บริษัท Boulton and Watt ในอังกฤษเริ่มผลิตเครื่องจักรไอน้ำแบบหมุน (rotative engine) ที่ใช้ขับเครื่องทอผ้าและโรงสีได้ ต่างจากเครื่องสูบน้ำรุ่นก่อนที่แค่ขยับขึ้นลง ปัญหาคือเมื่อเครื่องทอหลายสิบเครื่องเริ่มหรือหยุดทำงาน แรงต้านที่เพลาก็เปลี่ยน เครื่องจักรไอน้ำจะหมุนเร็วขึ้นหรือช้าลงจนเส้นด้ายขาด

ในปี 1788 James Watt ออกแบบ governor แบบลูกตุ้มเหวี่ยงเครื่องแรกสำหรับเครื่องจักรไอน้ำ ตามคำแนะนำของหุ้นส่วน Matthew Boulton ซึ่งเคยเห็นอุปกรณ์แบบนี้ในโรงโม่ Watt ต่อปลอกของลูกตุ้มเข้ากับวาล์วผีเสื้อในท่อไอน้ำ เมื่อเครื่องหมุนเร็วเกิน ลูกตุ้มกางออกและหรี่วาล์ว ไอน้ำเข้ากระบอกสูบน้อยลง รอบจึงลดลงเอง เมื่อเครื่องช้าลง ลูกตุ้มหุบลง วาล์วเปิดกว้างขึ้น รอบก็กลับขึ้นมา ด้วยเหตุนี้คนจำนวนมากจึงเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Watt governor แม้ Watt ไม่ใช่ผู้คิดค้นหลักการคนแรก

นี่คือระบบควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback control) ที่มีครบทุกองค์ประกอบเหมือน governor ในเครื่องปั่นไฟปัจจุบัน คือมีตัววัด (ลูกตุ้มที่รับรู้รอบ) ตัวเปรียบเทียบ (ตำแหน่งสมดุลของลูกตุ้มกับคันโยก) และตัวสั่งงาน (วาล์วไอน้ำ) ต่างกันแค่ว่าทุกอย่างเป็นเหล็กกับข้อต่อ ไม่มีสายไฟเลยสักเส้น

ปัญหาที่วิศวกรแก้ไม่ตก: เครื่องแกว่ง (hunting) และรอบไม่ตรงเป้า

เมื่อเครื่องจักรไอน้ำใหญ่ขึ้นและเร็วขึ้นในศตวรรษที่ 19 governor แบบ Watt เริ่มแสดงปัญหาสองอย่างที่วิศวกรยุคนั้นงงมาก

ปัญหาแรกคือเครื่องแกว่ง เรียกกันในวงการว่า hunting เมื่อรอบตก governor เปิดวาล์วเพิ่ม แต่เครื่องจักรมีมวลมาก กว่ารอบจะตอบสนองก็ช้า ลูกตุ้มยังเห็นว่ารอบต่ำอยู่จึงเปิดวาล์วต่อไปอีก พอรอบขึ้นมาจริงก็เกินเป้า governor จึงหรี่วาล์วแรงเกินไปอีก รอบจึงขึ้นลงเป็นคลื่นไม่หยุด บางเครื่องยิ่งแกว่งยิ่งแรงขึ้นเรื่อย ๆ วิศวกรพยายามแก้ด้วยการเพิ่มแรงเสียดทานหรือใส่กระบอกหน่วง ซึ่งบางครั้งได้ผล บางครั้งกลับแย่ลง และไม่มีใครอธิบายได้ว่าทำไม

ปัญหาที่สองคือรอบไม่ตรงเป้า governor แบบลูกตุ้มทำงานได้ก็ต่อเมื่อลูกตุ้มอยู่คนละตำแหน่งกัน ถ้าโหลดหนักขึ้น วาล์วต้องเปิดกว้างขึ้น ซึ่งหมายความว่าลูกตุ้มต้องหุบลงมากกว่าเดิม และลูกตุ้มจะหุบได้ก็ต่อเมื่อรอบต่ำกว่าเดิม ผลคือเมื่อโหลดเต็ม เครื่องจะนิ่งที่รอบต่ำกว่าตอนไม่มีโหลดเสมอ ปรากฏการณ์นี้ทุกวันนี้เรียกว่า droop และยังเป็นคำที่อยู่บนสเปกชีตเครื่องปั่นไฟทุกยี่ห้อ

