电子膨胀阀过热稳定性分析

电子膨胀阀过热稳定性分析

1积分环节的应用在我国制冷系统的实际控制研究中，过度热控制是一个重要因素。相应的开口元件的开发一直是制冷系统控制研究的重点。陈芝久在分析蒸发器过热度稳定性方面,提出了较高的蒸发器过热度会使蒸发器换热面积利用率下降,因为两相区的换热系数是过热区换热系数的5倍。小官敬雄得出电子膨胀阀可以通过软件灵活地调节开度,使蒸发器过热度处在较小的值上,这样蒸发器的换热面积得到较高的利用率,提高了系统的能效比。孙文哲研究指出,在控制中,通过加入积分环节,大大地降低了过热度的最大超调量;在反应速度方面,热力膨胀阀较快;电磁阀型膨胀阀比步进电机和电加热型膨胀阀容易波动,稳定性下降。陈佑华等研究得出电子膨胀阀比热力膨胀阀更适合应用在制冷系统的控制中;连续性膨胀阀比离散型膨胀阀具有波动性小,稳定性好的特征;积分环节的加入改善了过热度的控制品质。Dhar研究得出了增益值可能影响制冷系统的稳定,造成热力膨胀阀不停地改变开度大小来追随过热度,从而产生振荡。Hueller提出了热力膨胀阀的最小稳态过热度曲线(MMS)。在电子膨胀阀稳定性方面,只是照搬了一些热力膨胀阀的经验,其实还有很多问题值得深入研究。因此在家用变频空调的基础上建立制冷系统控制试验台,研究电子膨胀阀是否也存在最小稳态过热度曲线,冷启动时过热度的变化特性,并在动态响应特性试验的基础上制定理想的控制策略。2制冷系统试验台以一台家用变频空调为基础,搭建了家用空调制冷系统试验台,如图1所示。该空调功率为1.1kW;制冷剂为R410A。由压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀等组成。3在最小洛度试验中3.1蒸发器负荷与过热力之间的关系最小稳定信号线理论主要是探讨蒸发器过热度与负荷之间的关系,但是在实际应用中,由于外在因数的限制,不易测量出蒸发器的负荷。因此,蒸发器的负荷就不能作为输入量来设置目标过热度。所以就需要把蒸发器负荷和过热度之间的最小稳定过热度曲线转化为蒸发压力和过热度之间的关系。由于蒸发压力测量较蒸发温度测量成本更高,并且蒸发压力和蒸发温度存在对应关系,故可以把蒸发压力和过热度之间的最小稳定过热度曲线转化为蒸发温度和过热度之间的关系。试验中,在各个蒸发温度下测出当前的最小稳态过热度值。3.2过热力的合成将加热器设定在一个较大的功率上,蒸发器过热度能稳定地保持在4℃。然后,减小加热器功率。此时,单片机处于手动工作模式,电子膨胀阀的开度不变。蒸发器的出口温度和过热度逐渐下降。当过热度小于3℃左右,有一个突降,如图2所示。反复多次,经仔细对比分析,过热度下降前的值,可能就是最小稳定信号线上的过热度对应的值。根据上述方法,得到与系统各种蒸发器蒸发温度下对应的最小稳定过热度,并拟合成蒸发温度-过热度曲线,如图3所示。因此各最小稳定过热度可作为变负荷条件下电子膨胀阀控制回路的最优给定值。图3表明,电子膨胀阀存在最小稳态过热度曲线,并且和Hueller博士提出的热力膨胀阀的最小稳态过热度曲线(MMS)差别很小。4系统开度的确定为了在冷启动时,电子膨胀阀过热度可以得到合理有效的控制,需要了解冷启动时电子膨胀阀过热度的变化特性。使用电子膨胀阀模糊控制冷启动,模糊控制的控制参数及规则与正常运行时的参数和规则都是相同的。程序中,冷启动时,目标过热度设定为5℃。图4为模糊控制的冷启动特性。试验结果表明在冷启动前,蒸发器进出口的温度相等,冷凝压力与蒸发压力平衡。在启动的瞬间,聚集在蒸发器内部的液态制冷剂来不及完全蒸发,在蒸发器出口,制冷剂为两相状态,过热度始终保持在零过热度附近,根据模糊控制规则,使电子膨胀阀一直处在关闭状态。