[논문]PID 제어를 이용한 멀티형 열펌프의 용량조절

정대성; 김민성; 김민수; 이원용

문제 정의

본 연구는 한국과학재단(과제번호 96-0200-12 -01-3) 및 과학기술부(과제번호 1-03-079)의 지원으로 수행되었으며, 서울대학교 정밀기계설계 공동연구소 및 본 논문의 편집에 도움을 준 김주혁 군에게 감사하는 바이다.
본 연구에서는 실내기가 2개인 멀티형 열펌프시스템을 대상으로 외부조건들이 변화할 때의 냉난방 특성과 제어성능을 실험적으로 고찰하였다. PID 제어상수는 냉난방 운전 조건에서 그 부호가 바뀌었으며, 크기는 2차유체 입출구 조건에관계없이 비슷한 값을 보였다.
본 연구에서는 실내기가 2개인 열펌프 시스템을 대상으로 자동제어에 의해 냉난방 용량을 조절하면서 동특성을 분석하였다. 열펌프의 실내기 2차유체 출구온도는 팽창 밸브의 개도에 따라 변하는 공급 냉매의 유량으로 제어하였으며, 각각의 실내기에 공급되는 냉매의 유량에 연동하여 압축기에서 내보내는 냉매의 유량을 변화시킬 수 있도록 가변속, 개방형 압축기의 회전수를 제어하였다.
즉, 팽창 밸브의 개도에 관계없이 증발기의 압력을 일정하게 유지하기 위해 압축기의 회전수를 제어하여, 팽창밸브 개도 변화에 따른 냉매의 유량 변화에 신속하게 대처할 수 있도록 하였으며, 각 실내기 간의 간섭 효과를 최소화하도록 하였다. 이는 열관성으로 인해 천천히 변화하는 온도에 비해 신속하게 반응하는 압력 변화를 이용하여 열펌프를 제어하고자 함이다.