1868: James Clerk Maxwell เปลี่ยนเหล็กให้เป็นสมการ

คนที่ไขปริศนา hunting ได้ไม่ใช่วิศวกรเครื่องกล แต่เป็นนักฟิสิกส์ James Clerk Maxwell คนเดียวกับที่รวมไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสงเข้าด้วยกันเป็นสมการชุดที่มีชื่อเสียงที่สุดในฟิสิกส์ ในปี 1868 Maxwell ตีพิมพ์บทความชื่อ On Governors ลงใน Proceedings of the Royal Society เล่มที่ 16 หน้า 270-283

Maxwell เขียนสมการการเคลื่อนที่ของเครื่องจักรกับ governor รวมกัน แล้วแสดงว่าระบบจะนิ่งได้ก็ต่อเมื่อรากของสมการลักษณะเฉพาะทุกตัวมีส่วนจริงเป็นลบ ถ้ามีรากใดมีส่วนจริงเป็นบวก การแกว่งจะโตขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งก็คืออาการ hunting ที่วิศวกรเห็นในโรงงานนั่นเอง เป็นครั้งแรกที่มีคนอธิบายได้ว่าการเพิ่มกำลังของ governor ให้แรงขึ้นอาจทำให้ระบบไม่เสถียร ไม่ใช่นิ่งขึ้น

Maxwell ยังแยก governor ออกเป็นสองแบบ แบบแรกเขาเรียกว่า moderator คือแบบที่ลดความผิดพลาดของรอบลงได้แต่ไม่หมด ซึ่งตรงกับสิ่งที่วิศวกรควบคุมยุคหลังเรียกว่าการควบคุมแบบสัดส่วน (proportional) แบบที่สองเขาเรียกว่า genuine governor คือแบบที่สะสมความผิดพลาดไว้แล้วแก้จนรอบกลับมาตรงเป้าพอดี ซึ่งตรงกับการควบคุมแบบอินทิกรัล (integral) สองคำนี้คือต้นแบบของโหมด droop กับ isochronous ที่เราจะคุยกันในหัวข้อถัดไป

Maxwell เองยอมรับในบทความว่ายังหาเงื่อนไขสำหรับสมการที่สูงกว่ากำลังสามไม่ครบ และหวังว่านักคณิตศาสตร์จะมาแก้ต่อ ปีต่อมาก็มีคนตอบโจทย์จริง Ivan Vyshnegradsky วิศวกรชาวรัสเซียได้เงื่อนไขความเสถียรคล้ายกันอย่างเป็นอิสระในปี 1876 และ Edward Routh นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษแก้ปัญหาสำหรับสมการกำลังสูงได้ในปี 1877 จนได้รางวัล Adams Prize ทุกวันนี้เกณฑ์ของ Routh ยังสอนอยู่ในวิชาระบบควบคุมของวิศวกรรมไฟฟ้าทุกมหาวิทยาลัย และเมื่อ Norbert Wiener ตั้งชื่อศาสตร์ใหม่ว่า cybernetics ในปี 1948 เขาก็ยกบทความ On Governors ของ Maxwell เป็นงานบุกเบิก

1870: Woodward จากกังหันน้ำสู่เครื่องยนต์ดีเซล

ขณะที่นักคณิตศาสตร์ในยุโรปถกเถียงเรื่องสมการ ฝั่งอเมริกามีช่างคนหนึ่งชื่อ Amos W. Woodward ที่เมือง Rockford รัฐอิลลินอยส์ ซึ่งคิด governor สำหรับควบคุมความเร็วของกังหันน้ำและได้สิทธิบัตรสหรัฐฯ เลขที่ 103,813 ในปี 1870 จากนั้นก่อตั้งบริษัทที่ภายหลังใช้ชื่อ Woodward Governor Company

