自适应变容量压缩冷凝系统的控制策略研究

蔡松素，张伟，昝世超，张泽国，汪扬帆，张诚，张进

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230088）

自适应变容量压缩冷凝系统的控制策略研究

蔡松素*，张伟，昝世超，张泽国，汪扬帆，张诚，张进

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230088）

自适应变容量压缩冷凝系统能在0～100%之间平滑的调节系统的制冷剂流量，从而间接实现制冷量的无级调节，该系统在制冷产品性能试验装置及类似用途的场合中有着广阔的应用前景。针对该系统中关键点的控制策略进行研究，找到解决的方法，并在实际应用中加以验证，并对系统应用的节能优势进行分析。

自适应；压缩冷凝系统；变容量；控制策略；节能

0 引言

随着经济的发展，为了提升竞争力，制冷空调行业对产品质量的要求也逐年提高，对产品性能进行检测的试验装置也要与时俱进，进行升级换代，传统的制冷空调产品性能试验装置，通常采用固定容量的压缩机，然后用可调容量的电加热对冷量进行对冲，以期达到试验环境间的温度恒定。这种做法由于要使用电加热对压缩机的制冷量进行抵消，势必造成能量的浪费[1]。为了解决这个问题，最好的做法是能分别实现环境间所需的冷负荷和热负荷的无级调节，在环境间是冷负荷的时候只需投入电加热即可，对冷负荷的平衡只需用功率调整器驱动电加热即可解决，该方案难点是对热负荷的平衡，需要对系统的制冷量进行无级的调节。

目前国内外在变容量调节方面主要有变频调节技术，多机并联变容技术，液体制冷剂储存变容技术[2]，后两种方式由于控制精度差，不适合在制冷空调试验装置中推广，变频调节技术控制精度虽高，但其成本较高，控制较为复杂，也不利于大规模推广[3]，为此，本文开发出一种压缩冷凝系统，能实现对制冷量从零到满负荷的无级调节。该系统引入热气旁通阀、吸气冷却膨胀阀和电子膨胀阀以及其他一些辅助的阀件，通过自动控制系统来完成对电子膨胀阀和相关参数的控制，在保证系统稳定可靠运行的基础上实现系统制冷量的无级可调。

1 系统简介

该系统原理图如图1所示，在该系统中，压缩机排出的高压气体分流为两部分，一部分经冷凝器冷凝后液相节流蒸发制冷，另一部分经热气调节阀气相等焓节流至液相同一压力，而后将两股流体混合至压缩机吸气状态。关键阀件的耦合作用既能保证压缩机运行在舒适状态，又能结合对电子膨胀阀的控制完成冷量的精确无级调节。

图1 系统原理图

将该系统主要包括吸气冷却阀、热气旁通阀、电子膨胀阀和蒸发压力调节阀，以及回油电磁阀等辅助的阀件，其中吸气冷却阀和热气旁通阀是为了配合调节保证压缩机的基本吸气压力和吸气过热度，保证全负荷工况下压缩机的运行，电子膨胀阀与控制系统用于保证系统输出冷量连续可调，整个系统配上蒸发器后即可用于制冷空调产品性能试验装置，用于实现对环境温度的精确控制。

2 控制策略

2.1 压缩机全工况适应性控制策略

本系统的一项重要任务是保证压缩机在全负荷工况下都能在比较舒适的状态运行，即有正常的压比和正常的吸排气温度，这样利于延长压缩机的使用寿命。

图2是压缩机全工况适应性策略的示意图，为了保证压缩机的吸气过热度，避免压缩机液击现象的发生，系统引入吸气冷却阀，通过对该阀的调节，让系统的过热度保证在5度以上；为了保证压缩机有合适的吸气压力，引入热气旁通阀，通过对该阀的调节，使系统的吸气压力始终在合适的值。

为了拓展系统的适用范围，保证系统可以应用于常温和低温系统，针对常温系统，可以通过对阀的调节，将低压维持在（2.6～2.9）bar之间；对于低温系统，可以将低压维持在（1.1～1.4）bar之间，这样就可以保证系统无论使用在高温场合还是低温场合都能确保压缩机的运行状态比较舒适；系统使用的是不破坏臭氧层的R404A制冷剂，通过预先设定和实验验证，系统用于蒸发器侧环境间温度在（-20～0）℃和（0～55）℃的场合时，压缩机的吸气压力和过热度都比较合适，吸气过热度基本能保持在15度以上。

图2 全工况适应性策略图

2.2 电子膨胀阀控制策略

压缩机的状态除了靠上述两个关键的阀件以外，还取决于电子膨胀阀的控制，电子膨胀阀的控制还是整个系统中最关键的一个控制点，系统对环境温度控制的精度就取决于电子膨胀阀的控制。膨胀阀的控制逻辑见图3。

图3 电子膨胀阀控制策略

引入吸气冷却阀和热气旁通阀后，在这两个阀的耦合作用下，即使在蒸发器侧所需要的冷量为零，即蒸发器侧制冷剂流量为零，电子膨胀阀的开度为零的情况下，都能保证压缩机处于正常的工作状态而不保护停机。但在如下几个情况下需要单独采取措施：

1）在蒸发器侧负荷逐渐增大，制冷剂流量逐渐增大时，压缩机的过热度会逐渐减小，如果没有足够的过热度的话将会最终导致液击，给压缩机的安全运行带来隐患，这就要求对膨胀阀以过热度为目标进行实时的控制；

