KR100927072B1 - 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치 - Google Patents

가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 관한 것으로, 외부로부터의 제어 신호에 의해서 냉매의 토출 용량이 가변하는 압축기, 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 응축기, 응축기로부터 유입측으로 유입되는 냉매의 압력 및 온도에 따라 변화하는 스텝모터의 회전수에 의해 개도가 가변하는 팽창밸브, 그리고 팽창밸브에 의해 팽창되어 출구측으로 유출된 냉매를 증발시키는 증발기를 갖는 냉동사이클 및 냉동사이클을 수용하는 챔버를 포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서, 챔버 내의 온도와 팽창밸브의 유입측 및 출구측의 냉매의 온도를 각각 검출하는 온도 검출부, 온도 검출부에 의해서 검출된 각각의 온도를 전달함수에 의해 압축기의 회전수를 제어하는 온도 제어부, 증발기의 입구측 및 출구측으로 유출입되는 냉매로부터 과열도를 검출하고, 검출된 과열도를 전달함수에 의해 팽창밸브의 개도를 제어하는 과열도 제어부, 그리고 과열도 제어부에 의한 팽창밸브의 개도 변화량에 따른 증발기의 과열도 변화량을 전달함수에 의해 산정된 보상값으로 피드포워드적으로 압축기의 회전수의 설정을 변경하는 PLC 제어수단을 포함한다.
가변속, 냉동시스템, 과열도, 용량 제어, 인버터, PID 제어

Description

가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치{THE SUPERHEAT AND CAPACITY CONTROL DEVICE OF VARIABLE SPEED REFRIGERATION SYSTEM}
본 발명은 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변속 냉동시스템의 에너지 절감을 위한 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 실행할 때 상호 영향을 미치는 간섭 루프를 배제할 수 있는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 관한 것이다.
산업기술의 발전과 쾌적한 주거환경에 대한 요구가 급증하면서 에너지 절약을 위한 인버터 냉동시스템이 보편화 되고 있다. 따라서, 장치에 대한 고성능, 고정도(高精度)의 제어가 필수적이다.
그러나, 냉동시스템의 기본 구성인 냉동사이클은 압축기, 팽창기와 열교환기로 구성되고 이들은 배관을 통해 상호 영향을 미치는 간섭계를 이루고 있을 뿐만 아니라 시스템이 갖는 비선형성으로 인해 명확한 동특성 파악이 어려우며 따라서 제어기의 체계적인 설계가 어렵다.
냉동시스템의 기존 제어법으로는 부하 변동에 따른 에너지 절약을 위한 용량 제어와 COP(Coefficient Of Performance) 향상을 위한 증발기의 과열도 제어가 주 된 핵심이다.
먼저, 기존의 용량 제어는 설정온도, 열교환기 능력 및 열부하의 상호 관계에 의하여 주로 On/Off 단속운전을 해 왔다. 그러나, 이 방법은 빈번한 온/오프(On/Off) 운전으로 인해 시스템 자체의 신뢰성이 떨어지고 소음이 커지며, 장치의 수명을 단축시키고 정교한 제어가 불가능하였다.
그리고, 기존의 과열도 제어는 압축기의 입구 과열도를 일정한 값으로 제어하는 것이다. 하지만 입구 과열도를 고정하기 때문에 운전 조건에 따라 효율이 저하될 수도 있으며, 어떤 경우에는 입구 과열도가 확보되지 않아 제어 변수로 사용할 수가 없게 되는 문제점이 있었다.
한편, 냉동시스템은 그 특성상 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 독립적으로 제어하기 어렵다. 이는 압축기 회전수 변화와 팽창밸브 개도 변화가 과열도와 목표로 하는 챔버 온도에 각각 영향을 미치기 때문이다.
도 1은 기존의 냉동시스템의 상호 간섭관계를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 점선 부분 속에 나타나 있는 것이 간섭항이다. 이러한 간섭 특성으로 인해 용량 제어와 과열도 제어는 주로 어느 한 쪽만을 일방적으로 제어해 왔다. 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 병행하여 에너지 절감과 COP 향상을 도모하는 제어방법은 아직 제시되지 않고 있다.
또한, 가변속 냉동시스템에 대해 실험식으로 부하에 알맞은 회전수를 계산하고 그에 따른 과열도 제어를 실행한 연구가 있다. 하지만 이 방법은 압축기의 회전수 변화 시의 과도특성을 고려하지 않았기 때문에 정상상태에 도달하는 시간이 비 교적 긴 단점이 있었다.
제어 대상인 증기 압축식 기본 냉동사이클은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브를 포함하여 구성된다. 그러나, 이들은 배관을 통해 상호 영향을 미치는 간섭계를 이루고 있을 뿐만 아니라 시스템이 갖는 비선형성으로 인해 명확한 동특성 파악이 어려우며 따라서 실용적인 모델을 얻기가 용이하지 않다.
그리고 에너지 보존법칙을 이용한 정교한 수학적 모델링은 수치 시뮬레이션은 가능하나 미분 고차항을 포함하고 있어서 제어기 설계가 복잡해진다.