ลูกชายของเขา Elmer Woodward ได้สิทธิบัตรเลขที่ 583,527 ในปี 1897 สำหรับ governor แบบชดเชย (compensating governor) ของกังหันน้ำ ซึ่งเป็นการแก้ปัญหา hunting ด้วยกลไกที่ชะลอการตอบสนองของ governor ให้สอดคล้องกับความเฉื่อยของกังหัน จากนั้นในปี 1933 บริษัทก็ขยายเข้าสู่งานควบคุมเครื่องยนต์ดีเซลด้วยสิทธิบัตรเลขที่ 2,039,507 และในปีเดียวกันก็พัฒนาตัวควบคุมใบพัดเครื่องบินที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก บริษัทนี้อยู่มาจนเปลี่ยนชื่อเป็น Woodward, Inc. ในปี 2011 และชื่อ Woodward ยังพบได้บนตัวควบคุมรอบของเครื่องยนต์ดีเซลและกังหันก๊าซจำนวนมากจนถึงทุกวันนี้

ในช่วงเวลาเดียวกัน วงการกังหันน้ำผลิตไฟฟ้าก็เริ่มนำตัวควบคุมแบบ PID มาใช้ตั้งแต่ราวปี 1930 คือรวมการควบคุมแบบสัดส่วน อินทิกรัล และอนุพันธ์ไว้ด้วยกัน ซึ่งก็คือการเอาคำตอบของ Maxwell มาทำให้เป็นจริงด้วยกลไกไฮดรอลิก

จากกลไกในปั๊มน้ำมันสู่กล่องอิเล็กทรอนิกส์

สำหรับเครื่องยนต์ Cummins ที่เราขายอยู่ทุกวัน เรื่องราวของ governor เปลี่ยนไปตามระบบน้ำมันเชื้อเพลิง ในปี 1951 Cummins เปิดตัวระบบน้ำมัน PT (pressure-time) ที่มี governor แบบหนีศูนย์ซ่อนอยู่ในตัวปั๊มน้ำมันเอง ทำหน้าที่ควบคุมแรงดันน้ำมันและแรงบิดตลอดช่วงรอบการทำงาน ทั้งรอบเดินเบาและป้องกันรอบเกิน หลักการยังคงเป็นลูกตุ้มเหวี่ยงแบบเดียวกับที่ Watt ใช้ แค่ย่อส่วนลงไปอยู่ในเรือนปั๊ม

เมื่อเครื่องปั่นไฟถูกใช้กับโหลดที่อ่อนไหวมากขึ้น เช่น ห้องคอมพิวเตอร์ โรงพยาบาล และระบบที่ต้องต่อเครื่องขนานกันหลายเครื่อง governor แบบกลไกเริ่มไม่ทันใจ เครื่องยนต์ตระกูล KTA19 ที่ใช้ในเครื่องปั่นไฟ Cummins 400-500 kVA จึงใช้ governor อิเล็กทรอนิกส์ที่แยกเป็นสามส่วนตามรูปปกของบทความนี้

• เซนเซอร์วัดรอบแบบแม่เหล็ก (magnetic pickup) ติดอยู่ที่เรือนล้อช่วยแรง นับฟันเฟืองวงแหวนที่หมุนผ่าน ยิ่งหมุนเร็วสัญญาณยิ่งถี่ ตัวอย่างเช่นตัวควบคุมรอบอะไหล่ 3098693 ที่ผู้จำหน่ายระบุว่าใช้กับเครื่องยนต์ KTA19 รับสัญญาณจากเซนเซอร์ช่วง 2,500-5,000 Hz
• ตัวควบคุม (controller) เทียบความถี่ของสัญญาณกับรอบเป้าหมาย แล้วคำนวณว่าต้องเพิ่มหรือลดน้ำมันเท่าไร ตัวเดียวกันนี้ระบุช่วงความนิ่งของรอบขณะคงที่ไว้ที่ ±0.25 เปอร์เซ็นต์ หรือประมาณ ±4 rpm ที่ 1,500 rpm
• ตัวสั่งงาน (actuator) รับกระแสแบบ PWM จากตัวควบคุม (สูงสุด 6 แอมป์ตามสเปกของอะไหล่ตัวเดียวกัน) แล้วขยับวาล์วหรือก้านในปั๊มน้ำมันเพื่อเปลี่ยนปริมาณน้ำมัน

