大金電子膨脹閥在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
電子膨脹閥作為電子控制元件，因其精度高，動作快速、準(zhǔn)確、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，并與其它智能控制方法相結(jié)合，在制冷系統(tǒng)中的運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，在制冷空調(diào)中有廣闊的應(yīng)用前景。
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隨著電子及微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)也得到了快速發(fā)展，計(jì)算及控制技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)中得以滲透，一些適用于制冷系統(tǒng)微機(jī)控制的執(zhí)行部件也得以開發(fā)，電子膨脹閥便是在這樣一個(gè)大背景下開發(fā)出來的。電子膨脹閥具有許多的優(yōu)點(diǎn)，特別是它能與其它智能控制方法相結(jié)合，具有可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，節(jié)能效果明顯。因此迅速得以推廣和發(fā)展。
對于電子膨脹閥的研究早在70年代末期日本就已經(jīng)開始對其進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)它是靠施加不同的電壓（0~12V）對雙金屬片加熱量的不同，造成雙金屬片膨脹不同而帶動閥針的升降。這種膨脹閥有較大的缺陷，后來已不大使用。除日本外其它國家在80年代也進(jìn)行了電子膨脹閥的研究和開發(fā)工作，其主要針對電磁式和電動式（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動）電子膨脹閥。電磁式膨脹閥在電磁線圈通電前，閥針處于開的位置，閥針的開度取決于線圈上施加的控制電壓，從而調(diào)節(jié)膨脹閥的流量。該閥動作響應(yīng)快，但在制冷系統(tǒng)中工作時(shí)一直需要供電。電動膨脹閥是一種以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電子膨脹閥，它通過給步進(jìn)電機(jī)施加一定邏輯關(guān)系的數(shù)字信號，使步進(jìn)電機(jī)通過螺紋驅(qū)動閥針的向前或向后運(yùn)動，從而改變閥口的流量面積來達(dá)到控制流量的目的。這種電子膨脹閥又可分為直動型和減速型兩種。直動型是步進(jìn)電機(jī)直接帶動閥針，減速型是步進(jìn)電機(jī)將動力通過減速齒輪組來推動閥針的動作。通過減速齒輪組可以產(chǎn)生較大的推力，所以目前許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電子膨脹閥都是采用的這一種驅(qū)動方式。電子膨脹閥的形式有多種，但都需要有電信號來控制，為在制冷循環(huán)中實(shí)施現(xiàn)代微機(jī)控制提供了可能。同時(shí)因系統(tǒng)、控制方法不同，每種形式的電子膨脹閥都有自己的優(yōu)勢。但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電子膨脹閥因其更適用微機(jī)控制、并有較好的穩(wěn)定性，而為更多的制冷系統(tǒng)所采用。
由于電子膨脹閥采樣速度快、精度高等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制以達(dá)到舒適、節(jié)能等控制目標(biāo)，因而在中小型制冷設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛；特別是在家用空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。因家用空調(diào)在制熱工況下室外蒸發(fā)器常常會結(jié)霜，而傳統(tǒng)的化霜是將四通閥換向，采用逆循環(huán)除霜，除霜時(shí)間約為11分鐘，室內(nèi)溫度波動較大；而電子膨脹閥在除霜期間閥口置全開的位置，并配以室內(nèi)風(fēng)機(jī)開關(guān)占空比為0.5，室外風(fēng)機(jī)全關(guān)控制，除霜時(shí)室內(nèi)溫度波動小，除霜時(shí)間減少到以前的一半，且室內(nèi)換熱器的送風(fēng)溫度也不會降得太多，從而節(jié)約了除霜能耗及提高了室內(nèi)的舒適度。
采用電子膨脹閥來控制壓縮機(jī)排氣溫度，可以防止因排氣溫度的升高對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)可省去專設(shè)的安全保護(hù)器，節(jié)約成本，提高工作效率。采用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)，停機(jī)時(shí)令膨脹閥全關(guān)，防止冷凝器的高溫液體流入蒸發(fā)器，造成再次啟動時(shí)的能量損失；而在開機(jī)前，將膨脹閥全開，使系統(tǒng)高低壓側(cè)平衡，然后開機(jī)，這樣既實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的輕載啟動，又減少了壓縮機(jī)啟、停造成的熱損失，節(jié)省電費(fèi)約6%左右。