2）在蒸发器侧为高温工况时，系统的蒸发压力会逐渐升高，如果压力升高到一定的值后，在压缩机本身压比的基础上，冷凝压力会过高，导致系统保护停机，因此也有必要以压缩机吸气压力为目标对膨胀阀进行实时控制。

除以上两种情况外，在系统开机初始或者系统负荷突然变化的情况下也会导致系统的压力和过热度的急剧变化，这同样需要对膨胀阀采取措施。

为了完成对膨胀阀的控制，我们引入OMRON CJ2M PLC，使用CJ1W-PTS51温度输入单元完成压缩机吸气温度的采集转换，使用 CJ1W-AD081-V1模拟量输入单元完成对压缩机吸气压力的采集转换，并通过 CJ1W-DA08C模拟量输出单元实现对电子膨胀阀的开度控制。电子膨胀阀采用SPORLAN的SER和SEI系列膨胀阀，膨胀阀控制器采用SPORLAN的IB系列控制器。程序中主要处理的内容包括：R404A工质物性表的编制，储存在PLC的内存中；对温度和压力参数的采集处理；对压缩机吸气过热度的计算；对吸气过热度采用PID调节以实现过热度的实时控制；对吸气压力也采用PID按上图的控制逻辑进行控制。最终实现压缩机的安全稳定运行和环境间工况的精确调节。

图4 膨胀阀控制原理图

在硬件搭建完成后，通过对PLC和人机界面进行编程，实现对整个系统的控制。

通过实际验证，系统用于制冷空调产品性能试验装置上，用于实现对环境间温度的控制，环境工况的控制精度为±0.1℃，优于国家标准 GB/T 17758-2010和GB/T 7725-2004中关于环境温度控制精度±0.3℃[4-5]的要求。图5是环境间工况分别为55℃和-15℃的控制效果曲线。

3 节能分析

鉴于自适应变容量压缩冷凝系统应用于制冷空调产品性能实验室时，无需电加热来对冲定容压缩机的冷量，故其节能的优点显而易见。一般空气处理机组由空气处理机风机、电加热、电加湿和蒸发盘管组成，以此为例进行节能的分析。

以常用的焓差试验室为例，常规实验室采用定容压缩机匹配电加热和对环境间工况进行调节，本系统采用的是自适应的变容量系统匹配可调电加热实现工况控制。实验室规格与参数如表 1所示。不同节能工况下的节能分析如表2和表3所示。变容量机组由于其冷量输出不存在阶跃性，在能耗上显著优于定容量机组，对于后续该类型系统在制冷空调产品性能实验室上推广，这是一个很大的优势。

图5 控制效果图

表1 实验室规格与参数

表2 制冷最大运行工况下的节能性分析

表3 凝露工况下的节能性分析

由表2可知，对于制冷最大运行工况下的节能性分析为：假设定容采用50%卸载时输出冷量为该工况全负荷60%，冷输出不连续、步长大，耗能很多；变容冷量输出可以从5%至100%，可以连续按需要输出，无冷过冲，节能效果明显。

由表3可知，对于凝露工况下的节能性分析为：假设定容采用50%卸载时输出冷量为该工况全负荷60%，冷输出不连续、步长大，除湿量大耗能很多；变容冷量输出可以从5%至100%，可以连续按需要输出，冷、湿过冲小，节能效果明显。

4 结论

自适应变容量压缩冷凝机组在吸气冷却阀和热气旁通阀的耦合作用和电子膨胀阀控制系统的精确控制下，能保证压缩机适中处于舒适的运行工况下，压缩机使用寿命长。

该系统通过程序完成对电子膨胀阀的控制，从而实现对环境间温度的精确控制，控制精度高，远优于国家标准要求。

在能源日益紧张的今天和国家节能降耗的大政方针下，系统的节能优势凸显，目前该系统经研发、制作和系列化，已经推广应用近百套，日后应用前景会更加广阔。

[1]王汝金, 张秀平, 贾磊, 等. 空调压缩机变容量调节技术[J]. 低温与超导, 2011, 39(3): 58-62, 80.

[2]石文星. 变制冷剂流量空调系统特性及其策略研究[D].北京: 清华大学, 2000.

[3]林立, 裴秀英. 变容量中央空调系统调节技术的比较分析[J]. 制冷空调与电力机械, 2007, 28(5): 15-18.

[4]GB/T 17758-2010, 单元式空气调节机[S].

[5]GB/T 7725-2004, 房间空调器[S].

Study of the Control Strategy of Self-adaption Capacity-varying Compression-condensing System

CAI Song-su*, ZHANG Wei, ZAN Shi-chao, ZHANG Ze-guo, WANG Yang-fan, ZHANG cheng, ZHANG jin
(National Key Laboratory of the Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China)

The self-adaption capacity-varying compression condensing system can regulate the refrigerant mass flow rate from zero to 100% smoothly, therefore, the refrigerating capacity can vary without steps. This kind of condensing unit has a wide application prospect in the land of the performance test equipment of the refrigeration product and the similar applications. The control strategy of the key point of the system was studied, and the solution was found and verified in the practical application. The advantage in energy saving of the condensing system was also analyzed.

Self-adaption; Compression-condensing system; Capacity-varying; Control strategy; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.205

*蔡松素（1970-），女，高级工程师，学士。研究方向：制冷空调检测技术及自动化。联系地址：合肥市高新区天湖路29号，邮编：230088。联系电话：0551-65335503。E-mail：caisongsu@163.com。