[논문]핫가스 바이패스 및 압축기 가변속 제어에 의한 공작기계용 수냉각기의 성능 비교

정석권; 이단비; 윤정인

doi:10.6110/kjacr.2012.24.1.001

핫가스 바이패스 및 압축기 가변속 제어에 의한 공작기계용 수냉각기의 성능 비교
Comparison of System Performances of Hot-gas Bypass and Compressor Variable Speed Control of Water Coolers for Machine Tools 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.1, 2012년, pp.1 - 8

정석권 (부경대학교 냉동공조공학과) , 이단비 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the needs of system performances such as working speed and processing accuracy in machine tools have been increased. Especially, the speed increment generates harmful heat at both moving part of the machine tools and handicrafts. The heat is a main drawback to progress accuracy of the processing. Hence, a cooler system to control temperature is inevitable for the machine tools. In general, two representative control schemes, hot-gas bypass and variable speed control of a compressor, have been adopted in the water cooler system. In this paper, comparisons of system performances according to the control schemes in a cooler for machine tools were conducted in detail. Each proportional-integral feedback controller for the two different control systems is designed. The system performances, especially the temperature control accuracy and coefficient of performance which is a criterion of energy saving, were mainly analyzed through various experiments using 1RT water cooler system with different two types of control scheme. These evaluations will provide useful information to choose suitable water cooler system for the engineers who design controllers of the cooler system for machine tools.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Table 1은 실험장치의 사양을, Table 2는 실험조건을 각각 나타낸다. 냉각기의 출구 온도 지령값은 공작기계의 특성을 고려해 25℃로 설정하였고, 이 값을 일정하게 유지하는 것을 제어 목표로 정하였다. 또한, 과열도의 목표값은 Fig.
따라서 본 논문에서는 이 두 방식에 동일한 제어 로직을 적용하여 온도 제어 정도와 에너지 절약 성능 비교에 초점을 맞추어 이들을 종합적으로 검토하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 HB 방식과 CVS 방식의 1 RT급 수냉각기를 2대 제작하고, 현장의 엔지니어들이 가장 널리 사용하고 있는 PI(Proportional, Integral) 제어기를 설계하여 온도 제어 정도와 에너지 사용 효율의 측도인 COP(Coefficient Of Performance)를 중점적으로 비교 분석하였다.
PI 제어기는 제어변수인 냉각기의 출구 온도와 과열도가 적절한 과도특성 및 정상특성을 갖도록 설계한다. 본 논문에서는 MATLAB의 게인 튜닝 기능을 이용해 PI 게인들을 설정하였다.
본 논문에서는 냉각기의 대표적인 제어방식인 HB 방식과 CVS 방식에 대해 제어 성능과 에너지 절약 성능을 비교 분석하였다. 먼저, 제어시스템 구성, 가격 등을 단순 비교하면, 2변수 시스템인 CVS 방식이 단일 변수인 HB 방식 보다 제어가 어렵고 장치가 고가로 된다.