또한, 기본 냉동사이클에서 압축기 회전수 변화와 팽창밸브 개도 변화 시 그에 대응하는 실내 온도와 과열도의 응답특성을 시간지연을 갖는 1차지연요소로 가정하고 실험 데이터를 이용한 회귀방정식을 통해 실험적 모델을 얻은 사례도 있다. 이 방법은 전달함수의 각 파라미터들을 실내온도, 압축기 회전수와 팽창밸브 개도의 함수로 표현하였기 때문에 제어기 설계가 번거롭다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가변속 냉동시스템의 에너지 절감을 위한 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 실행할 때 상호 영향을 미치는 간섭 루프를 배제할 수 있는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 냉동사이클의 과열도와 챔버 온도의 오차를 최소로 하고 투입 에너지를 최소화할 수 있는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 부분 부하 변동에 대응해 압축기 회전수를 연속적으로 제어함으로써 에너지 절약은 물론 압축기의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치는 외부로부터의 제어 신호에 의해서 냉매의 토출 용량이 가변하는 압축기, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 응축기, 상기 응축기로부터 유입측으로 유입되는 냉매의 압력 및 온도에 따라 변화하는 스텝모터의 회전수에 의해 개도(開度)가 가변하는 팽창밸브, 그리고 상기 팽창밸브에 의해 팽창되어 출구측으로 유출된 냉매를 증발시키는 증발기를 갖는 냉동사이클 및 상기 냉동사이클을 수용하는 챔버를 포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서, 상기 챔버 내의 온도와 상기 팽창밸브의 유입측 및 출구측의 냉매의 온도를 각각 검출하는 온도 검출부, 상기 온도 검출부에 의해서 검출된 각각의 온도를 관계식(1)로 나타내는 전달함수(G1_Ta)에 따라서 상기 압축기의 회전수를 제어하는 온도 제어부, 상기 증발기의 입구측 및 출구측으로 유출입되는 냉매로부터 과열도를 검출하고, 검출된 과열도를 관계식(2)로 나타내는 전달함수(G1_SH)에 따라서 상기 팽창밸브의 개도를 제어하는 과열도 제어부, 그리고 상기 과열도 제어부에 의한 상기 팽창밸브의 개도 변화량에 따른 상기 증발기의 과열도 변화량을 관계식(3)으로 나타내는 전달함수(G2_SH)에 따라서 산정된 보상값으로 피드포워드(Feed-Forward)적으로 상기 압축기의 회전수의 설정을 변경하는 PLC 제어수단을 포함한다.
Figure 112009005700375-pat00001
(1)
Figure 112009005700375-pat00002
(2)
Figure 112009005700375-pat00003
(3)
{식 중, G1_Ta는 압축기의 회전수 변화량에 따른 챔버 내의 온도 변화량 전달함수, △ｆ는 압축기의 회전수 변화량, △T a 는 챔버 내의 온도 변화량, G1_SH는 압축기의 회전수 변화량에 따른 증발기의 과열도 변화량 전달함수, △VO 는 팽창밸브의 개도 변화량, △SH 는 증발기의 과열도 변화량, G2_SH는 팽창밸브의 개도 변화량에 따른 증발기의 과열도 변화량 전달함수를 각각 나타내며, 이들 식들은 각각 첨부된 도면 도 2의 블록 다이어그램 상에서 의미를 갖는 전달함수들이다}
상기 온도 검출부는 상기 챔버 내 일측에 설치된 제1 온도 센서, 상기 증발기의 2상 영역에 설치된 제2 온도 센서, 그리고 상기 증발기의 출구측에 설치된 제3 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 온도 검출부에 의해 검출된 상기 챔버 내의 온도가 제1 설정치보다 높으면 상기 챔버 내의 온도가 상기 제1 설정치가 되도록 상기 압축기의 회전수를 상승시키고, 상기 온도가 제1 설정치보다 낮으면 상기 챔버 내의 온도가 상기 제1 설정치가 되도록 상기 압축기의 회전수를 하강시키도록 제어하는 인버터를 포함할 수 있다.
상기 과열도 제어부는 상기 증발기에 설치된 제2 및 제3 온도 센서에 의해 측정된 양 온도의 온도차이로 정의하는 상기 증발기의 과열도를 검출할 수 있다.
상기 과열도 제어부는 상기 과열도가 제2 설정치보다 크다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치가 되도록 상기 팽창밸브의 개도를 열어주고, 상기 과열도가 제2 설정치보다 작다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치가 되도록 상기 팽창밸브의 개도를 닫아주도록 제어하는 스텝모터 제어 인터페이스를 포함할 수 있다.