在研究制冷系統(tǒng)的電子膨脹閥控制系統(tǒng)中，缺少控制器時(shí)電子膨脹閥的作用只能相當(dāng)于毛細(xì)管，而電子膨脹閥作為產(chǎn)品出廠時(shí)常常沒有控制器，在實(shí)際應(yīng)用中控制效果并不好。所以電子膨脹閥的流量調(diào)節(jié)特性與制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性之間的協(xié)調(diào)和耦合，需要選用合適的控制方法來協(xié)調(diào)，方能實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。
制冷空調(diào)中最常用的是傳統(tǒng)PID控制方式。常規(guī)PID控制方式的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)方式簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高。但若其三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)：比例系數(shù)Kp、微分時(shí)間常數(shù)Td、積分時(shí)間常數(shù)Ti選擇不當(dāng)，易使控制系統(tǒng)發(fā)生振蕩。文中研究了不同調(diào)節(jié)參數(shù)對制冷系統(tǒng)啟動特性的影響，其實(shí)驗(yàn)表明，若采用不合適參數(shù)，制冷機(jī)啟動后仍會處于振蕩狀態(tài)。通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，制冷系統(tǒng)是一個(gè)變量之間相互耦合、影響因素多、工況多變化的大慣性非線性系統(tǒng)。針對這些情況，各公司研究開發(fā)出許多新型的智能化控制方法來彌補(bǔ)常規(guī)PID控制的缺陷，提高變負(fù)荷情況下系統(tǒng)參數(shù)的可控性。如：日立公司提出在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化過度階段將電子膨脹閥的PID控制中斷，當(dāng)熱負(fù)荷降低時(shí)，過熱度若減小到零后根據(jù)時(shí)間以線性外推法引入一個(gè)負(fù)的假想的過熱度予以控制。開利公司提出，PID調(diào)節(jié)器不僅是蒸發(fā)器實(shí)際過熱度和目標(biāo)過熱度的函數(shù)，而且還是實(shí)際過熱度變化率的函數(shù)，電子膨脹閥開度以三者關(guān)系確定調(diào)節(jié)規(guī)律。還有若干對PID控制方法進(jìn)行修正的控制方法，比如極點(diǎn)配置PID調(diào)節(jié)、目標(biāo)函數(shù)在線優(yōu)化PID調(diào)節(jié)、模型參考自適應(yīng)模糊PID調(diào)節(jié)。隨著自動化技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，自適應(yīng)控制理論、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等已越來越多地應(yīng)用到制冷空調(diào)領(lǐng)域。
在各種新引進(jìn)的控制算法中，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論以其特有的人工智能推理邏輯吸引了越來越多的學(xué)者對其進(jìn)行了深入地研究并引入到制冷空調(diào)領(lǐng)域，成為了近期研究和應(yīng)用的一個(gè)方面。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同屬人工智能控制理論的模糊理論，就是模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)智能控制的一種理論。相對模糊理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論的引入較晚。但它在制冷空調(diào)中具有廣闊的應(yīng)用前景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模仿人腦神經(jīng)的特點(diǎn)，通過“學(xué)習(xí)”、“記憶”、“判斷”、“聯(lián)想“等進(jìn)行信息處理，能有效地提高了控制系統(tǒng)控制決策的正確性、系統(tǒng)控制的快速性、穩(wěn)定性和容錯(cuò)性，并具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自校正、自診斷功能，是目前發(fā)展較快的現(xiàn)代控制系統(tǒng)之一。
電子膨脹閥如何才能找到與被控對象特性相符合的控制方法，由于制冷空調(diào)系統(tǒng)具有復(fù)雜性、時(shí)變性和高度非線性的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的PID方法也很難達(dá)到現(xiàn)代控制品質(zhì)的要求。所以近年來，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的現(xiàn)代人工智能技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)中得到初步應(yīng)用。采用現(xiàn)代人工智能技術(shù)來研究傳統(tǒng)理論以解決的實(shí)際問題，并與作為現(xiàn)代控制元件代表的電子膨脹閥相結(jié)合，已得到較好的實(shí)際效果。而現(xiàn)在智能模糊控制技術(shù)的應(yīng)用在制冷系統(tǒng)中必然是很有發(fā)展前途。
電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)和動作：
在大金機(jī)組VRV系統(tǒng)中，將EBN型線性控制閥作為過熱度控制或過冷卻度控制的電子膨脹閥作用。在閥中，事業(yè)單相勵(lì)磁驅(qū)動脈沖馬達(dá)。接受2000PLS的信號時(shí)，將全開。齒輪的行程從全開到全閉為0。