ขั้นต่อมาคือระบบที่ governor ไม่ได้เป็นกล่องแยกอีกต่อไป ในปี 1997 Cummins เปิดตัวระบบน้ำมันอิเล็กทรอนิกส์เต็มรูปแบบ CELECT และเครื่องยนต์รุ่นใหม่ตระกูล QSK ก็ใช้กล่องควบคุมเครื่องยนต์ (ECM) ที่รวมหน้าที่ governor เข้ากับการควบคุมจังหวะฉีด แรงดันน้ำมัน และการป้องกันเครื่องยนต์ไว้ในชิปตัวเดียว ลูกตุ้มเหวี่ยงของ Watt จึงกลายเป็นบรรทัดของซอฟต์แวร์ แต่สมการที่อยู่เบื้องหลังยังเป็นสมการเดียวกับที่ Maxwell เขียนไว้เมื่อกว่า 150 ปีก่อน

Droop กับ Isochronous: สองโหมดที่เจ้าของเครื่องต้องเข้าใจ

สองคำนี้เป็นคำที่ช่างเครื่องปั่นไฟพูดกันบ่อยที่สุดเมื่อพูดถึง governor และเป็นมรดกโดยตรงจาก moderator กับ genuine governor ของ Maxwell

Isochronous แปลว่าเวลาเท่ากัน หมายถึงโหมดที่รอบคงที่ตั้งแต่ไม่มีโหลดถึงโหลดเต็ม หรือ droop เท่ากับ 0 เปอร์เซ็นต์ เมื่อโหลดเปลี่ยน รอบจะตกหรือพุ่งชั่วคราว แล้วกลับมาที่ 1,500 rpm ตรงเป้า เป็นโหมดที่เครื่องปั่นไฟเดี่ยวที่จ่ายไฟให้อาคารหรือโรงงานใช้กันเป็นส่วนใหญ่ เพราะอุปกรณ์ปลายทางได้ 50 Hz พอดีเสมอ

Droop คือโหมดที่ตั้งใจให้รอบลดลงเล็กน้อยเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น เอกสาร Consultants Corner ของ Toromont ผู้จำหน่ายเครื่องยนต์ Caterpillar ให้สูตรคำนวณไว้ว่า droop (เปอร์เซ็นต์) เท่ากับรอบตอนไม่มีโหลดลบรอบตอนโหลดเต็ม คูณ 100 หารด้วยรอบตอนโหลดเต็ม ตัวอย่างเช่นเครื่องที่ตั้ง droop 3 เปอร์เซ็นต์ ถ้ารอบโหลดเต็มคือ 1,500 rpm รอบตอนไม่มีโหลดจะอยู่ที่ประมาณ 1,545 rpm หรือความถี่ประมาณ 51.5 Hz

ทำไมถึงตั้งใจให้รอบไม่ตรงเป้า คำตอบอยู่ที่การต่อเครื่องขนานกัน ลองนึกถึงเครื่องปั่นไฟสองเครื่องที่ต่อขนานจ่ายโหลดเดียวกัน ถ้าทั้งสองเครื่องเป็น isochronous ล้วนแบบไม่มีระบบแบ่งโหลด ทั้งคู่จะพยายามดึงความถี่ไปที่ 50.00 Hz ของตัวเอง ซึ่งไม่มีทางตรงกันเป๊ะ เครื่องที่ตั้งสูงกว่าเพียงนิดเดียวจะพยายามรับโหลดทั้งหมด ส่วนอีกเครื่องจะถูกผลักให้เหลือโหลดน้อยลงเรื่อย ๆ จนอาจกลายเป็นมอเตอร์ถูกขับย้อนกลับ droop ช่วยแก้ปัญหานี้เพราะทำให้เครื่องที่รับโหลดมากกว่ามีรอบต่ำลง จึงรับโหลดเพิ่มได้น้อยลงเอง โหลดจึงแบ่งกันโดยธรรมชาติ ส่วนระบบต่อขนานสมัยใหม่ใช้ตัวควบคุมที่สื่อสารกันเพื่อแบ่งโหลดแบบ isochronous ได้ ซึ่ง Toromont ระบุว่ามักเป็นสิ่งที่ต้องใช้สำหรับการต่อขนานอัตโนมัติ

