터보 냉동기의 용량 제어를 위한 PI제어기 설계

Abstract

본 논문에서는 터보 냉동기의 고효율 용량제어를 위한 PI제어기 설계법을 제안한다. 터보 냉동기의 제어 목적은 냉수 출구온도를 일정하게 유지함과 동시에 최대 효율로 운전함에 있다. 일반적으로 냉수 출구온도를 제어하기 위해서는 압축기의 회전속도와 전자팽창밸브의 개도량 조절을 통해 냉동기의 전체 용량을 제어할 필요가 있다. 그리고 출구온도 제어와 동시에 냉동기의 효율도 고려, 최대 COP 동작점에서 운전되도록 제어가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 정밀 온도 제어와 최대 효율 운전을 동시에 만족하기 위하여 현장에서 적용이 용이한 PI 제어법을 사용하였다. 압축기의 용량과 전자팽창밸브 개도량 제어를 위한 PI 제어기를 설계하기 위해 제어대상에 대한 동특성 모델링을 행하였다. 520RT급 터보냉동기를 대상으로 압축기 회전수 및 전자팽창밸브 개도 변화에 대한 냉수 출구온도 및 과열도에 관한 정특성 실험을 진행하였고, 실험 결과를 통해 두 조작변수와 제어변수 간의 각각의 전달함수를 구하였다. 구해진 전달함수에 기초하여 소정의 설계사양을 만족하는 PI 제어기의 게인 값을 Matlab 프로그램을 이용하여 설계하였다. 또한 본 논문에서는 최대 효율 운전을 위한 전자팽창밸브의 제어 설정값인 과열도를 냉수 출구온도와 포화증발온도의 차인 △T 값으로 구하였다. 최적의 △T 설정값은 정특성 실험을 통해 구하였다. 실제 제어기 성능 실험을 통해 설계한 제어기의 타당성을 검증하였다. 마지막으로 일반 산업용 냉동기의 제어법으로 널리 사용되고 있는 증발압력 제어법과의 제어 성능 실험 결과 비교를 통해 제안한 제어법의 장․단점을 분석, 고찰하였다. 제어 성능 비교에서는 정상상태와 과도상태에서의 운전 특성을 상호 비교하였고 그 결과를 토대로 최적의 터보 냉동기 제어 방법을 제시하였다.

In this paper, I propose a design method of the PI controller for high efficiency capacity control of the centrifugal chiller. Control purposes of the centrifugal chiller, can be while maintaining a constant chilled water outlet temperature, to operate at maximum efficiency. In order to control the chilled water outlet temperature generally, it is necessary to control the capacity of the chiller through the adjustment of the electronic expansion valve and the speed of the compressor. And the control should be operated at the point of maximum COP. In this paper, applied with an easy PI control method in the field to simultaneously satisfy the maximum efficiency operation and high-precision temperature control. In order to design a PI controller for control of the electronic expansion valve and the capacity of the compressor, it was modeling the dynamic characteristics. And it was tested the static characteristic for changes of the electronic expansion valve's opening and the speed of the compressor, it was determined the transfer function of the control variable between the manipulated variable from the experimental results. Gain value of the PI controller is designed by using the MATLAB program based on the transfer function. In addition, in this paper, I was looking for the △T, control settings of the electronic expansion valve. △T is a difference between the saturated evaporating temperature and the chilled water outlet temperature. Finally, analyzed the evaporating pressure control method and proposed control method by comparing experimental results. The comparison of the control performance, the inter-comparison of the operating characteristics in the transient state and steady state, has been presented a control method of the centrifugal chiller optimal based on the result.