상기 PLC 제어부는 CPU, 상기 온도 검출부에 의해 측정되어 전송되는 아날로그 신호가 실시간으로 입력되는 TC 유닛, 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 유닛, 상기 디지털 신호를 입력받아 PI 제어 로직으로 연산하는 PID 유닛, 그리고 상기 PID 유닛에 의해 연산된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 온도 제어부와 상기 과열도 제어부의 제어 입력 신호로 출력하는 D/A 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제어 입력 신호는 상기 온도 제어부에 입력되어 상기 압축기의 회전수를 제어하는 주파수 지령 신호이며, 상기 온도 제어부의 주파수 지령에 의해 상기 압축기의 회전수가 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 의하면 상호 간섭루프를 배제하였기 때문에 제어기의 체계적인 설계가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 의하면 압축기의 입구 과열도 대신 팽창밸브의 개도를 변화시켜 냉매의 질량유량을 제어하여 증발기의 과열도를 일정한 값으로 제어함으로써 냉동효과를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 의하면 단순 PI 제어에 비해 양호한 과도특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 매우 안정적인 정상상태 특성을 얻을 수 있어 가변속 냉동시스템을 고성능, 고정도로 제어하면서 COP 향상과 에너지 절약을 동시에 달성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태고 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치는 고성능, 고정도의 제어기가 필수적이다. 냉동시스템의 고성능, 고정도의 제어기 설계를 위해서는 먼저 시스템의 동특성을 나타내는 수학적 모델이 필요하다.
본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치 는 용량 제어와 과열도제어를 동시에 독립적으로 실행하기 위해 상호 간섭 루프를 배제할 수 있는 비간섭(Decoupling) 모델을 제안한다. 이 모델에서는 종래 도 1의 점선부분 속에 나타난 간섭항들이 제거되어 피드포워드(Feed-Forward)적으로 각 지령치에 반영되도록 하고 있다는 것이 특징이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치의 블록 다이어그램이다.
도 2에서 제어량은 챔버(10) 내의 온도(T a )와 증발기(50)의 과열도(SH )이다. 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(10) 내의 온도(T a )와 증발기(50)의 과열도(SH )는 서로 간섭계를 이루고 있다. 즉, 압축기(20)의 회전수를 변화시키는 방법으로 용량 제어를 하면 챔버(10) 내의 온도(T a )를 목표 온도로 제어를 할 수 있는 것과 동시에 증발기(50)의 과열도(SH )에 영향을 미치게 된다. 압축기(20)의 회전수를 크게 하면 증발기(50)의 과열도(SH )는 높아지게 된다. 그러므로, 용량 제어 및 과열도 제어를 동시에 실현하기 위해서는 압축기(20)의 회전수를 제어함과 동시에 팽창밸브(40)의 개도에 대한 제어로 각각 이루어져야 한다.
여기서, 증발기(50)의 '과열도(superheat)'는 엄밀하게 증발기(50)의 입구측 냉매온도(T ei )와 출구측 냉매 포화온도(evaporate temperature or saturation temperature)(T eo )의 차로 정의된다. 만약 증발기(50)의 배관 내에서 압력 손실이 전혀 없다면 증발기(50)의 출구측 냉매온도와 증발기(50)의 출구측 냉매 포화온 도(T eo )가 같아지므로 과열도를 증발기(50)의 출구측 냉매온도(T eo )와 입구측 냉매온도(T ei )의 차로 정의할 수 있다. 또한, 증발기(50)의 배관 내에서 압력 손실이 매우 작을 경우에는 그 압력 손실을 무시하고 과열도를 증발기(50)의 입·출구측 냉매온도 차로 보아도 무방하다. 본 발명의 실시예에서 증발기(50) 배관의 입·출구측 압력을 체크한 결과, 압력 강하(손실)가 0.02 내지 0.15bar 정도로서 무시할 수 있는 압력 손실이므로 본 발명에서는 '과열도'를 증발기(50)의 출구측과 입구측의 온도 차(SH = T eo - T ei )로 정의하기로 한다.
도 2에서 Ci(i = 1 내지 2)는 제어기를 표시하고, Gi(i = 1 내지 2)는 시스템의 전달함수를 표시한다. 각 제어량에 대한 설정값은 각각 Ta * 와 SH * 이다.
도 3은 도 2에서 제안한 비간섭 모델에 의한 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치의 블록선도를 표시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예와 관련되는 냉동사이클은 외부로부터의 제어 신호에 의해서 냉매의 토출 용량이 가변하는 압축기(20), 상기 압축기(20)에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 응축기(30), 상기 응축기(30)로부터 유입측으로 유입되는 냉매의 압력 및 온도에 따라 변화하는 스텝모터(미도시)의 회전에 의해 개도(開度)가 가변하는 팽창밸브(40), 그리고 상기 팽창밸브(40)에 의해 팽창되어 출구측으로 유출된 냉매를 증발시키는 증발기(50)가 배관(60)에 의하여 접속한 구성을 가지고 있다. 또한, 상기 냉동사이클을 수용하는 챔버(10)를 포함한다.
압축기(20)는 회전수를 제어함으로써 냉매 용량을 제어하는 것으로, 내부의 냉매는 단상과열증기 상태로서 이상기체이고, 압축기 실린더 내에서 냉매가 폴리트로픽(polytropic) 변화를 하는 것으로 가정한다. 압축기(20)에 의해 압축된 냉매는 응축기(30)에 의해 냉각되어 고온 고압의 기상 냉매가 된다.
