電子膨脹閥原理及作用解讀美的空調電子膨脹閥的作用 _空調

機組設計中電子膨脹閥的選擇1：
節流機構是制冷系統中最重要的部件之一，節流機構與系統其他主要部件的良好匹配是改善系統運行并適應系統負荷變化的基礎。
電子膨脹閥(EXV)作為節流元件在大型壓縮式制冷裝置(如風冷冷水機組、水冷冷水機組、屋頂式空調器等)中得到廣泛應用。精確控制、信號反饋是電子膨脹閥的優點。此外，使用電子膨脹閥的系統在停機后，可以通過適當的控制使機組高、低壓平衡，或完全關閉電子膨脹閥，起到截止閥的作用。
電子膨脹閥選型模型：
首先，需了解電子膨脹閥在系統中的位置和作用(見圖1) 。電子膨脹閥用于系統中，起到節流的作用。通過控制器感知到的相關信息，對系統進行精確控制。
對于給定的系統，選擇合適的電子膨脹閥可以用以下步驟：
1.對制冷劑在電子膨脹閥及系統內的流動，搭建適當的系統模型。

文章插圖
2.選擇運行圖上的點，作為計算對比點。例如額定點和系統運行邊界點。
3.根據系統模型計算出系統制冷劑流量以及飽和蒸發溫度，冷凝溫度和電子膨脹閥前后壓降等數據，用于電子膨脹閥的選型。
電子膨脹閥選型分析：
首先，需要知道電子膨脹閥的能力，也就是它的適用范圍。
由于多數電子膨脹閥都由步進裝置驅動。了解電子膨脹閥的運行步數與能力之間的關系至關重要。
本例中選用某型號電子膨脹閥為例。我們可以看到：電子膨脹閥都有一定的精確控制范圍，一般情況下，這個范圍從10%到100% 。如果超出了這個范圍，電子膨脹閥的控制將受到很大的影響，即不能精確控制。

文章插圖
圖2　電子膨脹閥用于不同制冷劑的能力差異
那么如何確定電子膨脹閥的能力呢？
首先需要確定該電子膨脹閥適用于什么制冷劑，對于不同的制冷劑，同一個電子膨脹閥表現出來的能力會有很大的差異。從上圖中，可以發現，對于同一個電子膨脹閥，使用R410A表現出來的能力最大；而對于R134a和R124等制冷劑系統，電子膨脹閥的能力將有很大的下降。
其次，需要了解那些因素影響電子膨脹閥的選擇。
1)電子膨脹閥進口的液體制冷劑溫度；
2)飽和蒸發溫度；
3)電子膨脹閥兩端的壓降；
4)靜態過熱度設定值；
5)過熱度的改變量。
知道了這些因素后，才能進入具體的計算。
再有，必須了解電子膨脹閥的壓力適用范圍，即MOP 。對于高壓制冷劑如R410A ， MOP是選擇電子膨脹閥時的障礙。只有滿足了基本MOP的要求，才能進入到備選行列。
3　理論和試驗驗證
理論驗證：通過理論計算并將結果反映在系統運行圖上。對于固定的制冷劑和制冷系統，選擇兩種型號的電子膨脹閥，進行理論計算。
在一定的冷凝，蒸發和液體溫度下，做出對比。
試驗驗證。通過適當的不同負荷的試驗，如變負荷動態加載試驗等，驗證電子膨脹閥的控制能力。這也是對理論計算的進一步確認。

文章插圖
圖3 對比不同型號電子膨脹閥在系統中的能力
4　控制
電子膨脹閥的動作，在很大程度上離不開精確的控制。
對于給定的控制系統，需要電子膨脹閥能夠給與很有效的匹配，也就是使電子膨脹閥成為控制系統的一部分。
驅動模塊需要一個X-XXmA或X-XXV的模擬信號輸入(如圖4和圖5) 。根據模擬輸入信號產生輸出信號使電子膨脹閥關閉/打開以控制液體或氣體制冷劑的流量。采用任何需要的控制器與通用驅動模塊配合就可以實現不同的功能。

文章插圖
設置適當的模擬輸入信號，使閥的開度在一定的范圍內得到精確控制。
電子膨脹閥 PID 控制算法在空調系統中的應用2
空調系統的能效比更加趨向于全年能效比，而不是單純的標準工況的COP ，在這種情況下，無論是定速空調，還是變頻空調，都需要選擇一個可以寬泛精準的流量調節元件，而電子膨脹閥是能夠適應以標準電信號傳遞信息的電子型控制元件，具有與裝置相適應的良好特性。電子膨脹閥可以根據預定的調節控制動作，進行空調系統的循環量調節，保證蒸發器始終在非常小的出口過熱度下穩定工作，大大改善制冷系統變負荷動態特性。就控制系統組成而言，主要有過熱度閉環反饋PID控制和排氣溫度閉環反饋PID控制。考慮到排氣溫度閉環反饋PID控制無法使用在多聯機的空調系統的缺陷，針對過熱度閉環反饋PID控制應用進行了最優控制器設計方法對其參數進行了設定，獲得了最優PID控制器，在不同空調產品上進行了測試和驗證。
閉環反饋 PID 控制算法：

