1、第 卷 第 期 年 月 收稿日期 ：作者简介 ：叶荣 ，硕士研究生 ，研究所副所长 ，主要从事制冷系统及控制方面的研究 。空调系统中电子膨胀阀的控制及应用叶荣余水秀赵鸣（浙江三花股份有限公司制冷研究所 ）摘要介绍电子膨胀阀在制冷系统中的使用优势 ，并结合相关测试数据着重说明电子膨胀阀的控制算法 ，同时结合现有技术的应用实例具体介绍搭载电子膨胀阀系统的控制流程 。关键词电子膨胀阀 ；空调器 ；控制 （ ， ，） （ ） ， ， ； ；随着技术水平的不断提升以及社会对节能要求的提高 ，如何提高空调器的控制精度及能效受到越来越多的关注 。其中 ，把电子膨胀阀应用在制冷 制热系统中是一个非常有效的手段
2、 。特别是年底 ，在国家发改委公布的 国家重点节能技术推广目录 中 ，电子膨胀阀变频节能技术成为关注的重点 ，即将推出的能效的新要求对业内应用电子膨胀阀具有更强烈的推动作用 。由于膨胀阀必须与控制器配套使用 ，随着膨胀阀的推广使用 ，势必带动与之匹配的控制器的增长以及更多控制技术的研究 。 电子膨胀阀应用在制冷 制热系统中的优势电子膨胀阀主要用于空调 （制冷 ）系统中 ，可以实现制冷剂流量的自动调节 ，从而使空调系统始终保持在最佳的工况下运行 ，达到快速制冷 、温度精确控制 、节能等目的 。相对于常用的热力膨胀阀 ，区别见表。电子膨胀阀是通过传感器得到的参数进行计表 热力膨胀阀与电子膨胀阀的对
3、比比较项目 热力膨胀阀 电子膨胀阀控制方法利用热传感元件检测过热度控制阀针的移动 ，从而控制通过阀体的流量通过外部检测元件获得的测量参数经过控制器的演算后发出指令驱动步进马达来实现阀针的移动 ，从而控制通过阀体的流量特点对比控制精度 过热度控制精度较低 ，一般 （）控制稳定 ，精度高 ，最小波动可达电子膨胀阀 步的变化量 ，一般是 （），对于大开度电子膨胀阀 ，可达到更高控制精度 （）流量调节 流量变化较小 ，不利于系统的流量调节可以实现停在膨胀阀任意开度位置 ，并 且 可 以 全 开 、全 闭控制功能 无附加功能可以根据客户需求控制实现多功能的开度控制（例如噪声控制优先 、性能控制优先等 ）
4、可以通过调整、修改数据 ，适应不同负荷的系统其他附加功能（如除霜控制 、温度信号输出等 ）第 期 叶荣 等 ：空调系统中电子膨胀阀的控制及应用 算 ，经由控制器进行控制 ，因此反应及动作速度比较快 ，从全闭到全开仅需几秒钟 ；而热力膨胀阀控制器因为感温包的热惰性及传热过程需要一定的时间 ，响应动作速度比较慢 ，常常会导致较大的振荡 。同时 ，使用电子膨胀阀控制器时 ，目标过热度可以通过程序或者存贮器进行设定 ，可以针对制冷 制热等工况单独设置不同的过热度 ，提高系统的经济性 ；而热力膨胀阀控制器则因为过热度目标值由预紧力设定 ，不可任意调节 。另外电子膨胀阀控制器可以只使用温度传感器进行检测和
5、控制 ，安装 、调试较热力膨胀阀更简便 。 电子膨胀阀的控制方法从过热度参数途径划分 ，可分为温度式控制方法及压力式控制方法 。 温度式控制方法如图所示 ，利用两温度的差近似地代替系统过热度 ，并用此过热度作为参数进行电子膨胀阀的控制 。图 空调系统图制冷过热度，即过热度等于吸气温度与室内蒸发器中央两相区温度的差值 。制热过热度，即过热度等于吸气温度与室外冷凝器中央两相区温度的差值 。此种方法适用于冷暖机型 ，只需要个温度传感器即可实现控制 。 压力式控制方法如图所示 ，以下式计算的过热度作为参数控制电子膨胀阀 ：过热度式中 ：为吸气压力对应的制冷剂饱和温度 ，即过热度为吸入温度与饱和温度的差