제안 방법

PI 제어기는 제어변수인 냉각기의 출구 온도와 과열도가 적절한 과도특성 및 정상특성을 갖도록 설계한다. 본 논문에서는 MATLAB의 게인 튜닝 기능을 이용해 PI 게인들을 설정하였다.
이 전달함수를 기반으로 각 제어 방식의 제어기 C의 PI 게인들을 구하였다. 게인 설정시에는 MATLAB의 게인 튜닝 기능을 이용하여 각 제어변수의 인디셜응답이 오브슈트 10% 이내가 되도록 하는 게인들을 구하였다.
이 게인 값들을 이용하여 두 제어 방식의 정특성과 동특성을 구하였다. 동특성 실험에서는 기동 특성과 부하 변동 특성 파악에 초점을 맞추어 실험하였다.
이를 위해 본 연구에서는 HB 방식과 CVS 방식의 1 RT급 수냉각기를 2대 제작하고, 현장의 엔지니어들이 가장 널리 사용하고 있는 PI(Proportional, Integral) 제어기를 설계하여 온도 제어 정도와 에너지 사용 효율의 측도인 COP(Coefficient Of Performance)를 중점적으로 비교 분석하였다. 실험에서는 공작기계를 대신한 열 부하로써 전기히터를 사용하였고, 정특성 및 다양한 동특성 실험을 통해 두 제어 방식의 성능을 고찰하였다.
실험에서는 우선 HB 방식 및 CVS 방식의 동특성 모델을 얻기 위해 스텝응답을 통한 전달함수 G를 구하였다. 이 전달함수를 기반으로 각 제어 방식의 제어기 C의 PI 게인들을 구하였다.
7이었다. 이 게인 값들을 이용하여 두 제어 방식의 정특성과 동특성을 구하였다. 동특성 실험에서는 기동 특성과 부하 변동 특성 파악에 초점을 맞추어 실험하였다.
실험에서는 우선 HB 방식 및 CVS 방식의 동특성 모델을 얻기 위해 스텝응답을 통한 전달함수 G를 구하였다. 이 전달함수를 기반으로 각 제어 방식의 제어기 C의 PI 게인들을 구하였다. 게인 설정시에는 MATLAB의 게인 튜닝 기능을 이용하여 각 제어변수의 인디셜응답이 오브슈트 10% 이내가 되도록 하는 게인들을 구하였다.
특히 요구되는 온도 제어 정도와 소비전력 및 수명 간에는 상충 문제가 발생하므로 고성능 제어법으로는 부적절하였다. 이러한 단점을 해결하기 위한 방안으로 핫가스 바이패스(Hotgas Bypass; HB) 방식과 압축기 가변속(Compressor Variable Speed; CVS) 제어 방식이 도입되었다.^(4-8)
따라서 본 논문에서는 이 두 방식에 동일한 제어 로직을 적용하여 온도 제어 정도와 에너지 절약 성능 비교에 초점을 맞추어 이들을 종합적으로 검토하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 HB 방식과 CVS 방식의 1 RT급 수냉각기를 2대 제작하고, 현장의 엔지니어들이 가장 널리 사용하고 있는 PI(Proportional, Integral) 제어기를 설계하여 온도 제어 정도와 에너지 사용 효율의 측도인 COP(Coefficient Of Performance)를 중점적으로 비교 분석하였다. 실험에서는 공작기계를 대신한 열 부하로써 전기히터를 사용하였고, 정특성 및 다양한 동특성 실험을 통해 두 제어 방식의 성능을 고찰하였다.
3은 각 실험장치의 개략도이다. 제어장치로는 제어 로직 연산 및 필요한 데이터 수집을 위해 LabVIEW 시스템, EEV를 제어하기 위해 스텝 모터 드라이버, 압축기 회전수를 제어하기 위해 V/f = 일정 타입의 인버터를 각각 사용하였다. 공작기계를 대신한 열 부하용으로는 전기히터(3kW×2)를 사용하였고, 온도센서로는 열전대(thermocouple)를 각각 사용하였다.

대상 데이터

공작기계를 대신한 열 부하용으로는 전기히터(3kW×2)를 사용하였고, 온도센서로는 열전대(thermocouple)를 각각 사용하였다.

성능/효과

Fig. 6(b)로부터 80Hz 부하 대비 40Hz에 상당하는 부분 부하시에는 효율이 약 49% 정도 상승함을 알 수 있다.
그러나 인버터와 같은 전력변환장치는 초기 설치 비용에 불과하며 그 가격도 파워일렉트로닉스 기술 발전에 힘입어 점차 저가 추세에 있으므로 에너지 절약 효과로 초기에 충분히 상쇄될 수 있다. 두 번째로 두 시스템의 COP를 분석해 보면 CVS 방식이 HB 방식보다 부분 부하시 높게 나타났다. 그 이유는 HB 방식이 압축기를 정속으로 운전하기 때문에 에너지 절약이 근본적으로 어려운 반면에 CVS 방식은 부하에 따라 압축기의 회전수를 가변속 제어하므로 에너지 절약이 가능하기 때문이다.
그 이유는 HB 방식이 압축기를 정속으로 운전하기 때문에 에너지 절약이 근본적으로 어려운 반면에 CVS 방식은 부하에 따라 압축기의 회전수를 가변속 제어하므로 에너지 절약이 가능하기 때문이다. 마지막으로 제어 성능으로는 두 시스템 모두 거의 비슷한 결과인 ±0.1℃ 이내의 정밀한 제어 정도를 보였다. 따라서 적용 대상의 공작물이 부하 변동이 빈번하여 부분 부하 운전이 필요할 경우에는 CVS 방식이 더욱 적절함을 알 수 있다.
이 전달함수를 바탕으로 MATLAB 시뮬레이션을 통해 구한 각 시스템의 PI 게인은 HB 방식의 경우, K_p = 49.5, K_i = 14.7, CVS 방식의 압축기 회전수 제어용은 K_p = 19.2, K_i = 4.7, EEV 개도 제어용은 K_p = 1, K_i = 0.7이었다. 이 게인 값들을 이용하여 두 제어 방식의 정특성과 동특성을 구하였다.
응답은 선형 시스템인 1차 지연요소의 동일한 패턴이 얻어졌다. 이로써 제어대상이 열 평형점 부근에서 선형 근사화가 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공작기계의 고속화가 야기하는 문제점은?	최근 공작기계 분야에서는 고속화, 고정밀화가 한층 요구되고 있다. 공작기계의 고속화는 공작기계의 스핀들 회전 속도와 공작물의 이송 속도를 동시에 증가시키므로 기계 부품과 재료 사이의 급격한 마찰을 유발하여 공작물 가공 부위에 유해한 열 발생을 초래하게 된다. 이는 공작물 재료의 열 변형을 증대시켜 가공 정밀도를 저하시키는 주된 원인으로 작용한다. 따라서 공작기계에서는 공작물의 가공 정밀도 향상을 위해 열 부하를 신속히 제거하기 위한 냉각기가 필수적이다.
	초기의 냉각기 온도 제어 방법인 압축기의 전원을 on-off로 단속하는 제어방식의 단점을 해결하기 위해 도입된 방식은?	특히 요구되는 온도 제어 정도와 소비전력 및 수명 간에는 상충 문제가 발생하므로 고성능 제어법으로는 부적절하였다. 이러한 단점을 해결하기 위한 방안으로 핫가스 바이패스(Hotgas Bypass; HB) 방식과 압축기 가변속(Compressor Variable Speed; CVS) 제어 방식이 도입되었다.(4-8)
	공작기계에 냉각기가 필수적인 이유는?	이는 공작물 재료의 열 변형을 증대시켜 가공 정밀도를 저하시키는 주된 원인으로 작용한다. 따라서 공작기계에서는 공작물의 가공 정밀도 향상을 위해 열 부하를 신속히 제거하기 위한 냉각기가 필수적이다. 냉각기는 기본 냉동사이클로 구성되며, 냉각기의 출구 온도를 일정하게 유지하기 위해 다양한 제어 방식들이 적용되고 있다.