文章插圖
電子膨脹閥的PID控制系統框圖如圖1所示。電子膨脹閥采用單對級步進電機驅動的形式。函數Y（t）是調節器輸出信號，它相應于步進電機給出的開度；系統的輸出是控制參數過熱度?T；函數E(t）是?T與目標過熱度?Tr的偏差；電子膨脹閥開度到過熱度的計算的傳遞過程，需要空調系統在運行中通過溫度傳感器采樣來實現?T的計算。
過熱度計算：
通過對應電子膨脹閥開度的作用下，空調系統進入換熱過程。基于蒸發器的溫度傳感器T1以及蒸發器出口溫度傳感器T2（如果沒有，就采用壓縮機吸氣溫度傳感器），來計算蒸發器過熱度，過熱度計算函數為：
?T=a?T2?b?T1+c (1)
式中， T1-蒸發器溫度， T2-蒸發器出口溫度；
a ， b ， c 為負荷變化時過熱度計算用補正系數。
目標過熱度的設定：
空調系統的最適過熱度會因為運轉模式的不同（制冷，制暖）以及負荷的不同而產生變化，為了使目標過熱度更加的接近最適過熱度，我們設計有目標過熱度的計算函數如下：
制冷時：?Tr=?Tr0+β0 (2)
制暖時：?Tr=?Tr1+β1 (3)
其中， ?Tr0 ， ?Tr1 ， β0 ， β1分別根據系統的不同設定不同的值。
調節器輸出函數
根據連續 PID 控制器的函數：
式中， T1-蒸發器溫度， T2-蒸發器出口溫度。
A ， b ， c 為負荷變化時過熱度計算用補正系數。
式中， Kc-比例系數；Ti-積分常數；Td-微分常數；
為了便于利用PLC程序來實現 PID控制，我們取采樣周期為T ，將連續形式的方程離散化，則PID控制器的函數(1)變為：

文章插圖
對于空調系統而言，系統穩定的時間還是進一步將式（5）轉化成為增量形式，有

文章插圖
T0-模擬調節器的采樣周期；
采樣周期T0是兩次采樣之間的間隔，從硬件設計考慮，采樣周期盡可能長些，這樣可以降低對A/D和 D/A 精度和速度以及CPU計算速度的要求。但是這將會使系統反應比較滯后，控制誤差比較大，控制品質變差。從控制性能考慮，采樣周期盡可能短些，使數字控制更接近連續的模擬系統。目前對采樣周期的選擇尚沒有理論根據充分，使用簡單有效的方法，大多采用實驗加分析的辦法確定。對于空調系統而言，一般采樣周期為1s～5s之間，目前我們采用的是3.5s作為采樣周期。
PID 參數的選擇：
比例調節作用能加快閉環響應，具有克服干擾的能力，是最基本的調節規律。積分調節消除余差，使閉環系統響應升階，響應速度變慢。改進閉環響應速度要以比較大的超調量和長時間的振蕩為代價。微分調節使閉環系統響應速度減小和增加衰減。
在調節中， Kc太小，被調參數余差大，調節時間也很長；Kc太大，會導致系統激烈振蕩甚至不穩定。積分時間 Ti 減少將增大響應速度，同時提高超調量和長時間的振蕩， T1增大則響應速度變慢。而微分時間 Td 增大，穩定性提高；但是Td超出一定量后，系統會變得不穩定。
【電子膨脹閥原理及作用解讀美的空調電子膨脹閥的作用】對于空調系統而言，以下為調節器參數經驗數據，請參考：Kc：5.0～15.0 ， Ti：20s～60s ， Td：30s～80s 。
電子膨脹閥開度處理方法：
對于空調系統而言，系統穩定的時間還是比較長的，如果采樣周期為3.5s時，系統反應太快，反而會導致空調系統不穩定而影響舒適性，所以我們對于電子膨脹閥的執行開度分為多個階段進行處理。
膨脹閥初始開度：
根據不同的空調系統以及運行模式的不同，一般采用實驗的方法確定膨脹閥的初始Ti-模擬調節器的積分時間；Td-模擬調節器的微分時間；
開度,根據經驗我們設計有以下計算方式：
初始開度=a*循環量+b*室外氣溫+c*室內氣溫+d (7)
其中， a ， b ， c ， d 需要通過各種工況下的實驗數據來統計得到，這里就不再闡釋。
膨脹閥開度上升判定階段：
為了維持空調系統的穩定性，我們通過多次采樣來確定膨脹閥開度是否上升。如果膨脹閥開度進入上升判定階段必須滿足以下條件：
① Y(k)-Y(k-1)＞0；
② E(k) ＞0；
如果以上兩個條件任意一個不滿足，都將要跳出上升判定階段。
膨脹閥開度下降判定階段：
同樣如果膨脹閥開度進入下降判定階段必須滿足以下條件：
③ Y(k)-Y(k-1)＜0；
④ E(k)＜0；
如果以上兩個條件任意一個不滿足，都將要跳出上升判定階段。
膨脹閥開度穩定判定階段：
只要以下兩個條件中的任意一個滿足，就判定為穩定判定階段：
⑤ Y(k)-Y(k-1)=0；
⑥ E(k)=0；
膨脹閥開度執行階段：
為了維持空調系統的穩定性，膨脹閥開度執行的周期一般設定為60s～120s之間，根據對兩種空調系統的實驗研究，采用的是90s作為執行周期基本滿足穩定性的要求。
如果確定進入膨脹閥開度上升或者下降判定階段，就以下記膨脹閥的開度變化量進行變化：
開度變化量=Y(k)-Y(k-1) (8)
如果確定進入膨脹閥開度穩定判定階段，膨脹閥的開度維持上一次的開度不變。
控制算法的參數設定：
為了確保整個膨脹閥控制算法比較精準的控制空調系統的運行，最佳的調整進入蒸發器制冷劑的流量，需要對該控制算法的參數設定有比較深刻的了解，并且準確的設計該參數才可以使過熱度取到最佳狀態，下面對各個階段的參數設定進行解釋。
過熱度計算：
考慮到蒸發器到壓縮機的吸入口的配管距離，會產生一定的壓損，以及溫度傳感器的位置不同，過熱度的計算也會產生差別，從而需要有一些補正的參數，式(1)中的參數通過實驗得到以下實驗結果：