6、值 。 两种方法的比较压力式控制方法对过热度的计算与真实过热度相符 ，但需在回路中追加压力传感器 ，且在程序控制中要追加饱和温度的转换表 ，较为不便 ，并且价格较高 。温度式控制方法较压力式控制方法安装简便 ，因不需要进行压力到饱和温度的转换过程 ，故响应更快 ；但其过热度并非系统实际的过热度 ，还需研究此法是否具有妥当性 。为研究其妥当性 ，在家用壁挂 的系统中 ，在额定制冷条件下 ，同时记录在不同的膨胀阀开度时种过热度的计算值 ，如图所示 。可见 ，在不同的膨胀阀开度 、不同过热度的条件下 ，温度式控制方法计算的过热度与压力式控制方法计算过热度的差值约恒等于。经更多的实验证明 ，不同本体
7、，此差值会有不同 ，但基本是一个恒定的值 。由此可知 ，采用一定的补偿 ，利用温度式控制方法代替压力式控制方法是妥当的 。图 温度式与压力式控制方法的过热度差值 过热度控制算法 控制算法过热度控制算法一般采用控制方式 ，见图。图 控制框图以目标过热度及实际过热度的差值作为输入 ，进行控制 。控制算式如下 ：烄烆烌烎（）如采用单片机控制则可写为（）（）（）（）（ ） （）式 （）和式 （）中 ：为采样周期 ；为时间 ；为采样常数 ；为积分系数 ；为 第卷 微分系数 ；（）为第次采样时输入的偏差值 。以上公式所表示的控制又称为位置式控制 ，（）是膨胀阀开度的当前值 。然而膨胀阀的控制实为控制步进电
8、机 ，若采用位置式控制 ，可能在运行过程中产生累积步数误差 ，并且在程序设计中需要考虑积分饱和 、当前步数记忆等对应问题 ，故一般采用增量式控制 ，即（）（ ）（）（）（）（ ） （）这里 的为 每 次 控 制 时 膨 胀 阀 开 度 的 变化量 。 分段式控制上述控制方法 ，因为存在系数的整定问题 ，一旦整定不好反而会使控制性能变差 。故在一般的定速空调器中 ，亦可考虑采用其他更易理解 、更易调节的控制方法 。参考控制 ，可采用分段式的控制方法 。如图所示 ，以过热度与目标过热度的差值分为高速 、低速 、安定领域 。当处于高速开及高速关领域时表明过热度偏离目标过热度较远 ，系统未稳定 ，膨胀
9、阀以较高速率动作 ；当处于低速开及低速关领域时表明过热度已靠近目标过热度 ，为防止系统过于振荡 ，并促使系统稳定 ，此时膨胀阀以较低速率动作 ，使系统逐步地趋向目标过热度 ；当处于安定领域时 ，表明过热度已达到目标 ，膨胀阀不动作 。这样 ，在过热度偏离目标过远时 ，膨胀阀快速动作 ，接近目标值时速率变慢 。既考虑了快速性 ，也考虑了稳定性 。图 分段式控制图 分段式控制方法与控制方法的比较分段式控制方法原理简单 ，易于理解 ，因为考虑了高低速控制 ，既能保证快速性 ，也能保证系统一定的稳定性 ，参数调节简单 ；然而因为只运用了比例调节 ，没有积分 、微分环节 ，没有提前校正功能 ，当每个领域
10、的比例调节速率过大时 ，将会引起调节的超调量过大 ，会在控制过程中产生一定时间的振荡 ，过热度稳定时间较长 ，当速率过小时 ，虽然可以避免过大的超调量 ，但是却会使反应过慢 ，调节时间长 ，一般稳定时间为 。控制算法 ，程序设计简单 ，集比例 、积分和微分种控制于一体 ，具有快速调节 、消除静差和超前调节的功能 ，在过热度调节中能做到快速 、稳定 。稳定时间一般在十几分钟 。图所示为家用 柜式空调整机采用的控制算法对额定制热 （目标过热度为 ）的过热度调节记录的过程曲线 ，过热度采用温度式计算法 。过热度的稳定时间约 ，可见控制的优越性 。图 过热度控制过程 （制暖目标过热度 ） 其他控制方法
