电子膨胀阀在制冷系统中的应用

电子膨胀阀在制冷系统中的应用

电子膨胀阀作为电子控制元件，因其精度高，动作快速、准确、节能效果明显等优点，并与其它智能控制方法相结合，在制冷系统中的运用，以实现系统的优化控制，在制冷空调中有广阔的应用前景。

随着电子及微机控制技术的飞速发展，计算机也得到了快速发展，计算及控制技术在制冷空调行业中得以渗透，一些适用于制冷系统微机控制的执行部件也得以开发，电子膨胀阀便是在这样一个大背景下开发出来的。电子膨胀阀具有许多的优点，特别是它能与其它智能控制方法相结合，具有可以实现系统的优化控制，节能效果明显。因此迅速得以推广和发展。

对于电子膨胀阀的研究早在70年代末期日本就已经开始对其进行研究，当时它是靠施加不同的电压（0~12V）对双金属片加热量的不同，造成双金属片膨胀不同而带动阀针的升降。这种膨胀阀有较大的缺陷，后来已不大使用。除日本外其它国家在80年代也进行了电子膨胀阀的研究和开发工作，其主要针对电磁式和电动式（步进电机驱动）电子膨胀阀。电磁式膨胀阀在电磁线圈通电前，阀针处于开的位置，阀针的开度取决于线圈上施加的控制电压，从而调节膨胀阀的流量。该阀动作响应快，但在制冷系统中工作时一直需要供电。电动膨胀阀是一种以步进电机驱动的电子膨胀阀，它通过给步进电机施加一定逻辑关系的数字信号，使步进电机通过螺纹驱动阀针的向前或向后运动，从而改变阀口的流量面积来达到控制流量的目的。这种电子膨胀阀又可分为直动型和减速型两种。直动型是步进电机直接带动阀针，减速型是步进电机将动力通过减速齿轮组来推动阀针的动作。通过减速齿轮组可以产生较大的推力，所以目前许多步进电机驱动的电子膨胀阀都是采用的这一种驱动方式。电子膨胀阀的形式有多种，但都需要有电信号来控制，为在制冷循环中实施现代微机控制提供了可能。同时因系统、控制方法不同，每种形式的电子膨胀阀都有自己的优势。但步进电机驱动的电子膨胀阀因其更适用微机控制、并有较好的稳定性，而为更多的制冷系统所采用。

由于电子膨胀阀采样速度快、精度高等特点，易于实现先进的控制以达到舒适、节能等控制目标，因而在中小型制冷设备中应用越来越广泛；特别是在家用空调系统中的应用。因家用空调在制热工况下室外蒸发器常常会结霜，而传统的化霜是将四通阀换向，采用逆循环除霜，除霜时间约为11分钟，室内温度波动较大；而电子膨胀阀在除霜期间阀口置全开的位置，并配以室内风机开关占空比为0.5，室外风机全关控制，除霜时室内温度波动小，除霜时间减少到以前的一半，且室内换热器的送风温度也不会降得太多，从而节约了除霜能耗及提高了室内的舒适度。

采用电子膨胀阀来控制压缩机排气温度，可以防止因排气温度的升高对系统性能产生的不利影响，同时可省去专设的安全保护器，节约成本，提高工作效率。采用电子膨胀阀的制冷系统，停机时令膨胀阀全关，防止冷凝器的高温液体流入蒸发器，造成再次启动时的能量损失；而在开机前，将膨胀阀全开，使系统高低压侧平衡，然后开机，这样既实现了压缩机的轻载启动，又减少了压缩机启、停造成的热损失，节省电费约6%左右。

在研究制冷系统的电子膨胀阀控制系统中，缺少控制器时电子膨胀阀的作用只能相当于毛细管，而电子膨胀阀作为产品出厂时常常没有控制器，在实际应用中控制效果并不好。所以电子膨胀阀的流量调节特性与制冷系统的动态特性之间的协调和耦合，需要选用合适的控制方法来协调，方能实现控制目标。

制冷空调中最常用的是传统PID控制方式。常规PID控制方式的特点是调节方式简单，稳定性好，可靠性高。但若其三个调节参数：比例系数Kp、微分时间常数Td、积分时间常数Ti选择不当，易使控制系统发生振荡。文中研究了不同调节参数对制冷系统启动特性的影响，其实验表明，若采

用不合适参数，制冷机启动后仍会处于振荡状态。通过大量的实验和理论研究表明，制冷系统是一个变量之间相互耦合、影响因素多、工况多变化的大惯性非线性系统。针对这些情况，各公司研究开发出许多新型的智能化控制方法来弥补常规PID控制的缺陷，提高变负荷情况下系统参数的可控性。如：日立公司提出在压缩机转速变化过度阶段将电子膨胀阀的PID控制中断，当热负荷降低时，过热度若减小到零后根据时间以线性外推法引入一个负的假想的过热度予以控制。开利公司提出，PID调节器不仅是蒸发器实际过热度和目标过热度的函数，而且还是实际过热度变化率的函数，电子膨胀阀开度以三者关系确定调节规律。还有若干对PID控制方法进行修正的控制方法，比如极点配置PID调节、目标函数在线优化PID调节、模型参考自适应模糊PID调节。随着自动化技术及现代控制理论的发展，自适应控制理论、模糊控制及神经网络理论等已越来越多地应用到制冷空调领域。

在各种新引进的控制算法中，模糊控制和神经网络控制理论以其特有的人工智能推理逻辑吸引了越来越多的学者对其进行了深入地研究并引入到制冷空调领域，成为了近期研究和应用的一个方面。与神经网络同属人工智能控制理论的模糊理论，就是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现智能控制的一种理论。相对模糊理论，神经网络控制理论的引入较晚。但它在制冷空调中具有广阔的应用前景。神经网络控制是模仿人脑神经的特点，通过“学习”、“记忆”、“判断”、“联想“等进行信息处理，能有效地提高了控制系统控制决策的正确性、系统控制的快速性、稳定性和容错性，并具有较强的自学习、自校正、自诊断功能，是目前发展较快的现代控制系统之一。

电子膨胀阀如何才能找到与被控对象特性相符合的控制方法，由于制冷空调系统具有复杂性、时变性和高度非线性的特点，而传统的PID方法也很难达到现代控制品质的要求。所以近年来，以人工神经网络为代表的现代人工智能技术在制冷空调行业中得到初步应用。采用现代人工智能技术来研究传统理论以解决的实际问题，并与作为现代控制元件代表的电子膨胀阀相结合，已得到较好的实际效果。而现在智能模糊控制技术的应用在制冷系统中必然是很有发展前途。

电子膨胀阀的结构和动作：

在大金机组VRV系统中，将EBN型线性控制阀作为过热度控制或过冷却度控制的电子膨胀阀作用。在阀中，事业单相励磁驱动脉冲马达。接受2000PLS的信号时，将全开。齿轮的行程从全开到全闭为0。7mm。电子膨胀阀驱动部分的内部结构如下图所示，齿轮比为1/30。