電子膨脹閥控制器優化研究

郭曉鵬，周大志

（丹佛斯自動控制管理（上海）有限公司，山東青島 266100）

0 引言

作為空調系統中的膨脹機構和流量調節元件，電子膨脹閥的傳感、調節、執行部件是相對獨立的，可以按照編制的程序工作[1]。通過適當的控制優化，電子膨脹閥可以實現快速響應系統負荷變化，精準控制制冷劑流量，提高蒸發器換熱效率和系統能效[2]。

空調系統的控制過程具有非線性、慣性大等特點，對于電子膨脹閥，采用傳統控制策略難以保證其控制精度和運行的穩定性[3]。根據章曉龍等[4]的研究，盡管在正常運行時，制冷系統存在最小穩態過熱度曲線，但在啟動階段，系統并不穩定，所以不能按照正常運行時的控制規則來控制閥，需要另外制定控制策略。另外，考慮到蒸發器內兩相區的換熱系數遠大于過熱區，嚴瑞東等[5]也指出較高的蒸發器過熱度會導致蒸發器換熱面積利用率下降，需要把蒸發器過熱度控制在較小的值上。因此，針對電子膨脹閥的控制優化，需要兼顧過熱度最小化和啟動階段的控制。目前成熟的電子膨脹閥控制仍是以蒸發器出口過熱度為控制目標的PID調節，但這種控制方式是建立在簡化的模型基礎上，當工況變化時難以得到滿意的效果[6]。相關的改善研究中[7-12]包括采用模糊PID控制策略用于電子膨脹閥對蒸發器過熱度的控制，以改善超調、振蕩等問題。高正中等[13]提出了一種雙模糊控制器算法，在系統啟動和穩定運行過程中對電子膨脹閥用不同的控制算法分別控制，通過MATLAB模擬結果顯示其有很好的優越性。

過熱度控制器主要用于電子膨脹閥的智能控制，在考慮啟動階段和運行階段調節的同時，還需要考慮實際應用中遇到的各個問題，例如，制冷、制熱兩種模式下參數的優化，系統除霜響應，變頻系統中閥的控制等。本文提出一種新型的過熱度控制器，兼有以上控制特性。

1 現有控制

常見的電子膨脹閥控制模式包括驅動器和控制器（圖1）。

圖1 電子膨脹閥控制

驅動器是依據一個外部模擬信號的大小來控制閥的開度，核心在于執行；控制器主要是依據目標過熱度對閥的開度進行控制，核心在于控制。依據不同的傳感器類型，控制器又分為溫度型和壓力型，溫度型是借用兩個溫度傳感器估算過熱度；壓力型是通過壓力傳感器和溫度傳感器，先計算出該壓力下的飽和蒸發溫度，然后計算出實際過熱度。

溫度型的控制模式是將安裝在蒸發器中部的溫度傳感器測得的蒸發溫度來估算過熱度，和系統真實的過熱度有較大區別，多數情況下溫度型感知的過熱度和真實的過熱度相差 3 ℃左右[14]，因此，實際應用中仍以壓力型為主。

1.1 啟停階段控制

啟動階段目前多數仍以過熱度為控制目標，在某些工況下會觸發低壓保護，導致開機失敗；同樣的，系統停機時閥通常會關閉，如果系統壓縮機偏小，而關機后系統壓力平衡時間過長，此時再開機時壓縮機負荷就會很大，可能造成啟動失敗或者出現壓縮機多次啟動后，系統才能正常運行的情況。

1.2 運行階段控制

常規運行時，一般都是根據實際過熱度和目標過熱度進行PID/PI調節。對于風冷熱泵，當系統進入除霜模式時，蒸發器出口傳感器信號失真，對于閥的控制不具有參考意義；常規運行時，制冷模式和制熱模式下系統性能的優化點也有差異；對于多冷庫系統，單個冷庫是通過電磁閥加上膨脹閥進行庫溫控制，可以在電子膨脹閥控制器上增加溫度控制，這樣有利于系統控制和成本優化。

1.3 應急階段

當系統傳感器失效時，過熱度控制器會進入報警模式，系統停機。在實際應用中，必要時甚至需要采用備用機來保證緊急情況下的使用，增加了系統運行成本。

2 問題分析

2.1 啟停階段的問題分析

啟動前，系統蒸發器出口過熱度基本在0 ℃，電子膨脹閥處于關閉狀態。開始啟動時，隨著壓縮機的運行，蒸發器內的制冷劑會逐漸蒸發，蒸發器出口制冷劑基本為兩相狀態，此時閥尚未打開；隨著壓縮機的運行，蒸發器內制冷劑蒸發完全，蒸發壓力降低，出口過熱度迅速變大，此時要求閥快速打開。閥打開后，過熱度又快速下降，逐漸振蕩收斂。

啟動階段遇到的問題包括：①啟動時間過長，不容易達到穩定狀態；②啟動時如果閥不能開啟，容易觸發系統低壓報警。優化包括采用可以快速開啟的電子膨脹閥（例如，丹佛斯蜂鳥系列電子膨脹閥，其開閥速度比現有電子膨脹閥快 3倍），同時調整控制器內的相關參數。