팽창밸브(40)는 상기 응축기(30)로부터 공급되는 고온 고압의 냉매액을 증발압력까지 교축현상에 의하여 감압하여 증발기(50)로 보내는 감압장치의 역할을 하는 것과 동시에 냉동부하 용량에 대응하여 냉매의 유량을 적절히 조절하는 역할을 한다. 팽창밸브(40)로는 모세관(C.E.V), 온도식 팽창밸브(T.E.V), 수동식 팽창밸브(M.E.V), 전자식 팽창밸브(E.E.V) 등이 이용될 수 있으나, 본 실시예에서는 정밀 유량 제어를 시스템 효율을 최대화하는데 없어서는 안될 부분이므로 부하 변동에 대응하여 냉매유량을 정밀하게 조절할 수 있는 전자식 팽창밸브가 이용되는 것이 바람직하다.
증발기(50)는 냉동사이클에서 외부와 열교환을 일으키는 주된 장치로서, 증발기(50)에서의 냉매는 팽창밸브(40)의 교축작용에 의하여 기·액의 2상 상태로 증발기(50)에 유입된 다음 공기측과의 열교환에 의해 과열 증기 상태로 유출된다.
이상과 같이 구성되는 냉동사이클에 있어서의 과열도(SH )와 챔버(10) 내의 온도(T a )의 오차를 최소화하고 투입 에너지를 최소화하는 것을 제어 목표로 한다. 따라서 본 발명에서 고려하고 있는 냉동사이클의 제어 가능한 제어 입력은 압축기(20)의 회전수와 팽창밸브(40)의 개도이다.
상기 압축기(20)의 회전수와 팽창밸브(40)의 개도를 각각 독립적으로 제어하 기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치는 온도 검출부(100), 온도 제어부(110), 과열도 제어부(200) 및 PLC 제어부(300)를 포함할 수 있다.
온도 검출부(100)로서 챔버(10)의 내부에 설치되어 챔버(10) 내의 온도(T a )를 검출하기 위한 제1 온도 센서(100a)와 상기 팽창밸브(40)의 유입측 및 출구측의 냉매의 온도를 검출하기 위하여 상기 증발기(50)의 2상 영역에 설치된 제2 온도 센서(100b) 및 상기 증발기(50)의 출구측 관벽에 설치된 제3 온도 센서(100c)를 포함할 수 있다.
온도 제어부(110)는 상기 온도 검출부(100)에 의해서 검출된 온도에 따라서 압축기(20)의 회전수를 제어한다. 즉, 상기 온도 제어부(110)는 제1 온도 센서(100a)에 의해 검출된 챔버(10) 내의 온도(T a )가 제1 설정치(T a * )보다 높으면 압축기(20)의 회전수를 상승시키고, 제1 온도 센서(100a)에 의해 검출된 챔버(10) 내의 온도(T a )가 제1 설정치(T a * )보다 낮으면 상기 압축기(20)의 회전수를 하강시키도록 제어하는 것으로, 인버터(inverter)를 포함할 수 있다. 여기서 제1 설정치(T a * )는 사용자에 의한 챔버(10) 내의 설정 온도값을 의미한다. 만약, 제1 온도 센서(100a)에 의해 검출된 온도(T a )와 제1 설정치(T a * )인 온도와 동일하면 상기 압축기(20)는 동작이 중단되도록 제어될 수 있다.
한편, 증발기(50)에 유입되는 냉매유량이 과열도에 아주 큰 영향을 미치므로 증발기(50)에 유입되는 냉매유량을 제어함으로써 증발기(50)의 과열도(SH )를 제어하여 냉동사이클의 효율을 높일 수 있다.
이를 위하여 과열도 제어부(200)는 상기 증발기(50)에 설치된 제2 및 제3 온도 센서(100b,100c)의 온도 차에 의해 증발기(50)의 과열도(SH )를 구하여 증발기(50)에 유입되는 냉매를 피드백 제어한다.
그리고, 상기 과열도 제어부(200)에 의해서 검출된 증발기(50)의 과열도(SH)에 따라서 상기 팽창밸브(40)의 개도를 제어한다. 즉, 상기 과열도 제어부(200)는 상기 증발기(50)에 설치된 제2 및 제3 온도 센서(100b,100c)의 온도 차에 의해 검출된 증발기(50)의 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )보다 크다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치(SH * )가 되도록 팽창밸브(40)의 개도를 열어주고, 상기 증발기(50)에 설치된 제2 및 제3 온도 센서(100b,100c)의 온도 차에 의해 검출된 증발기(50)의 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )보다 작다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치(SH * )가 되도록 팽창밸브(40)의 개도를 닫아주도록 제어하는 것으로, 스텝모터 제어 인터페이스(Step Moter Control Interface)를 포함할 수 있다. 여기서 제2 설정치(SH * )는 사용자의 설정에 의한 과열도를 의미한다. 만약, 증발기(50)의 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )와 동일하면 상기 팽창밸브(40)의 개도는 현 상태로 유지되도록 제어될 수 있다.