제안 방법

스테핑 모터로의 출력을보다 크게 하기 위해 유니폴라(unipolar)구동보다는 L297, L298N칩을 사용한 바이폴라(bipolar)구동을 사용하였으며, 펄스는 디지털 입출력 보드에 내장되어 있는 8253칩과 1 MHz 발진기를 이용하였다. 20 Hz의 펄스(50 ms)를 스테핑 모터 구동용 회로에 인가하여 원하는 시간동안 프로그램에서 지속시간(time duration)을 주면 원하는 펄스 개수가 출력되어 스테핑 모터의 회전각을 제어하는 방법을 사용하였다.
실험 장치에 사용된 압축기는 배제체적의 변화가 가능한 왕복동식 개방형으로서, 가변속 모터를 사용하여 구동하였다. 가변속 모터를 PC로 제어하기 위해, PC에서 출력되는 신호를 디지털-아날로그 (digital-analog) 변환기를 이용하여 직류전압으로 변환하고, 모터 구동에 적합한 전압으로 상승시키기 위해 증폭기를 사용하였다. 가변속 모터는 0~1750 rpm, 5마력 정격출력이며, 입력전압은 0~10 V이다.
2와 같이 구성하였다. 각 실의 온도 (2차유체 출구온도로 표시함)는 각각의 실내기에연결된 팽창밸브를 이용하여 제어하였으며, 실내기 제어에 따른 영향을 보상해 주기 위하여 별도로 압축기를 제어하였고, 부하에 따라 정해진 값으로 열펌프의 증발기 압력을 일정하게 유지하도록 하였다. 이와 같이 밸브 제어에 따른 영향을 압축기로 보상해 줄 경우 하나의 실내기 부하 변동에 따른 냉매 유량 변화 효과가 다른 실내기에 미치는 영향을 줄일 수 있으므로 주어진 부하 범위에서 실내기를 독립적인 시스템으로 운전할 수 있다.
내관으로는 냉매가 흐르도록 설계하였으며, 환상공간으로는 2차유체가 흐르도록 하였다. 각실내기의 냉매 유량은 질량유량계(Oval, D012S- SS-200)로 측정하였다.'
한편, 제어변수의 설정은 시스템 제어에 있어 대단히 중요한 것으로 부적절한 제어변수 값의 설정으로 인해 시스템의 제어가 불가능해질 수도 있다. 기존열펌프 제어에 많이 사용되는 제어변수로는 과열도가 많이 쓰이고 있으나, ⑺ 본 연구에서는 증발압력과 실내기 2차유체 출구온도를 제어변수로설정하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 압축기 의회 전수를 변화시켜 응답특성이 빠른 열교환기 내의 냉매압력을 제어함으로서 유량 변화를 보상할 수 있도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 독립적인 세 개의 제어회로를 구성하고 각각의 제어회로에 대한 변수들을 설정함으로써 멀티형 열펌프를 제어하였다.
가변 속 모터와 압축기 구동부 사이에는 유체 커플링을 사용하였는데, 입력신호와 압축기 회전 수간의 선형성이 보장되지 않아 압축에 소요된 순동력을계산하기는 어렵다. 따라서 압축에 소요된 일은 압축기 입출구에서 냉매의 엔탈피 차이로 계산하였다. 이때 압축기 및 커플링에서의 손실은 고려하지 않았다.
1에 나타내었다. 실험 장치에 사용된 압축기는 배제체적의 변화가 가능한 왕복동식 개방형으로서, 가변속 모터를 사용하여 구동하였다. 가변속 모터를 PC로 제어하기 위해, PC에서 출력되는 신호를 디지털-아날로그 (digital-analog) 변환기를 이용하여 직류전압으로 변환하고, 모터 구동에 적합한 전압으로 상승시키기 위해 증폭기를 사용하였다.
최종적인 제어대상은 실내기의 2차유체 출구 온도이므로 압축기의 제어를 위한 변수로서 증발기 압력을 선택할 때 보다 더욱 직접적인 값을 제어변수로 삼는 경우이다. 압축기의 회전수를 변화시키기 위한 제어변수로서 2개의 실내기에 대한 2차유체 온도 설정값의 평균을 택하고, 각각의 2차유체 출구온도를 제어하였다. 여기서 제어 상수들은 압축기에 인가되는 단위 입력의 전압에 대한 2차유체 온도변화의 평균값으로써 결정하였고, 이를 토대로 한 제어수행 결과가 Fig.
동특성을 분석하였다. 열펌프의 실내기 2차유체 출구온도는 팽창 밸브의 개도에 따라 변하는 공급 냉매의 유량으로 제어하였으며, 각각의 실내기에 공급되는 냉매의 유량에 연동하여 압축기에서 내보내는 냉매의 유량을 변화시킬 수 있도록 가변속, 개방형 압축기의 회전수를 제어하였다. 압축기 제어를 위한 입력변수로서 2차 유체의 온도보다는 응답이 빠른 열교환기 내의 압력을 이용하였으며, 제어방법은 비례-적분-미분 (PID)제어를 사용하였다.
하나의 열펌프에 실내기가 복수개로 연결되어 있으므로 한 실내기의 부하 변화에 따른 냉매의 유량 변화가 다른 실내기에 공급되는 냉매의 유량에 영향을 미칠 수 있다.이러한 문제점을 해결하기 위하여 압축기 의회 전수를 변화시켜 응답특성이 빠른 열교환기 내의 냉매압력을 제어함으로서 유량 변화를 보상할 수 있도록 하였다. 따라서 본 연구에서는 독립적인 세 개의 제어회로를 구성하고 각각의 제어회로에 대한 변수들을 설정함으로써 멀티형 열펌프를 제어하였다.
PID 제어상수는 냉난방 운전 조건에서 그 부호가 바뀌었으며, 크기는 2차유체 입출구 조건에관계없이 비슷한 값을 보였다. 이로부터 시스템의 운전상태 변화에 따라 제어상수를 조절하면서응답특성을 개선하였다.
이와 같이 밸브 제어에 따른 영향을 압축기로 보상해 줄 경우 하나의 실내기 부하 변동에 따른 냉매 유량 변화 효과가 다른 실내기에 미치는 영향을 줄일 수 있으므로 주어진 부하 범위에서 실내기를 독립적인 시스템으로 운전할 수 있다. 즉, 팽창 밸브의 개도에 관계없이 증발기의 압력을 일정하게 유지하기 위해 압축기의 회전수를 제어하여, 팽창밸브 개도 변화에 따른 냉매의 유량 변화에 신속하게 대처할 수 있도록 하였으며, 각 실내기 간의 간섭 효과를 최소화하도록 하였다. 이는 열관성으로 인해 천천히 변화하는 온도에 비해 신속하게 반응하는 압력 변화를 이용하여 열펌프를 제어하고자 함이다.

