单元设计1中电子膨胀阀的选择:

节流机构是制冷系统中最重要的部件之一，节流机构与系统其他主要部件的良好匹配是改善系统运行和适应系统负荷变化的基础。

电子膨胀阀(EXV)作为一种节流元件，广泛应用于大型压缩式制冷机组(如风冷冷水机组、水冷冷水机组、屋顶空调制器等)。).精确控制和信号反馈是电子膨胀阀的优点。此外，在使用电子膨胀阀的系统停机后，可以通过适当的控制来平衡机组的高低压，或者完全关闭电子膨胀阀作为截止阀。

电子膨胀阀选型:

首先要知道电子膨胀阀在系统中的位置和作用(见图1)。系统采用电子膨胀阀节流。通过控制器感知到的相关信息，可以对系统进行精确控制。

对于给定的系统，以下步骤可用于选择合适的电子膨胀阀:

1.为制冷剂在电子膨胀阀和系统中的流动建立适当的系统模型。

2.选择操作图上的点作为计算比较点。例如额定点和系统运行边界点。

3.根据系统模型，计算出电子膨胀阀前后的制冷剂流量、饱和蒸发温度、冷凝温度和压降等数据，用于电子膨胀阀的选型。

电子膨胀阀选型分析:

首先，我们需要知道电子膨胀阀的能力，也就是它的适用范围。

因为大部分电子膨胀阀都是由步进装置驱动的。了解电子膨胀阀的操作步骤和容量之间的关系非常重要。

在这个例子中，选择某一类型的电子膨胀阀作为例子。我们可以看到，所有的电子膨胀阀都有一定的精确控制范围，一般在10%-100%之间。如果超过这个范围，电子膨胀阀的控制会受到很大影响，即无法精确控制。

图2不同制冷剂的电子膨胀阀容量差异

那么如何确定电子膨胀阀的容量呢？

首先要确定电子膨胀阀适合什么制冷剂。对于不同的制冷剂，同一个电子膨胀阀的能力会有很大的不同。从上图可以发现，对于同样的电子膨胀阀，R410A表现出的能力最大；但对于R134a、R124等制冷剂系统，电子膨胀阀的容量会大大降低。

其次，我们需要知道哪些因素影响电子膨胀阀的选择。

1)电子膨胀阀入口液态制冷剂的温度；

2)饱和蒸发温度；

3)通过电子膨胀阀的压降；

4)静态过热设定值；

5)过热度的变化。

知道了这些因素之后，我们就可以进入具体的计算了。

再者，要知道电子膨胀阀的压力适用范围，即MOP。对于R410A等高压制冷剂，MOP是选择电子膨胀阀时的一个障碍。只有达到基本MOP的要求，才能进入考生行列。

3理论和实验验证

理论验证:通过理论计算并将结果反映在系统运行图上。对于固定制冷剂和制冷系统，选择两种类型的电子膨胀阀进行理论计算。

在一定的冷凝、蒸发和液体温度下，做一个比较。

测试验证。电子膨胀阀的控制能力通过具有不同负载的适当测试来验证，例如具有可变负载的动态负载测试。这也是对理论计算的进一步证实。

图3比较了系统中不同电子膨胀阀的性能。

4控制

电子膨胀阀的动作很大程度上离不开精确的控制。

对于给定的控制系统，需要电子膨胀阀进行有效匹配，即让电子膨胀阀成为控制系统的一部分。

驱动器模块需要一个X-XXmA或X-XXV模拟信号输入(如图4和图5所示)。根据模拟输入信号，电子膨胀阀关闭/打开，以控制液态或气态制冷剂的流量。通过将任何所需的控制器与通用驱动模块匹配，可以实现不同的功能。

设定合适的模拟输入信号，使阀门的开度能在一定范围内精确控制。

电子膨胀阀PID控制算法在空调制系统2中的应用

空调制系统的能效比趋于全年能效比，而不是简单的标准工况下的COP。在这种情况下，无论是恒速空调制还是变频空调制，都需要选择宽而准的流量调节元件。电子膨胀阀是一种能适应以标准电信号传递信息的电子控制元件，它具有与电子膨胀阀一样的特性，能根据预定的调节控制动作调节空调制系统的循环，保证蒸发器始终稳定工作在很小的出口过热度，大大改善制冷系统变负荷的动态特性。就控制系统组成而言，主要有过热度闭环反馈PID控制和排气温度闭环反馈PID控制。考虑到排气温度闭环反馈PID控制不能用于多连接空调节系统，针对过热度闭环反馈PID控制的应用进行了最优控制器设计方法，并对其参数进行了设定，得到了最优PID控制器，在不同空调节产品上进行了试验验证。

闭环反馈PID控制算法:

电子膨胀阀PID控制系统框图如图1所示。电子膨胀阀由一对步进电机驱动。函数Y(t)是调节器的输出信号，对应步进电机给定的开度；系统的输出是控制参数过热T；函数E(t)是t与目标过热tr的偏差；电子膨胀阀开度过热度计算的传输过程需要空调制系统在运行过程中通过对温度传感器采样来实现T的计算。

过热计算:

在相应电子膨胀阀开启的作用下空调制系统进入热交换过程。根据蒸发器的温度传感器T1和蒸发器的出口温度传感器T2计算蒸发器的过热度(否则，采用压缩机的吸入温度传感器)。过热计算功能是:

T = a∫T2 b∫T1+c(1)

其中T1-蒸发器温度，T2-蒸发器出口温度；

a、b、c为负荷变化时过热度计算的修正系数。

目标过热的设置:

空调节系统的最佳过热度会因不同的运行方式(制冷、制热)和不同的负荷而变化。为了使目标过热度更接近最佳过热度，我们设计了如下的目标过热度计算函数:

冷却时:TR = TR0+β 0 (2)

加热时:TR = TR1+β 1 (3)

其中Tr0，Tr1，β0，β1根据不同的系统设置为不同的值。

调节器的输出功能

根据连续PID控制器的功能:

其中T1-蒸发器温度，T2-蒸发器出口温度。

a、b、c为负荷变化时过热度计算的修正系数。

式中，Kc——比例系数；Ti-积分常数；TD——微分常数；

为了利用PLC程序实现PID控制，我们取采样周期为T，将连续方程离散化，则PID控制器的函数(1)变为:

对于空调制系统，系统稳定的时间是进一步将公式(5)转换成增量形式，如下

t0——模拟调节器的采样周期；

采样周期T0是两个样本之间的间隔。考虑到硬件设计，采样周期要尽可能长，这样可以降低对A/D和D/A的精度和速度以及CPU计算速度的要求。但这会使系统响应滞后，控制误差大，控制品质变差。考虑到控制性能，采样周期尽量短，使数字控制更接近连续模拟系统。目前，采样周期的选择还没有充分的理论依据。采用简单有效的方法，大部分是通过实验和分析确定的。对于空调制系统，采样周期一般在1s到5s之间。目前我们用3.5s作为采样周期。

PID参数的选择:

比例调节可以加快闭环响应，克服干扰，这是最基本的调节规律。积分调节消除了残留误差，从而提升了闭环系统的响应，降低了响应速度。提高闭环响应速度是以大超调和长期振荡为代价的。差分调节降低了闭环系统的响应速度，增加了衰减。

在调整中，Kc太小，调整后的参数残差大，调整时间也很长；如果Kc过大，系统会剧烈振荡，甚至变得不稳定。积分时间Ti的减小会加快响应速度，增加超调量和长期振荡，而T1的增大会减慢响应速度。然而，微分时间Td增加并且稳定性提高。但当Td超过一定量时，系统就会变得不稳定。

对于空调制系统，以下是调节器参数的经验数据，请参考:KC: 5.0 ~ 15.0，Ti: 20s ~ 60s，TD: 30s ~ 80s。

电子膨胀阀开度的处理方法:

对于空调制系统，系统长期稳定。如果采样周期为3.5s，系统反应太快，会导致空调制系统不稳定，影响舒适性。因此，我们分几个阶段处理电子膨胀阀的开启。

膨胀阀的初始开度:

根据不同的空调制系统和不同的运行方式，膨胀阀初始数模调节器的积分时间一般由实验确定。TD——模拟调节器的微分时间；

根据经验，我们设计了以下计算方法:

初始开度=a*循环量+b*室外温度+c*室内温度+d (7)

其中A、B、C、D需要通过各种工况下的实验数据统计得出，在此不再赘述。

膨胀阀开度上升判断阶段:

为了保持空调制系统的稳定性，我们采样几次，以确定膨胀阀的开度是否上升。如果膨胀阀开度进入上升判断阶段，必须满足以下条件:

①Y(k)-Y(k-1)>0；

②E(k)>0；

如果不满足以上两个条件中的任何一个，就会跳出上升判断阶段。

膨胀阀开度下降的确定阶段:

同样，如果膨胀阀的开度进入下降判断阶段，必须满足以下条件:

③Y(k)-Y(k-1)<>

④E(k)<>

如果不满足以上两个条件中的任何一个，就会跳出上升判断阶段。

膨胀阀开度稳定性判断阶段:

只要满足以下两个条件中的任何一个，就判定为稳定判断阶段:

⑤Y(k)-Y(k-1)= 0；

⑥E(k)= 0；

膨胀阀开启执行阶段:

