대용량 비례 유량제어밸브 동특성 분석 (Dynamic Characteristics of Proportional Flow Control Valve with Large Capacity)

서지정보

· 발행기관 : 사단법인 유공압건설기계학회
· 수록지 정보 : 드라이브·컨트롤 / 7권 / 1호 / 20 ~ 27페이지
· 저자명 : 정규홍

초록

비례제어밸브는 코일에 흐르는 전류에 비례하여 발생되는 전자기력(electromagnetic force)을 이용해서 밸브를 작동시키는 구조를 갖으며, 고압 대용량의 공정유체를 제어하는 경우에는 압력과 유체 흐름에 의하여 밸브에 작용하는 외력을 보상할 수 있는 큰 구동력의 증폭을 위하여 파일럿 밸브를 이용하는 2단 밸브 형태로 설계된다.
대용량 비례유량제어밸브는 솔레노이드가 밸브에 내장되므로 공압작동밸브(air-operated valve)나 모터작동밸브(motor-operated valve)와 달리 파일럿 밸브를 작동시키기 위하여 외부와 연결되는 액추에이터가 없어 패킹이 필요 없는 밀봉된 설계와 구동부의 소형화가 가능하다는 구조적인 특징 외에 동적 작동성능이 우수하고 사용시간에 따른 성능저하가 상대적으로 작으므로 유지보수비용이 절감되는 장점으로 인하여 화력 및 원자력발전소, 정유공장에서의 긴급급수밸브 등과 같이 위급한 상황에서 작동되어야 하는 분야에 점차 적용이 확대되고 있다. 특히 비례제어밸브 제어기(positioner)는 파일럿 밸브 변위를 선형변위계로 측정하여 피드백하는 폐루프 제어시스템을 통하여 밸브의 빠른 응답성과 히스테리시스(hysteresis)가 거의 없는 정밀한 위치제어가 가능할 뿐만 아니라 마이크로 컨트롤러를 이용한 디지털 방식의 전자제어를 활용해서 전원, 센서, 솔레노이드 코일 등의 단선과 단락 등을 검출하는 자기진단기능과 디지털 통신을 이용한 원격제어 및 모니터링 기능이 구현된 스마트밸브로 개발되고 있다.
2단 비례유량제어밸브는 유체가 흐르는 유로단면적을 조절하는 기능의 메인 밸브와 메인 밸브변위를 조절하는 기능의 파일럿 밸브로 구성된다. 파일럿 밸브는 솔레노이드에서 발생되는 전자기력으로 변위가 제어되고 메인 밸브는 파일럿 밸브에 대한 상대변위에 따라 자체적으로 조절되는 제어체임버 압력에 의하여 파일럿 밸브를 추종하는 자력제어시스템(self- controlled system)의 구조를 갖는다. 따라서 메인 밸브의 응답성과 안정성은 자력제어시스템의 기계적 설계인자에 의하여 결정된다.
본 논문에서는 연구대상 대용량 비례유량제어밸브의 구조와 작동원리를 파악하였으며, 정상상태 작동특성에 대하여 수행된 연구결과를 바탕으로 자력제어시스템의 동특성을 고찰하였다. 동적해석은 비선형 수학적모델을 선형화해서 유도된 전달함수를 이용하였고 설계인자 변화에 대한 극점(pole)의 변화로부터 응답성능과 안정성을 해석하였으며 선형해석 결과는 비선형 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

영어초록

Electromagnetic control valves have been used for almost 20 years. As the solenoid modulating technology advances, its applications are extending to various industrial fields such as nuclear and fossil fuel power plants, chemical plants and refineries. Proportional solenoid valve for large flow control is designed with two-stage configuration to meet the required actuating force on the main disc and its position is stabilized by the self-controlled system. In this research, main disc dynamics is analyzed with linearized system model which is derived from the mathematical equations describing its nonlinear behavior. Major design parameters of the valve control system that affect the response and stability are also studied with root locus method. The linear dynamic analysis results are verified with simulations in time-domain.

참고자료

· 없음