通常電子膨脹閥的開度和系統過熱度有關，停機階段，如果蒸發器出口過熱度低于設定的目標過熱度，這時閥逐漸關閉，系統高低壓平衡時間變長，不利于下次開機。所以實際中可以采用泄壓閥功能，使電子膨脹閥保持一定的合理開度，系統壓力快速平衡。

2.2 運行階段的問題分析

正常運行時，通常有兩種方式控制電子膨脹閥，第一種是通過液位傳感器檢測制冷劑液位，將液位信號轉化為模擬信號，用于控制膨脹閥開度，此時不需要過熱度控制，只要閥的驅動器和機組PLC控制器配合即可；第二種是通過壓力和溫度傳感器檢測蒸發器出口過熱度，根據過熱度控制閥開度，控制方式比較靈活：既可以通過閥控制器獨立控制電子膨脹閥，又可以在閥控制器和機組主控制器之間建立通訊，實現閥對系統需求的更多響應。

過熱度控制器需要事先設定目標過熱度，然后控制器根據檢測到的實際過熱度和目標過熱度差值來調節閥開度。過熱度控制中包括固定過熱度和最小穩態過熱度控制（MSS，圖2），最小穩態過熱度控制有助于實現蒸發器換熱效率最優化。

圖2 最小穩態過熱度示意圖

在實際應用中，制冷模式和制熱模式下的最佳參數存在差異，但現有的控制器基本未做區分，制冷和制熱按同一種設定值運行，無法二者兼顧，一方面影響系統效率，另一方面影響壓縮機可靠性。對于變頻系統和熱泵除霜模式，現有的控制器也未做兼顧。

2.3 應急階段的問題分析

當閥控制器失效時，目前常見的做法是觸發報警，閥控制失效，一旦造成停機，給用戶帶來不便。

3 控制優化

3.1 控制靈活性改進

1）當過熱度變動較小時，可以通過設置中性區（請參考圖 3示意圖），當負荷變動較小時，此時閥不動作，避免閥頻繁動作引起的系統震蕩。

2）對于熱泵系統，制冷、制熱參數分開設定，當系統模式變化后，按預先設定的參數（過熱度、啟動開度、PID等）做相應的切換，系統控制更精確。

3）對于變頻系統，膨脹閥開度隨頻率的變化而變化，通過優化，可以使系統在最佳狀態下運行[15-17]。當壓縮機頻率變化時，PLC預先將壓縮機速度反饋給過熱度控制器，從而可以根據壓縮機頻率預先調整閥的開度，實現快速反應，避免引起誤報警。

4）低環溫機組由于使用環境相對惡劣，蒸發器更容易出現嚴重結霜的狀態，影響制熱效果，成為當前熱泵的主要不合格項之一[18]。為優化除霜，有學者研究了最佳的除霜點以及模擬分析[19-20]。從閥的控制角度看，當系統需要除霜時，控制器可將閥按預先設定的除霜開度運行，加快融霜過程。

5）兼顧傳統的 MSS、手動控制、溫度控制、外部信號控制（驅動）等。

6）在壓縮機啟動階段，通過比例控制（P-control），使閥快速響應系統變化，使系統過熱度快速接近目標值；或者通過預設啟動開度和啟動時間，避免系統低壓報警停機。

圖3 中性區示意圖

3.2 保護完全的控制優化

從閥的角度看，盡可能地通過控制優化實現系統保護，對于系統防護具有積極意義。具體來說，過熱度控制器中的保護（圖4）包括：

1）高冷凝溫度保護（HCTP），當冷凝溫度達到保護值時，通過閥的控制降低系統冷凝負荷；

2）低蒸發溫度保護（LOP），對于熱泵系統而言，低溫啟動階段通過LOP強制開閥，以避免低壓過低，系統停機；

3）高蒸發溫度保護（MOP），防止壓縮機過載；

4）低過熱度保護（SH close），系統過熱度過低時，通過強制關閥，防止系統回液；

5）防凍保護（Min.S4），當系統達到防凍點時，通過膨脹閥控制制冷劑流量，保護蒸發器。

3.3 應急模式控制優化

如果檢測到傳感器失效時，可以通過預先設定的閥開度運行，此時系統進入應急模式，但不會停機，避免造成更大損失。

如果需要降低啟動負荷，可以通過泄壓功能來實現系統壓力平衡，便于系統快速開機運行。

圖4 系統保護示意圖

4 測試結果

本文選取了新型過熱度控制器（EKE）和現有過熱度控制器（EKD）進行測試，結果如圖5所示。

圖5 優化前后測試對比

通過以上對比可以看到，控制優化后系統可以更快地達到目標過熱度，且控制精度高，波動小。

5 結論

本文介紹了一種新型的過熱度控制器，通過硬件和軟件優化，提高了控制效率，節省了系統成本。