มาตรฐาน ISO 8528-5: governor ที่ดีวัดกันอย่างไร

มาตรฐาน ISO 8528-5 แบ่งสมรรถนะของเครื่องปั่นไฟเป็นคลาส G1 ถึง G4 โดย G1 สำหรับโหลดที่ต้องการแค่แรงดันและความถี่พื้นฐาน G2 สำหรับงานที่ต้องการคุณภาพไฟใกล้เคียงไฟการไฟฟ้า G3 สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความนิ่งและรูปคลื่นสูง และ G4 สำหรับค่าที่ผู้ผลิตกับลูกค้าตกลงกันเอง เอกสารของ Cummins สรุปค่าด้านความถี่ตามฉบับปี 2018 ไว้ดังนี้

ค่าด้านความถี่	G1	G2	G3
Droop โหมด isochronous	0%	0%	0%
Droop โหมด droop	ไม่เกิน 8%	ไม่เกิน 5%	ไม่เกิน 3%
ช่วงความถี่ขณะคงที่	±2.5%	±1.5%	±0.5%
ความถี่พุ่งสูงสุดเมื่อตัดโหลด 100%	+18%	+12%	+10%
ความถี่ตกสูงสุดเมื่อรับโหลด (ดีเซล)	-15%	-10%	-7%
เวลาความถี่กลับเข้าช่วง	10 วินาที	5 วินาที	3 วินาที

อ่านตารางให้เป็นภาษาคน คลาส G3 หมายความว่าตอนเดินคงที่ ความถี่ต้องอยู่ในช่วง 49.75-50.25 Hz เมื่อรับโหลดก้อนใหญ่ ความถี่ตกได้ไม่เกิน 7 เปอร์เซ็นต์หรือประมาณ 46.5 Hz และต้องกลับเข้าช่วงภายใน 3 วินาที ส่วนเมื่อเบรกเกอร์ตัดโหลดทั้งหมดทันที ความถี่พุ่งได้ไม่เกิน 10 เปอร์เซ็นต์หรือ 55 Hz ทั้งหมดนี้คือข้อสอบของ governor โดยตรง และเอกสารไวท์เปเปอร์ของ Kohler ก็ระบุว่าการตัดโหลดในการทดสอบเป็นขั้นเดียว 100 เปอร์เซ็นต์

ตัวเลขเหล่านี้เป็นเหตุผลที่การทดสอบจ่ายโหลด (Load Test) สำคัญกว่าแค่ดูว่าเครื่องรับโหลดเต็มได้ไหม การใส่โหลดเป็นขั้นแล้วดูว่าความถี่ตกเท่าไร กลับมาเร็วแค่ไหน และแกว่งหรือไม่ คือการตรวจสุขภาพของ governor ที่ตรงที่สุด

อาการที่บอกว่า governor มีปัญหา

• รอบแกว่งขึ้นลงเป็นจังหวะแม้โหลดคงที่ ได้ยินเสียงเครื่องหวือหวาเป็นรอบ ๆ หรือเข็มความถี่บนแผงควบคุมไม่นิ่ง นี่คืออาการ hunting แบบเดียวกับที่ทำให้วิศวกรยุคไอน้ำปวดหัว สาเหตุมักมาจากการตั้งค่าความไวของตัวควบคุมสูงเกินไป ตัวสั่งงานติดขัด หรือมีอากาศในระบบน้ำมัน
• รับโหลดแล้วรอบตกมากผิดปกติ ใช้เวลานานกว่าจะกลับ หรือดับไปเลย อาจเป็นที่ตัวสั่งงานตอบสนองช้า ไส้กรองน้ำมันตัน หรือขนาดเครื่องเล็กเกินโหลดที่เข้าทีเดียว ซึ่งในกรณีหลังไม่ใช่ความผิดของ governor แต่เป็นเรื่องของการเลือกขนาดเครื่อง
• ตัดโหลดแล้วเครื่องดับเพราะรอบเกิน (overspeed) แปลว่า governor ลดน้ำมันไม่ทัน เป็นอาการที่ต้องแก้ด่วนเพราะรอบเกินเป็นอันตรายต่อเครื่องยนต์และอัลเทอร์เนเตอร์
• เครื่องที่ต่อขนานกันแบ่งโหลดไม่เท่ากัน เครื่องหนึ่งรับเกือบหมดอีกเครื่องแทบไม่รับ มักมาจากการตั้ง droop หรือระบบแบ่งโหลดไม่ตรงกัน