随着压缩机继续吸取制冷剂,而阀的开度还没来得及开大,就出现了蒸发器内制冷剂的匮乏,这个时候,过热度会迅速变大,大大超过设定值。这时,模糊控制根据规则,又会使阀的开度紧随其后地开始变大,大的开度又造成流入蒸发器内的制冷剂比压缩机吸取的制冷剂多,这时,过热度又回落,开度再一次跟随过热度变化,这样就会造成系统启动后长时间的波动,不利于稳定。根据对制冷系统启动时的特点和试验数据的分析,在系统冷启动时,电子膨胀阀的开度策略:在制冷系统压缩机启动后,电子膨胀阀处在关闭状态,持续一段时间,这样的目的是使压缩机快速地抽空因停机时集存在蒸发器内的制冷剂,这样的好处是可以减小零过热度时间,然后将阀开启到一个合适的位置,持续一段时间,当空调系统蒸发温度下降到一定值,结束启动过程控制,转移到基本的控制。5电子膨胀阀控制条件优化为了对电子膨胀阀更好的控制,要了解系统在不同的蒸发温度和过热度下的动态响应。通过对增益k、时间常数T、延迟时间τ与蒸发温度和过热度直接的关联性的研究,得出更好的电子膨胀阀控制条件,增强制冷系统过热度的稳定性。蒸发器过热度对电子膨胀阀脉冲的响应可以用一阶带延迟的传递函数近似:式中G(s)———传递函数其中,特征参数k,τ和T可以由过热度对电子膨胀阀脉冲阶跃的响应曲线求得。5.1带单独小脉冲束电子膨胀阀在蒸发温度为15℃时,制冷系统稳定运行,测量出此稳定状态时候各个参数值,并记录下来。这个时候电子膨胀阀为手动调节。系统稳定后,手动调节电子膨胀阀,使其开度减小40脉冲。在不改变其它条件下,随着时间的推移,系统会再次稳定。在稳定过程中,通过pc机,记录一系列的数据变化。5.2蒸发温度对抗混化性能的影响图5为蒸发温度13.5℃,过热度为2.5℃时候,电子膨胀阀脉冲数阶跃变化时蒸发器过热度的动态响应曲线。图6所示为一系列的时间常数与过热度的关系。从图可以看出,时间参数与过热度之间的关系为:过热度与时间常数成正比关系;时间常数与蒸发温度之间的关系为:蒸发温度与时间成反比关系。可以根据这些关系,在程序调节过程中,改变一些控制参数,例如采样控制周期和PID参数。图7所示为一系列的蒸发器增益与过热度之间的关系。从图中可以看出,蒸发器增益与过热度之间的关系:过热度与蒸发器增益成反比关系。但是在不同蒸发温度下,蒸发器增益出现了紊乱的现象。经过对一些外国文献的分析[8~13],得出:在试验过程中,冷凝温度对蒸发器的增益也有影响,所以图6的紊乱现象原因为:冷凝温度不同造成的。Outtagarts在这方面也做了大量的试验,得出的关系为:蒸发器过热度对电子膨胀阀开度变化的增益随蒸发温度的升高而减小。图8所示为一系列的延迟时间与过热度之间的关系。从对图7的分析得出:延时时间跟蒸发温度没有太大的关联性,延迟时间大概在15s到30s之间。6不同冷启动时过热力特性的试验研究综上所述,家用空调在正常运行时,过热度对开度响应的特性为:存在最小稳态过热度值,并且得出一系列的最小稳态过热度值,电子膨胀阀存在最小稳态过热度曲线,和热力膨胀阀的最小稳态过热度曲线差别不大。从冷启动试验得出,在模糊控制下,过热度的变化较大,不利于系统的稳定性,所以冷启动时,不能按照正常运行时的控制规则加以控制,需要另外制定策略。通过对电子膨胀阀最小稳态过热度曲线与冷启动时过热度变化特性曲线的分析,在不同的蒸发温度和过热度下的动态响应的基础上,得出电子膨胀阀更好的控制条件,来增强制冷系统过热度的稳定性,从而提高制冷系统的制冷性能。试验过程中,外部干扰多。通过试验数据分析出的关系,虽然有一定的规律可循,但是由于数据不多,并且数据分