PLC 제어부(300)는 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 독립적으로 실행하기 위해 온도 제어부(110)와 과열도 제어부(200)에 의한 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )과 팽창밸브(40)의 개도 변화량(△VO )에 따른 챔버(10) 내 온도 변화량(△T a )과 증발기(50)의 과열도 변화량(△SH )에 따라서 상호 간섭 루프를 배제할 수 있도록 산정된 보상값에 의해 피드포워드(Feed-Forward)적으로 압축기(20)의 회전수의 설정을 변경하도록 한다.
이러한 PLC 제어부(300)는 중앙처리장치(CPU)(310), A/D 유닛(320), TC 유닛(330), PID 유닛(340) 및 D/A 유닛(350) 등으로 구성되며, 통상의 제어에 필요한 데이터 신호가 입력되어 온도 제어부(110)와 과열도 제어부(200)의 제어신호로 변환해 출력하는 것이다.
특히 본 실시예에서는 팽창밸브(40)의 개도 변화량(△VO )에 따른 증발기(50)의 과열도 변화량(△SH )으로부터 제어 입력 신호가 입력되어 압축기(20)의 회전수 제어신호로서 출력되는 것이다.
즉, 상기 온도 제어부(110)인 인버터(inverter)와 상기 과열도 제어부(200)인 스텝모터 제어 인터페이스(Step Moter Control Interface)의 제어 입력 신호는 상기 D/A 유닛(350)으로부터 얻는다. PI 제어 로직은 상기 PID 유닛(340)에서 연산되며, 온도는 온도 검출부(100)인 제1, 제2 및 제3 온도 센서(100a,100b,100c)로 측정하고, 측정된 온도는 아날로그 신호로 상기 TC 유닛(330)에 실시간으로 보내진 다. 상기 제1, 제2 및 제3 온도 센서(100a,100b,100c)로 측정된 온도에 관한 각각의 아날로그 신호는 PLC 제어부(300)의 A/D 모듈(320)로 입력되어 각각 디지털 신호로 변환되고, 이 변환된 각각의 디지털 신호는 CPU(310)에서 연산을 거친 후, 다시 D/A 유닛(350)에 의해 아날로그 신호로 변화되어 온도 제어부(100)인 인버터(inverter)에 지령신호로 입력되며, 입력된 아날로그 지령치(전압 혹은 전류)에 대응하는 주파수 지령에 의해 인버터가 압축기(20)의 회전수를 제어한다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 가변속 냉동시스템에 의해 실행되는 제어 중 본 발명의 실시 형태와 관련되는 용량제어를 위한 압축기(20)의 회전수 제어에 대해 설명한다.
도시하지 않은 온도 조절 스위치에 의해 설정된 온도를 조건으로 제어가 개시되어 각종 데이터가 입력된다.
이 제어는 연산 등에 의해서 온도 센서(100a)에 의해서 검출된 챔버(10) 내의 실제온도(T a )와 설정된 실온 설정값(T a * )이 동일해지도록 PI 제어법에 의해서 압축기(20)의 회전수를 제어하는 것이다.
PLC 제어부(300)의 CPU(310)에 의해 챔버(10) 내의 실제온도(T a )가 제1 설정치인 실온 설정값(T a * )(예를 들면, 0℃)보다 큰가 아닌가를 판정한다. 제1 온도 센서(100a)에 의해 검출된 온도(T a )가 제1 설정치(T a * )보다 크면 압축기(20)의 회 전수를 상승시키고, 제1 온도 센서(100a)에 의해 검출된 온도(T a )가 제1 설정치(T a * )보다 작으면 상기 압축기(20)의 회전수를 하강시키도록 온도 제어부(110)를 이용하여 챔버(10) 내의 온도를 제어하는 것이다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 가변속 냉동시스템에 의해 실행되는 제어 중 본 발명의 실시 형태와 관련되는 과열도 제어를 위한 팽창밸브(40)의 개도 제어에 대해 설명한다.
PLC 제어부(300)의 CPU(310)와 TC 유닛(330)에 의해 과열도(SH )가 연산된다. 즉, 과열도(SH )는 증발기(50)의 출구측 온도(T eo )와 입구측 온도(T ei )의 차이로 연산된다.
SH = T eo - T ei
그리고, 이 제어는 연산 등에 의해서 제2 온도 센서(100b)와 제3 온도 센서(100c)의 온도 차에 의해서 검출된 실제의 과열도(SH )와 사용자에 의해 설정된 목표 과열도(SH * )가 동일해지도록 하기 위해 PI 제어법에 의해서 팽창밸브(40)의 개도를 제어하는 것이다.
PLC 제어부(300)의 CPU(310)에 의해서 증발기(50)의 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )(예를 들면, 0℃)보다 큰가 아닌가를 판정한다. 즉, 온도 검출부(100)에 의해 검출된 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )보다 크다고 판정되었을 경우에는 팽창밸브(40)의 개도를 늘려, 결과적으로 냉동사이클에 흐르는 냉매량을 증대시키고, 증발기(50)의 과열도(SH )를 저감시키는 것이다. 한편, 과열도(SH )가 제2 설정치(SH * )보다 작다고 판정되었을 경우에는 팽창밸브(40)의 개도를 줄여 냉동사이클에 흐르는 냉매량을 감소시키고, 증발기(50)의 과열도(SH )를 증대시키는 것이다.