ปัญหาส่วนใหญ่แก้ได้ด้วยการตั้งค่าและบำรุงรักษาตามรอบ ไม่ต้องเปลี่ยนชิ้นส่วน ทีมช่างของเราตรวจและปรับตั้ง governor เป็นส่วนหนึ่งของบริการบำรุงรักษาเครื่องปั่นไฟ และรายการตรวจตามรอบอยู่ใน คู่มือบำรุงรักษาเครื่องปั่นไฟ (PM)

เอาไปใช้เลือกเครื่องปั่นไฟอย่างไร

ข้อแรก ถามว่าเครื่องเป็น governor แบบกลไกหรืออิเล็กทรอนิกส์ และรองรับคลาสสมรรถนะ ISO 8528-5 ระดับไหน งานที่มีคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์การแพทย์ หรือไดรฟ์ปรับรอบมอเตอร์ ควรมองหาเครื่องที่ผ่าน G3 ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่ โรงพยาบาลต้องเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างระมัดระวัง

ข้อสอง ถ้าวางแผนต่อเครื่องขนานกันในอนาคต ต้องถามตั้งแต่วันซื้อว่าตัวควบคุมรองรับการแบ่งโหลดแบบใด droop หรือ isochronous load sharing เพราะการเปลี่ยนภายหลังมักต้องเปลี่ยนทั้งชุดควบคุม

ข้อสาม ดูเรทของเครื่องให้ตรงงาน governor ทำให้รอบนิ่งได้ก็ต่อเมื่อเครื่องยนต์ยังมีแรงเหลือให้เพิ่มน้ำมัน ถ้าใช้เครื่องเกินเรทต่อเนื่อง governor จะเปิดน้ำมันสุดแล้วก็ยังดึงรอบไม่ขึ้น ความแตกต่างระหว่างเรท Standby, Prime และ Continuous อธิบายไว้ใน บทความเรื่องเรทเครื่องปั่นไฟ และเรื่องหน่วย kVA กับ kW อยู่ใน kVA คืออะไร

ข้อสี่ สำหรับงานชั่วคราวที่โหลดเปลี่ยนบ่อย เช่น ไซต์ก่อสร้างที่มีเครนและเครื่องเชื่อม การเช่าเครื่องปั่นไฟขนาดที่เผื่อแรงไว้จะทำให้ governor ทำงานในช่วงที่สบาย ไฟนิ่งกว่าการใช้เครื่องที่พอดีโหลดเกินไป

เครื่องในช่วง 60-1,000 kVA ที่เราจำหน่ายดูได้ที่หมวด เครื่องปั่นไฟ Cummins หรือดูเครื่อง 500 kVA ที่ใช้เครื่องยนต์ KTA19 ซึ่งเป็นตัวอย่างประจำของซีรีส์บทความนี้ได้ที่หน้า Cummins TC500T 500 kVA และถ้าอยากรู้จักชิ้นส่วนอื่นของเครื่องเดียวกันนี้ต่อ เรามีเรื่อง หม้อน้ำ และ เดซิเบลกับเสียงเครื่องปั่นไฟ

แหล่งอ้างอิงหลัก

• James Clerk Maxwell, On Governors, Proceedings of the Royal Society Vol. 16, pp. 270-283, 1868 (สรุปและบริบทจากบทความของ Guanrong Chen, City University of Hong Kong)
• Wikipedia: Centrifugal governor, Governor (device), Woodward, Inc.
• The Mills Archive: Thomas Mead’s patent for a self-regulating governor
• Toromont Power Systems, Consultants Corner: Engine Speed Governors
• Cummins Inc., ISO 8528-5 performance classes (เอกสาร mart.cummins.com 0058629)
• Kohler Power, ISO 8528-5 and Generator Transient Performance (White Paper)
• Caterpillar, Transient Performance Specifications for Diesel Generator Sets
• Cummins PT fuel system history (Trucksales / Roadtrains Australia)
• สเปกตัวควบคุมรอบอะไหล่ 3098693 สำหรับเครื่องยนต์ Cummins KTA19 (FridayParts)