11、除上述种过热度控制算法外 ，还有多种过热度控制方法 ，比如 ：二分值域搜索法 、表格式膨胀阀开度直接设定法等 ，但控制方法以其优越的性能被广泛地运用 。 目标过热度的确定通常 来 说 ，目标过热度的设定有以下种方法 ：一是直接设定法 ，即直接设定一个固定的过热度目标值 ，并以此目标值进行过热度控制 。二是设定法 ，考虑到蒸发器电子膨胀阀系统存在保持稳定控制的最小过热度 ，而最小过热度随蒸发器的负荷而改变 ，见图所示的最小稳定信号线。所以目标过热度的设定按最小值给出可使系统既稳定又经济 。 电子膨胀阀控制器在家用空调器中的应用电子膨胀阀控制器在家用空调器中的应用主要有以下几方面 ：）变频空调器性
12、能最适化应用图所示为膨胀阀的流量示意图 ，图所示为流量随频率变化的示意图 。由此可见控制电子膨胀阀的开度随频率的变化而变化 ，可使系统在最第 期 叶荣 等 ：空调系统中电子膨胀阀的控制及应用 佳的状态下运行。目前家用变频空调器中 ，能效为一 、二级的机种已广泛采用电子膨胀阀控制技术 。而在实际使用中 ，一些厂家采用表格式把频率与膨胀阀开度对应起来 ，再配合过热度进行补正从而确定膨胀阀的具体开度 ；也有一些厂家单纯采用过热度作为参数进行开度调节或采用压缩机排气温度作为参数进行开度的调节 ，不管采用何种方法 ，其目的都是实现流量的最适化 。特别是在制冷中间性能的优化中 ，膨胀阀控制器发挥着很大的作
13、用 ，有利于提升空调器值 。）电子膨胀阀在提高空调器低温能力上的应用将在年执行的新房间空调器能效标准以（全年能源消耗效率 ）作为能效等级的划分参数 ，这将对空调器低温性能提出更高的要求 。如图所示 ，在空调器低温测试中 ，利用电子膨胀阀的开度调节可以有效提升除霜后空调器能力的上升速率 （虚线部分 ），以提高积分能力值 。图 除霜周期示意图）电子膨胀阀在提高除霜性能中的应用如图所示 ，在制热时膨胀阀以最适的制热开度运转 ，当除霜开始时 ，开度快速变更为除霜开度 （例如采用三花制型脉冲膨胀阀 ，开度可设为），以增加制冷剂流量 ，使除霜更快 ，更完全 。待除霜结束后膨胀阀开度又恢复除霜前的开度 ，以
14、利于制热能力快速恢复 。当然 ，若要除霜更佳 ，在除霜过程中 ，可再细分不同的阶段 ，不同阶段采用不同的压缩机频率及膨胀阀开度值 。图 除霜动作示意图）电子膨胀阀在空调器中抑制制冷剂噪声的应用在房间空调器中 ，若采用毛细管节流方式 ，由于毛细管在节流的过程中制冷剂状态的变化常常会引起毛细管产生不可避免的振动 ，这种振动传至冷凝器 ，则表现为断续的极为刺耳的噪声 。当采用电子膨胀阀后 ，节流的快速性及安装固定 ，制冷剂噪声将会得到抑制 。）电子膨胀阀高温保护应用在空调器运行的过程中 ，可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制可能出现的压缩机排气温度过高的情况发生 ，即当排气温度过高时 ，膨胀阀将以某 一
15、 速 率 增 大 开 度 ，起 到 降 低 排 气 温 度 的作用 。）压力式控制电子膨胀阀低压保护应用在空调器的运行过程中 ，可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制低压过低的情况发生 ，即低压过低时 ，膨胀阀将以某一速率增大开度 ，起到提高低压的作用 ，并防止负压的产生 。 第卷 电子膨胀阀及控制器的实际应用下面以笔者所在公司研制的新一代电子膨胀阀控 制 器 为 例 ，具 体 介 绍 膨 胀 阀 控 制 的 实 际应用 。图中已经展示了空调系统通用的冷冻回路 。基于此通用的系统 ，笔者研发出可匹配大部分系统的新一代电子膨胀阀控制器 。 基本元素构成该控制器构成如图所示 ，可支持市面上大部分型号电子