이와 같이, PLC 제어부(300)는 상기 온도 제어부(110)에 의한 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )에 따른 상기 증발기(50)의 과열도의 변화량(△SH )에 산정된 보상값으로 피드포워드(Feed-Forward)적으로 상기 팽창밸브(40)의 개도의 설정을 변경한다. 또한, PLC 제어부(300)는 상기 과열도 제어부(200)에 의한 팽창밸브(40)의 개도 변화량(△VO )에 따른 상기 증발기(50)의 과열도의 변화량(△SH )에 의해 산정된 보상값으로 피드포워드(Feed-Forward)적으로 상기 압축기(20)의 회전수의 설정을 변경한다.
본 실시예에 따른 제어부의 각 구성 부분의 구체적인 사양은 표 1과 같다.
온도 제어부(110) (인버터) Type HP PWM 2
과열도 제어부(200) (스텝모터 제어 인터페이스) 입력 전압 입력 신호 출력 DC 12V DC 1~5V or 4~20㎃ 0~400 step
PLC 제어부(300) CPU PID uint TC unit D/A unit GM2 32 loop 16 ch 16 ch
이하에서는, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 의해 종래 도 1의 점선 부분 속에 나타난 간섭항을 제어하여 피드포워드(Feed-Forward)적으로 각 지령치에 반영되도록 하는 전달함수들을 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 팽창밸브(40)의 개도 변화량(△VO )와 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )의 변화에 따른 간섭량을 피드포워드(Feed-Forward)적으로 냉동시스템의 입력부에 보상해줌으로써 간섭루프를 배제할 수 있다.
압축기(20)의 회전수 변화에 대한 챔버(10) 내의 온도 변화와 팽창밸브(40)의 개도 변화에 대한 과열도 변화는 시간지연을 갖는 1차지연요소로 표현할 수 있다.
Figure 112009005700375-pat00004
위 식들에서 파라미터는 ki 는 DC 게인, τi는 시정수 및 Li는 지연시간을 나타내는데 이 파라미터들은 수많은 실험을 통해 얻을 수 있다.
도 2의 전달함수를 구하기 위해 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )과, 챔버(10) 내의 온도 변화량 (△T a )과, 증발기(50)의 과열도 변화량 (△SH )를 각각 구하였다.
첫째, 팽창밸브(40)의 개도와 챔버(10) 내의 열부하를 일정하게 유지하고 압축기(20)의 회전수 속도를 40 내지 60㎐ 범위 내에서 10㎐씩 변화시킬 경우, 실험적인 결과를 사용하여 챔버(10) 내의 온도 변화량(△T a )과 증발기(50)의 과열도 변화량(△SH )의 관계는 다음과 같은 전달함수 G1_Ta 와 G1_SH 의 수학식으로 연역될 수 있다. 즉, G1_Ta는 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )에 따른 챔버(10) 내의 온도 변화량 전달함수이고, G1_SH는 압축기(20)의 회전수 변화량(△f )에 따른 증발기(50)의 과열도 변화량 전달함수이다.
Figure 112009005700375-pat00005
Figure 112009005700375-pat00006
위의 전달함수(G1_SH)를 Pade 근사법을 이용하여 근사화하면 다음식과 같다.
Figure 112009005700375-pat00007
둘째, 압축기(20)의 회전수와 챔버(10) 내의 열부하를 일정하게 유지하고 팽창밸브(40)의 개도를 각각 5%, 10%, 15% 및 20%씩 가변시켰을 경우, 실험적인 결과를 사용하여 챔버(10) 내의 온도 변화량(△T a )과 증발기(50)의 과열도 변화량(△SH )을 나타내는 전달함수(G2_SH)는 다음과 같은 수학식으로 연역될 수 있다. 즉, G2_SH는 팽창밸브(40)의 개도 변화량(△VO )에 따른 증발기(50)의 과열도 변화량 전달함수이다.
Figure 112009005700375-pat00008
위의 전달함수(G2_SH)를 Pade 근사법을 이용하여 근사화하면 다음과 같다.
Figure 112009005700375-pat00009
여기서, 팽창밸브(40)의 개도 변화가 챔버(10) 내의 온도 변화에 크게 영향을 미치지 않으므로 전달함수 G2_Ta는 무시하였다.
이하에서는, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치의 열역학적 특성 파악과 최적 레귤레이터 제어기의 성능을 평가하였다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서 용량 제어만 하고 과열도 제어는 하지 않았을 때 챔버(10) 내의 온도와 과열도 제어 응답특성을 보여주는 그래프이다.
도 4(a)는 챔버(10)의 설정온도를 4℃로 일정하게 유지해주다가 그 설정치를 0℃로 바꾸었을 때의 챔버(10) 내의 온도는 변화된 설정치 0℃에 아주 잘 추정하고 있음을 알 수 있다.
도 4(b)는 챔버(10)의 설정온도 변화 시 그 주파수 변화특성을 보여주는데 아주 안정된 인버터 지령 주파수가 출력되고 있음을 알 수 있다.