참고문헌 (14)

Lee, S. W., Yeom, H. K., and Park, K. J., 2009, Performance of Hot Gas Bypass Type Oil Cooler System, Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 26, No. 3, pp. 73-80.
Lee, S. W., Yeom, H. K., and Lee, H. K., 2011, Improvement of Temperature Accuracy in Oil Cooler Systems with Gas Bypass, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 12, No. 1, pp. 39-45.

원문보기 상세보기
Yaqub, M., Zubair, S. M., and Khan, J.-ur-R., 2000, Performance Evaluation of Hot-gas Bypass Capacity Control Scheme for Refrigeration and Air-conditioning Systems, Energy, Vol. 25, pp. 543-561.

상세보기
Jung, Y. M., Byun, J. Y., Yoon, J. I., and Jeong, S. K., 2009, A Study on High Precision Temperature Control of an Oil Cooler for Machine Tools Using Hot-gas Bypass Method, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 33, No. 7, pp. 1003-1011.

원문보기 상세보기
Byun, J. Y. and Jeong, S. K., 2010, Design of PI and Feedforward Controller for Precise Temperature Control of Oil Cooler System, Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 14, No. 6, pp. 89-95.
Jeong, S. K., Byun, J. Y., Kim, S. H., and Yoon, J. I., 2011, Precise Temperature Control of Oil Coolers with Hot-gas Bypass Manner for Machine Tools Based on PI and Feedforward Control, SAREK, Vol. 23, No. 2, pp. 111-119.
Beak, S. M., Choi, J. H., Byun, J. Y., Moon, C. G., Lee, H. S., Jeong, S. K., and Yoon, J. I., 2009, Characteristics of Temperature Control by Hot-gas Bypass Flow Rate on Industrial Water Cooler, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 33, No. 8, pp. 1129-1136.

원문보기 상세보기
Beak, S. M., Moon, C. G., Kim, H. W., Jeong, S. K., and Yoon, J. I., 2010, Characteristics of Capacity Control of Variable Speed Water Cooler with the Electronic Expansion Valve Open/ Close Degree, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 34, No. 2, pp. 282-288.

원문보기 상세보기
Beak, S. M., Moon, C. G., Kim, E. P., Jeong, S. K., and Yoon, J. I., 2011, The Characteristic Study of Capacity Control of an Industrial Cooler Using an Inverter Compressor with Varing the Ambient Temperatures, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 2, pp. 238-243.

원문보기 상세보기
Beak, S. M., Moon, C. G., Kim, E. P., Jeong, S. K., and Yoon, J. I., 2011, Characteristics of On-off Control and Hot-Gas Bypass Control in an Industrial cooler, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 4, pp. 429-435.

원문보기 상세보기
Beak, S. M., Choi, J. H., Byun, J. Y., Moon, C. G., Jeong, S. K., and Yoon, J. I., 2010, Characteristics of Precise Temperature Control of Industrial Cooler on Thermal Load, Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 14, No. 2, pp. 34-39.
Beak, S. M., Moon, C. G., Yoon, J. I., Jeong, S. K., and Kim, E. P., 2011, The characteristics of capacity control using a variable speed compressor in an industrial cooler, Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 37-41.
Li, H., You, S. S., Yoon, J. I., and Jeong, S. K., 2008, An Empirical Model for Independent Control of Variable Speed Refrigeration System, Applied Thermal Engineering, Vol. 28, pp. 1918-1924.

상세보기
Li, H., You, S. S., and Jeong, S. K., 2009, Feedforward Control of Capacity and Superheat for a Variable Speed Refrigeration System, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, pp. 1067-1074.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증