16、膨胀阀的驱动 。图 电子膨胀阀控制器结构图及各种电子膨胀阀根据图，该控制器具体输入参数有以下种 ：）模拟信号室内配管温度，室外配管温度（具体位置可根据系统情况进行调整 ），压缩机吸入温度，压缩机吸入压力（不与和同时使用 ）数字信号数字信号包括压缩机信号 、四通阀信号和除霜状态信号 （系统中的电加热或风机信号 ）。输出参数为电子膨胀阀驱动信号和报警指示灯 。电子膨胀阀驱动分为相励磁和相励磁种励磁方式 。应用中 ，可根据实际使用的电子膨胀阀规格选择合适的驱动方式 。 控制器工作原理该控制器采用过热度反馈控制实现 ，基本的操作控制流程如图所示 。在控制器刚刚得电时 ，控制器会对内部各项参数进行初始化
17、 。由于无法把握当前膨胀阀的开度 ，有必要对膨胀阀进行复位操作 。通过使膨胀阀进行最大范围的关阀动作 ，使其运行到设计死点 ，以此为基准点进行后续操作 。复位完成后 ，控制器进入正常工作阶段 。在工作过程中 ，控制器会间歇性采集各位置温度或压力信息 ，并判断这些信息是否正常 。如遇到超出正常范围的情况 ，控制器会强行将现行状态转换到停止状态 ，以保护系统 ，同时启动报警模块 ，通过指示灯信号的闪烁进行报警 ，不同的闪烁方式对应不同的异常状态 。控制器采集的温度或压力信息判断为正常之后 ，首先会根据压缩机 、四通阀 、除霜等数字输入信号判断系统当前运行状态 。在不同的状态下 ，执行不同的运算 。
18、在制冷和通常制热状态时 ，会根据采集到的温度或压力等模拟信息计算出系统过热度 ，再通过实际过热度与设定的目标过热度的关系 ，经过增量式自动化控制算法得出电子膨胀阀每次操作的变化量 ；在停止和除霜状态下 ，控制器会以固定开度进行操作量的设置 。最后 ，控制器按照操作量驱动电子膨胀阀进行开度调节 ，从而控制模拟输入信息的变化 ，以此使系统快速达到稳定状态 。同时 ，该控制器还具有通信功能 ，此功能为可选择功能 。在调试控制器时 ，可通过通信端口经由电平转换装置与电脑系统连接 ，通过使用专用操作软件可实现对控制器的运行状态的实时监控第 期 叶荣 等 ：空调系统中电子膨胀阀的控制及应用 图 控制器工作
19、流程图和系统参数的最优化设置 。 结束语电子膨胀阀作为一种提高能效的节流控制元件 ，已成为制冷系统智能化的重要组成部分 。可以预想 ，随着国家对于空调能效要求的不断提升 ，电子膨胀阀在空调系统特别是变频空调系统中的应用会越来越广泛 。伴随着应用的展开 ，如何实现电子膨胀阀的控制以实现高能效 、快响应 、多功能等的控制将是今后电子膨胀阀控制的研究方向 。参 考 文 献何法明 电子膨胀阀与热力膨胀阀的比较 世界海运 ，（）：商萍君 ，易佳婷 电子膨胀阀的优势和发展趋势 制冷与空调 ，（）：田怀璋 ，朱瑞琪 ，刘星 电子膨胀阀技术综述 流体工程 ，（）：朱瑞琪 ，陈文勇 ，吴业正 电子膨胀阀的控制
20、流体机械 ，（）：江明旒 ，王如竹 ，吴静怡 ，等 电子膨胀阀的应用领域及关键技术 制冷与空调 ，（）：邵双全 ，石文星 ，李先庭 ，等 电子膨胀阀与毛细管在变频空调系统中的性能分析 流体机械 ，（）：，吴东兴 ，金苏敏 ，樊高定 ，等 电子膨胀阀 压缩机的同步控制 流体机械 ，（）：黄理浩 ，陶乐仁 ，陶宏 ，等 电子膨胀阀对变频压缩机排气温度控制的实验研究 热科学与技术 ，（）：檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱（上接第页）参 考 文 献彦启森 ，石文星 ，田长青 空气调节用制冷技术 北京 ：中国建筑工业出版社 ，赵可可 ，康月 ，高思云 ，等 新型双向热力膨胀阀在变频空调中的运用研究 第九届全国空调器 、电冰箱 （柜 ）及压缩机学术交流会论文集 ：邓永林 ，罗胜 ，刘警生 ，等 一种具有自适应调节功能的变频空调器研究 年国际制冷技术交流会论文集 ：贝其正 ，赵可可 ，康月 ，等 变频空调器用节流元件剖析 制冷与空调 ，（）：