도 4(c)는 챔버(10)의 설정온도 변화 시 팽창밸브(40)의 개도를 53%로 일정하게 유지하였을 때 과열도 변화특성을 보여준다. 여기서 알 수 있듯이 과열도 제어를 실행하지 않으면 챔버(10) 내의 온도 변화와 압축기(20) 주파수 변화에 따라 과열도가 감소하게 되며 습압축 현상도 일어남을 알 수 있다. 그러므로 본 발명으로부터 용량 제어와 과열도 제어를 동시에 해야할 필요성을 알 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서 챔버(10)의 설정온도를 4℃에서 0℃로 변화시켰을 때 챔버(10) 내의 온도와 과열도의 PI 제어 응답특성을 보여준다. 챔버(10) 내의 열부하는 1.45kW이고 과열도 설정치는 6℃이다.
도 5(a)는 챔버(10)의 설정온도를 0℃로 감소하였을 때 챔버(10) 내의 온도의 PI 제어 응답특성을 보여주는데 약 450[sec] 경과 후 챔버(10) 내의 온도는 설정치인 0℃로 정확히 추종하고 있음을 알 수 있다.
도 5(b)는 챔버(10)의 설정온도 변화 시 압축기(20)의 주파수 변화특성을 보여주는데 매우 안정적인 인버터 주파수 지령을 출력하고 있음을 볼 수 있다.
도 5(c)는 챔버(10)의 설정온도 변화 시 과열도 제어 응답특성을 보여준다. 챔버(10)의 설정온도가 변하면서 압축기(20) 회전수와 챔버(10) 내의 온도 변화로 인해 과열도도 변화하게 되는데 PI 제어기를 이용하여 과열도를 6℃로 일정하게 제어하였다. 제어 결과로부터 보면 과열도가 다시 설정치인 6℃에 도달하는데 약 1000[sec]의 시간이 걸린다. 과도상태에서는 33%의 오버슛(Overshoot)과 30%의 언더슛(Undershoot)이 발생한다.
도 5(d)는 챔버(10)의 설정온도 변화에 따른 과열도 제어 시 팽창밸브(40)의 개도 변화특성을 보여준다.
도 6(a) 내지 도 6(d)는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서 챔버(10)의 설정온도를 4℃에서 0℃로 변화시켰을 때 챔버(10) 내의 온도와 과열도의 비간섭 제어응답특성을 보여준다. 챔버(10) 내의 열부하는 1.45kW이고 과열도 설정치는 6℃이다.
도 6(a)는 챔버(10)의 설정온도를 0℃로 감소시켰을 때 챔버(10) 내의 온도의 비간섭 제어 응답특성을 보여주는데 챔버(10) 내의 온도가 설정치인 0℃로 수렴하기까지는 약 400[sec]의 시간이 걸린다는 것을 알 수 있다.
도 6(b)는 이때의 압축기 주파수 변화특성을 보여주는데 인버터 주파수 지령도 매우 안정적임을 볼 수 있다.
도 6(c)는 챔버(10)의 설정온도 변화에 따른 비간섭 제어 시 과열도 제어 응답특성을 보여준다. 챔버(10)의 설정온도가 변하면서 압축기(20)의 회전수가 변할 때 회전수 변화량의 과열도에 미치는 영향을 미리 고려하여 과열도 제어에 반영하도록 과열도 제어기가 설계되었다. 제어 결과로부터 보면 과열도가 다시 설정치인 6℃까지 도달하는 과정에 오버슛이 15%이지만 최대 오버슛이 7℃를 초과하지 않고 언더슛은 5℃보다 높은데 이것들은 모두 허용 과열도 범위 내에 속하므로 제어기의 작동이 매우 양호함을 알 수 있다. 또한 정상상태에서는 매우 안정적인 과열도를 유지하고 있다.
도 6(d)는 챔버(10)의 설정온도 변화에 따른 비간섭 제어 시 과열도 제어를 위한 팽창밸브(40)의 개도 변화특성을 보여준다.
도 5 및 도 6의 결과를 비교해 보면 비간섭 제어칙을 이용한 것은 단순한 PI 제어기를 이용한 데 비해 그 제어 효과가 매우 양호함을 알 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 비간섭 제어는 단순 PI 제어에 비해 과도 시간이 단축될 뿐만 아니라 정상상태도 더욱 안정됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래의 냉동·공조시스템의 상호 간섭관계를 나타낸 블럭 다이어그램,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치의 블록 다이어그램,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치의 구성도,
도 4는 용량 제어만 하고 과열도 제어는 하지 않았을 때 챔버 내의 온도와 과열도 제어의 응답특성 그래프,
도 5는 챔버의 설정온도를 4℃에서 0℃로 변화시켰을 때 챔버 내의 온도와 과열도의 PI 제어 응답특성 그래프, 그리고
도 6은 챔버의 설정온도를 4℃에서 0℃로 변화시켰을 때 챔버 내의 온도와 과열도의 비간섭 제어 응답특성 그래프를 각각 나타낸 것이다.