为了保持空调制系统的稳定性，膨胀阀开启的执行周期一般设置在60s-120s之间。根据对两种空调制系统的实验研究，采用90s作为执行周期，基本满足稳定性的要求。

如果确定膨胀阀的开度向上或向下，按如下方式改变膨胀阀的开度:

开口变化=Y(k)-Y(k-1) (8)

如果确定膨胀阀的开度处于稳定判断阶段，则膨胀阀的开度将保持与先前的开度不变。

控制算法的参数设置:

为了保证整个膨胀阀控制算法能够准确地控制空调节系统的运行，最优地调节制冷剂进入蒸发器的流量，需要对控制算法的参数设置有深入的了解，并准确地设计参数，使过热度能够处于最佳状态。每个阶段的参数设置解释如下。

过热计算:

考虑到蒸发器到压缩机吸气口的管路距离，会有一定的压力损失，而且由于温度传感器的位置不同，过热度的计算也会有所不同，所以需要一些修正的参数。公式(1)中的参数通过实验得到如下实验结果:

以下是通过不同蒸发器传感器温度测试蒸发温度的实验统计结果:

目标过热计算

由于系统不同，室内机和室外机之间的连接管长度可能不同，空调节器的温度传感器位置不同也可能导致目标过热度不同。为了实现这种控制方法的通用性，设计了以下校正方法，基本满足各种空调制器的调节范围。

冷却模式:Tr0 = 5.0

加热模式:Tr1 = 0.5

根据不同的环境，为β0和β1设置以下参数:

调节器的输出功能:

经过实验测试，该设计有以下参数结果:

控制流:

电子膨胀阀通电后，电子膨胀阀的控制动作开始。为了保证电子膨胀阀的开启稳定性，首先对电子膨胀阀进行初始化。初始化完成后，有些空调制系统还设计有膨胀阀开度的设定，而有些空调制系统没有这个过程。然后，进入膨胀阀的初始开度，膨胀阀的PID控制从初始开度开始。首先是稳、升、降的判断。为了PLC程序的可操作性，设计的顺序是:稳定-上升-下降。如果进入稳定阶段，会维持膨胀阀的开度。进入上升判断阶段，膨胀阀开度增大；进入下降判断阶段，膨胀阀开度减小；膨胀阀开度执行后，再次进入判断阶段，可以反复进行，保证空调节系统在变化时满足膨胀阀相应的流量调节，达到最佳空调节运行系统。具体的软件流程图如下:

实验结果:

在标准制冷工况下，在一定循环量的制冷模式下，过热度与时间的关系如下:空调制器达到稳定过热度大约需要8分钟，从而使其性能达到最优。满足我们的设计要求。

毛细管与电子膨胀阀节流特性比较:3

节流元件作为热泵系统中循环制冷剂流量的调节元件，对系统的稳定运行有着重要的影响。

流量控制功能:

毛细流动特性:

电子膨胀阀流量特性：电子膨胀阀流量特性:

针阀的开度由施加在线圈上的电压控制，从而调节膨胀阀的流量。两端压差越大，开度越大，流量越大。

以空燃气热泵热水器的工作原理为例:

热泵热水器需要全年运行，环境温度变化范围大，水温从低温到高温变化。毛细管系统的工作范围较窄，而电子膨胀阀系统的工作范围较宽。

不同工况下吸气过热度的变化趋势；

定义:吸入过热是压缩机入口温度与蒸发器入口温度之差。

不同工况下的排气温度和排气过热度变化趋势：不同工况下排气温度和排气过热度的变化趋势；

定义:排气过热是压缩机排气出口处的温度与对应于排气压力的饱和冷凝温度之间的差值。

1、在标况和最大运行条件下，电子膨胀阀热泵系统的吸气过热度、排气过热度和排气温度都是小于毛细管热泵系统的，而且前者的吸气过热度和排气过热度是较后者稳定的，说明电子膨胀阀的节流特性是优于毛细管的。1.在标准温度压力和最大运行工况下，电子膨胀阀热泵系统的吸气过热度、排气过热度和排气温度均小于毛细管热泵系统，且前者的吸气过热度和排气过热度比后者更稳定，表明电子膨胀阀的节流特性优于毛细管。

2.在标准温度和压力条件下，与毛细管热泵系统相比，电子膨胀阀热泵系统具有较高的COP值，表明该系统充分利用了蒸发器的换热面积。

3.在最小运行工况下，毛细管热泵系统的压缩机存在液体压缩的可能性，这主要是由于毛细管的节流控制能力弱造成的；相反，电子膨胀阀热泵系统的吸气过热度和排气过热度能保持一个相对稳定的值，说明即使在恶劣工况下也能保持良好的节流能力。