대상 데이터

자동으로 제어가 가능하도록 하기 위해서 컴퓨터를 이용한 구동이 가능하도록 하였고, 이를 위해 스테핑 모터(stepping motor)를 사용하였다. 스테핑 모터로의 출력을보다 크게 하기 위해 유니폴라(unipolar)구동보다는 L297, L298N칩을 사용한 바이폴라(bipolar)구동을 사용하였으며, 펄스는 디지털 입출력 보드에 내장되어 있는 8253칩과 1 MHz 발진기를 이용하였다. 20 Hz의 펄스(50 ms)를 스테핑 모터 구동용 회로에 인가하여 원하는 시간동안 프로그램에서 지속시간(time duration)을 주면 원하는 펄스 개수가 출력되어 스테핑 모터의 회전각을 제어하는 방법을 사용하였다.
실내기가 2개인 멀티형 열펌프 시스템의 제어회로를 Fig. 2와 같이 구성하였다. 각 실의 온도 (2차유체 출구온도로 표시함)는 각각의 실내기에연결된 팽창밸브를 이용하여 제어하였으며, 실내기 제어에 따른 영향을 보상해 주기 위하여 별도로 압축기를 제어하였고, 부하에 따라 정해진 값으로 열펌프의 증발기 압력을 일정하게 유지하도록 하였다.
에어컨 및 열펌프에 대한 기준 시험 조건으로서 본 연구에서는 Table 1에 표시된 KS조건을 이용하였으며, ⑸ 냉매는 R22를 사용하였다. 실내기가 1개일 경우의 제어실험에서는 설정온도의 변화폭을 ±0.
팽창장치로서는 실험조건 변화에 따라서 유량및 압력의 제어가 용이한 미터링 밸브 (Hoke, 1315G4B)를 사용하였다. 자동으로 제어가 가능하도록 하기 위해서 컴퓨터를 이용한 구동이 가능하도록 하였고, 이를 위해 스테핑 모터(stepping motor)를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 PID 알고리즘을 이용하여 제어기를 구성하였다. PID 제어기는 적용이 간편하고안정성이 우수하여 공정 제어에서 전통적으로 많이 사용되는 방법으로, 공조기기나 열시스템 제어에도 많이 사용되고 있다.
PID 제어기는 적용이 간편하고안정성이 우수하여 공정 제어에서 전통적으로 많이 사용되는 방법으로, 공조기기나 열시스템 제어에도 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 속도형 PID 제어기가 사용되었으며, 기본적인 차분식의 형태를 식(1)에 나타내었다.
열펌프의 실내기 2차유체 출구온도는 팽창 밸브의 개도에 따라 변하는 공급 냉매의 유량으로 제어하였으며, 각각의 실내기에 공급되는 냉매의 유량에 연동하여 압축기에서 내보내는 냉매의 유량을 변화시킬 수 있도록 가변속, 개방형 압축기의 회전수를 제어하였다. 압축기 제어를 위한 입력변수로서 2차 유체의 온도보다는 응답이 빠른 열교환기 내의 압력을 이용하였으며, 제어방법은 비례-적분-미분 (PID)제어를 사용하였다. 하나의 열펌프에 실내기가 복수개로 연결되어 있으므로 한 실내기의 부하 변화에 따른 냉매의 유량 변화가 다른 실내기에 공급되는 냉매의 유량에 영향을 미칠 수 있다.
사용하였다. 자동으로 제어가 가능하도록 하기 위해서 컴퓨터를 이용한 구동이 가능하도록 하였고, 이를 위해 스테핑 모터(stepping motor)를 사용하였다. 스테핑 모터로의 출력을보다 크게 하기 위해 유니폴라(unipolar)구동보다는 L297, L298N칩을 사용한 바이폴라(bipolar)구동을 사용하였으며, 펄스는 디지털 입출력 보드에 내장되어 있는 8253칩과 1 MHz 발진기를 이용하였다.