文章插圖
以下為通過不同的蒸發器傳感器溫度來測試蒸發溫度的實驗統計結果：

文章插圖
目標過熱度計算
因為系統的不同，可能室內機和室外機的連接配管長短不一，空調器的溫度傳感器的位置不同也會導致目標過熱度存在差別，為了實現該控制方法的通用性，所以設計有以下的補正方式，基本滿足各種空調器的調節范圍。
制冷模式：?Tr0=5.0
制暖模式：?Tr1=0.5
根據環境不同，對于β0 ， β1有以下參數設定：

文章插圖
調節器輸出函數：
經過實驗測試，設計有以下參數結果：

文章插圖
控制流程：
對電子膨脹閥供電后，電子膨脹閥的控制動作開始，為了確保電子膨脹閥的開度穩定性，首先對電子膨脹閥進行初始化的處理，初始化處理完成后，有些空調系統還設計有膨脹閥啟動開度的設定，有些空調系統沒有該過程，然后進入初期膨脹閥開度，從進入初期膨脹閥開度開始，膨脹閥的PID控制就開始執行，首先是對穩定，上升，下降的判定，為了PLC程序的可操作性，設計有先后順序為：穩定-上升-下降的判定，如果進入穩定階段，就執行膨脹閥開度維持；進入上升判定階段，就執行膨脹閥開度上升；進入下降判定階段，就執行膨脹閥開度減少；膨脹閥開度執行之后,又再次的進入判定階段，于此往復，可以確保空調系統符合發生變化時，膨脹閥相應的調整流量，達到最佳的空調運行系統。具體軟件流程圖如下：

文章插圖
實驗結果：
取標準制冷工況下，一定循環量下在制冷模式下，取得的過熱度與時間的關系如下：大概需要8分鐘的時間可以讓空調器達到穩定的過熱度，從而實現性能的最優化。滿足了我們的設計需求。

文章插圖
毛細管與電子膨脹閥的節流特性對比：3
節流部件作為熱泵系統中循環工質流量的調節部件，它對系統是否穩定運行有著重要的影響。

文章插圖
流量控制特性：
毛細管流量特性：

文章插圖

文章插圖
電子膨脹閥流量特性：
由線圈上施加的電壓控制針閥開度的大小，從而調節膨脹閥的流量，兩端壓差越高，開度越大，流量也就越大。

文章插圖
以空氣能熱泵熱水器運行原理為例：

文章插圖
熱泵熱水器需要一年四季運行，運行的環境溫度范圍寬，而水溫由低溫加熱到高溫變化區間也很大。毛細管系統運行范圍窄，電子膨脹閥系統運行范圍寬。
不同工況下的吸氣過熱度變化趨勢：
定義：吸氣過熱度為壓縮機吸氣口處的溫度與蒸發器入口處溫度的差值。

文章插圖

文章插圖
不同工況下的排氣溫度和排氣過熱度變化趨勢：
定義：排氣過熱度為壓縮機排氣出口處的溫度與排氣壓力所對應飽和冷凝溫度的差值。

文章插圖

文章插圖
1、在標況和最大運行條件下，電子膨脹閥熱泵系統的吸氣過熱度、排氣過熱度和排氣溫度都是小于毛細管熱泵系統的，而且前者的吸氣過熱度和排氣過熱度是較后者穩定的，說明電子膨脹閥的節流特性是優于毛細管的。
2、在標況條件下，電子膨脹閥熱泵系統與毛細管熱泵系統相比，前者具有較高的COP值，說明其系統充分利用了蒸發器的換熱面積。
3、在最小運行條件下，毛細管熱泵系統的壓縮機存在帶液壓縮的可能，這主要是由毛細管的節流控制能力弱造成的；相反電子膨脹閥熱泵系統中的吸氣過熱度和排氣過熱度都能保持者較為穩定的值，說明其惡劣工作條件下也能保持著良好的節流能力。