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ Governor เครื่องปั่นไฟ

Governor คืออะไร และทำหน้าที่อะไรในเครื่องปั่นไฟ

Governor คือระบบควบคุมความเร็วรอบของเครื่องยนต์ วัดรอบจริง เทียบกับรอบเป้าหมาย แล้วเพิ่มหรือลดน้ำมันเชื้อเพลิงอัตโนมัติให้รอบคงที่แม้โหลดเปลี่ยน ในเครื่องปั่นไฟ 4 ขั้วแม่เหล็ก รอบต้องอยู่ที่ 1,500 rpm จึงจะได้ไฟ 50 Hz รอบที่ตก 1 เปอร์เซ็นต์ทำให้ความถี่ลดลงครึ่งเฮิรตซ์ governor จึงเป็นตัวกำหนดคุณภาพความถี่ของไฟที่เครื่องจ่ายออกมา

Governor ถูกคิดค้นเมื่อไร และใครเป็นผู้คิดค้น

Governor แบบลูกตุ้มเหวี่ยงถูกใช้ควบคุมหินโม่ในกังหันลมมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 โดยยังไม่มีหลักฐานชัดเจนว่าใครคิดค้นคนแรก James Watt นำมาใช้กับเครื่องจักรไอน้ำในปี 1788 ตามคำแนะนำของ Matthew Boulton จนคนทั่วไปเรียกว่า Watt governor ต่อมาในปี 1868 James Clerk Maxwell ตีพิมพ์บทความ On Governors อธิบายทางคณิตศาสตร์ว่าทำไมเครื่องถึงแกว่ง และ Amos Woodward ได้สิทธิบัตร governor สำหรับกังหันน้ำในปี 1870 ก่อนที่บริษัท Woodward จะขยายสู่ governor เครื่องยนต์ดีเซลในปี 1933

Droop กับ Isochronous ต่างกันอย่างไร

Isochronous คือโหมดที่รอบคงที่ตั้งแต่ไม่มีโหลดถึงโหลดเต็ม droop เท่ากับ 0 เปอร์เซ็นต์ เหมาะกับเครื่องเดี่ยวที่ต้องการความถี่ 50 Hz ตรงเป้าเสมอ ส่วน droop คือโหมดที่ตั้งใจให้รอบลดลงเล็กน้อยเมื่อโหลดเพิ่ม คำนวณจากรอบไม่มีโหลดลบรอบโหลดเต็ม คูณ 100 หารด้วยรอบโหลดเต็ม เช่น droop 3 เปอร์เซ็นต์ที่ 1,500 rpm โหลดเต็มจะมีรอบไม่มีโหลดประมาณ 1,545 rpm โหมด droop ช่วยให้เครื่องที่ต่อขนานกันแบ่งโหลดกันได้โดยไม่แย่งโหลดกัน

มาตรฐาน ISO 8528-5 คลาส G3 กำหนดความถี่ไว้อย่างไร

ตามสรุปของ Cummins จาก ISO 8528-5 ฉบับปี 2018 คลาส G3 กำหนดช่วงความถี่ขณะคงที่ไม่เกิน ±0.5 เปอร์เซ็นต์ ความถี่ตกเมื่อรับโหลดไม่เกิน 7 เปอร์เซ็นต์สำหรับเครื่องดีเซล ความถี่พุ่งเมื่อตัดโหลด 100 เปอร์เซ็นต์ไม่เกิน 10 เปอร์เซ็นต์ และต้องกลับเข้าช่วงภายใน 3 วินาที ส่วนคลาส G2 อนุญาต ±1.5 เปอร์เซ็นต์ และ 5 วินาที และ G1 อนุญาต ±2.5 เปอร์เซ็นต์ และ 10 วินาที ค่าเหล่านี้คือเกณฑ์ที่ใช้วัดว่า governor ของเครื่องทำงานดีแค่ไหน