성능/효과

그러나 압축기와 팽창밸브가 연동되어 제어되면 넓은 범위에서 냉매유량의 조절이 가능하여 부하에 관계없이 적절하게 실내온도를 유지시킬 수 있음을 알 수 있었다. 결국 압축기가 연계되어 총유량을 보상해 주는 경우 실내기가 여러 개인 경우에도 설정값을유지할 수 있음을 본 연구를 통해 확인하였다.
이와 같은 시스템에서 각 실내기를 상호 연계되지 않은 것으로 가정하고 보상제어 없이 운전할경우 제어 온도의 변화폭이 커지는 등 온도제어계가 불안정해 질 수 있다. 그러나 압축기와 팽창밸브가 연동되어 제어되면 넓은 범위에서 냉매유량의 조절이 가능하여 부하에 관계없이 적절하게 실내온도를 유지시킬 수 있음을 알 수 있었다. 결국 압축기가 연계되어 총유량을 보상해 주는 경우 실내기가 여러 개인 경우에도 설정값을유지할 수 있음을 본 연구를 통해 확인하였다.
멀티형 열펌프의 PID 제어를 위한 비례, 적분및 미분상수를 결정하는 방법으로는 Ziegler- Nichols PID 튜닝법을 사용하였는데, 이는 대상시스템에 대한 지배방정식이 알려져 있지 않거나, 지배방정식이 복잡하여 전달함수를 구하는것이 용이하지 않을 때 실험자료를 토대로 하여각 제어상수를 결정하는 방법이다⑹ 열펌프 시스템은 비선형 시스템으로서 이론적인 전달함수를구하기 어려우므로 설계점 근처에서 실험적으로동특성을 구하여 제어기의 계수를 설정하는 것이보다 효과적이다.
부하의 갑작스런 변동에 대하여 증발기 출구 압력은 증발기 출구온도에 비해 비교적 빠른 속도로 안정되었음을 알 수 있다. 이것을 통해볼 때, 증발기 출구압력을 제어변수로 택하였을 때 시스템의 안정성 및 웅답특성의 개선에 기여하는 이점이 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

즉, 시스템의 2차유체 출구 설정 온도를 유지하기 위해서는 제어변수들의 영향이 모두 고려되어, 최적의 성능을 나타낼 수 있는 방향으로 제어해야 함을 알 수 있다. 본 실험의 구성요소들은 상호 연계된 시스템이므로, 보다 향상된 온도제어를 위해서는 궁극적으로는 단일변수입출력(SISO, single input single output) 시스템보다는 다변수입출력(MIMO, multi input multi output) 시스템으로 해석해야 하며, 앞으로 이에 대한 연구가 더 필요하다.
이상의 실험에서 얻은 제어변수 결정과 제어상수조절에 대한 자료는 실내기의 개수를 더 증가시킨 멀티형 열펌프 시스템의 설계 및 운전을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것이다.

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