*도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명*
10. 챔버 20. 압축기
30. 응축기 40. 팽창밸브
50. 증발기 60. 배관
100. 온도 검출부 100a. 제1 온도 센서
100b. 제2 온도 센서 100c. 제3 온도 센서
110. 온도 제어부(인버터)
200. 과열도 제어부(스텝모터 제어 인터페이스)
300. PLC 제어부 310. CPU
320. A/D 유닛 330. TC 유닛
340. PID 유닛 350. D/A 유닛

Claims (7)

  1. 외부로부터의 제어 신호에 의해서 냉매의 토출 용량이 가변하는 압축기, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 응축기, 상기 응축기로부터 유입측으로 유입되는 냉매의 압력 및 온도에 따라 변화하는 스텝모터의 회전수에 의해 개도(開度)가 가변하는 팽창밸브, 그리고 상기 팽창밸브에 의해 팽창되어 출구측으로 유출된 냉매를 증발시키는 증발기를 갖는 냉동사이클 및 상기 냉동사이클을 수용하는 챔버를 포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치에 있어서,
    상기 챔버 내의 온도와 상기 팽창밸브의 유입측 및 출구측의 냉매의 온도를 각각 검출하는 온도 검출부,
    상기 온도 검출부에 의해서 검출된 각각의 온도를 관계식(1)로 나타내는 전달함수(G1_Ta)에 따라서 상기 압축기의 회전수를 제어하는 온도 제어부,
    상기 증발기의 입구측 및 출구측으로 유출입되는 냉매로부터 과열도를 검출하고, 검출된 과열도를 관계식(2)로 나타내는 전달함수(G1_SH)에 따라서 상기 팽창밸브의 개도를 제어하는 과열도 제어부, 그리고
    상기 과열도 제어부에 의한 상기 팽창밸브의 개도 변화량에 따른 상기 증발기의 과열도 변화량을 관계식(3)으로 나타내는 전달함수(G2_SH)에 따라서 산정된 보상값으로 피드포워드(Feed-Forward)적으로 상기 압축기의 회전수의 설정을 변경하는 PLC 제어수단을
    포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
    Figure 112009044530830-pat00010
    (1)
    Figure 112009044530830-pat00011
    (2)
    Figure 112009044530830-pat00012
    (3)
    {식 중, G1_Ta는 압축기의 회전수 변화량에 따른 챔버 내의 온도 변화량 전달함수, △ｆ는 압축기의 회전수 변화량, △T a 는 챔버 내의 온도 변화량, G1_SH는 압축기의 회전수 변화량에 따른 증발기의 과열도 변화량 전달함수, △VO 는 팽창밸브의 개도 변화량, △SH 는 증발기의 과열도 변화량, G2_SH는 팽창밸브의 개도 변화량에 따른 증발기의 과열도 변화량 전달함수를 각각 나타내며, 이들 식은 각각 첨부된 도면 도 2의 블록 다이어그램 상에서 의미를 갖는 전달함수들이다}
  2. 제1항에서,
    상기 온도 검출부는,
    상기 챔버 내 일측에 설치된 제1 온도 센서,
    상기 증발기의 2상 영역에 설치된 제2 온도 센서, 그리고
    상기 증발기의 출구측에 설치된 제3 온도 센서를
    포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 온도 제어부는,
    상기 온도 검출부에 의해 검출된 상기 챔버 내의 온도가 제1 설정치보다 높으면 상기 챔버 내의 온도가 상기 제1 설정치가 되도록 상기 압축기의 회전수를 상승시키고, 상기 온도가 제1 설정치보다 낮으면 상기 챔버 내의 온도가 상기 제1 설정치가 되도록 상기 압축기의 회전수를 하강시키도록 제어하는 인버터를 포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 과열도 제어부는,
    상기 증발기에 설치된 제2 및 제3 온도 센서에 의해 측정된 양 온도의 온도차이로 정의하는 상기 증발기의 과열도를 검출하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 과열도 제어부는,
    상기 과열도가 제2 설정치보다 크다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치가 되도록 상기 팽창밸브의 개도를 열어주고, 상기 과열도가 제2 설정치보다 작다고 판정되었을 경우에는 과열도가 제2 설정치가 되도록 상기 팽창밸브의 개도를 닫아주도록 제어하는 스텝모터 제어 인터페이스를 포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 PLC 제어부는,
    CPU,
    상기 온도 검출부에 의해 측정되어 전송되는 아날로그 신호가 실시간으로 입력되는 TC 유닛,
    상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 유닛,
    상기 디지털 신호를 입력받아 PI 제어 로직으로 연산하는 PID 유닛, 그리고
    상기 PID 유닛에 의해 연산된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 온도 제어부와 상기 과열도 제어부의 제어 입력 신호로 출력하는 D/A 유닛을
    포함하는 가변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 제어 입력 신호는,
    상기 온도 제어부에 입력되어 상기 압축기 회전수를 제어하는 주파수 지령 신호이며,
    상기 온도 제어부의 주파수 지령에 의해 상기 압축기 회전수가 제어되는 가 변속 냉동시스템의 과열도 및 용량 제어 장치.
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