模块化多联机四通阀控制技术应用

模块化多联机四通阀控制技术应用

傅英胜,张辉,张亚国

  珠海格力电器股份有限公司    广东珠海  519000

Application of Control Technology of VRF four-way Valve

Fu Yingsheng，Zhang Hui，Zhang Yaguo

Zhuhai Gree Electric Co., Ltd.  Zhuhai  519070

摘要：四通阀是热泵空调重要的组成部件之一，热泵空调通过四通阀实现制冷与制热的转换，从而满足用户在不同季节对室内温度的要求。本文介绍四通阀结构及阀块位置确认，针对模块化多联机特点提出了检测系统高低压差控制变频压缩机频率调整系统流量控制方案，达到四通阀切换低噪音低振动、四通阀阀块达到预设位置效果。

关键字：四通阀；频率；高低压差

Abstract: Four-way valve is one of the important components of heat pump air conditioning, heat pump air conditioning through the four-way valve to achieve refrigeration and heating conversion, so as to meet the requirements of users in different seasons for indoor temperature. In this paper, the structure of four-way valve and the position confirmation of valve block are introduced. In view of the characteristics of modular multi-connection, the flow control scheme of frequency conversion compressor frequency adjustment system based on high and low pressure difference control of detection system is proposed to achieve the effect of switching four-way valve with low noise and low vibration and reaching the preset position of four-way valve block.

Key words: Four-way valve. Frequency; High and low pressure differential

1引言

四通阀是热泵空调重要的组成部件之一，热泵空调通过四通阀实现制冷与制热的转换，从而满足用户在不同季节对室内温度的要求。四通阀是压差驱动阀，依靠活塞两端的压力差推动活塞实现换向。四通阀换向压力差和系统的冷媒流量有关。模块化多联机通过数台外机可连接不同形式、不同容量的直接蒸发式室内机构的单一制冷循环系统，具有负荷变化大、换热器面积变化大，工况压力变化快特点，冷热切换时要求所有外机步调一致，控制难度大。因此四通阀控制是模块化多联机重点研究问题。

2背景

目前多联机全部使用变频压缩机，当推四通阀压缩运行频率过小换向时容易出现流量不足四通阀就会不换向或者卡在阀体中间处于串气状态，造成系统制冷制热功能失效。当四通阀压缩运行频过大换向压差大管路振动、噪音大现象。如何控制推四通阀压缩运行频率，关系到机组舒适性及运行可靠性。

3四通阀结构介绍及位置确认

3.1 四通阀结构介绍

四通阀主阀结构中除了活塞及连杆为钢铁材料外其他均铜质结构（见图1），可以利用永久磁铁吸引铁质材料为检测四通阀滑阀位置（四通阀有三种位置状态分别是制冷状态、制热状态及中间状态），当四通阀换向正常时磁铁会随之移动，换向结束后四通阀筒体一端可以吸住磁铁，详见以下分析：

图1

3.2 四通阀得电制冷位置

当四通阀滑阀在制冷位置到位时磁铁可吸在四通阀通体左边缘（E侧）见图3、图4，此时四通阀各管温度情况——D管、C管热，E管、S管冷，左右毛细管温度与阀体温度一致。

图3 图4

3.3 四通阀失电制冷位置

当四通阀制冷位置到位时磁铁可吸在四通阀通体右边缘（C侧，见图5），此时四通阀各管温度情况——D管、E管热，C管、S管冷，左右毛细管温度与阀体温度一致。

图5  图6

3.4 四通阀中间位置（串气）

由四通阀结构不难发现，当主滑阀处于中间位置状态时，如图7、图8所示，E、S、C三条接管相互通气，产生中间流量，此时，压缩机内高压管内的冷媒可以直接流回低压管。此时温差表现为D管热，E、S、C暖，左右毛细管为阀体温度。

图7  图8

4四通阀换向频率确定

四通阀换向的条件是活塞两端的压力差（f1-f2）必须大于摩擦阻力f，否则，四通阀将不会换向。换向所需的最低动作压力差是系统流量来保证的。当左右活塞的压力差（f1-f2）大于摩擦阻力f时，四通阀换向开始，当主滑阀运动到中间位置时，四通阀的E、S、C三条接管相互导通，压缩机排出的冷媒从四通阀D接管直接经D、C接管流向S接管（压缩机回气口），使压力差快速降低，形成瞬时窜气状态（中间流量状态）。此时，若压缩机的排气流量远大于四通阀的中间流量，便可以建立足够大的换向压力差而使四通阀换向到位；反过来，若压缩机的排气量小于四通阀的中间流量，则四通阀换向所需的最低动作压力差便不能建立，即f1-f2小于摩擦阻力f。

8匹机组四通阀选型型号STF-0714G，四通阀活塞直径41mm,面积S=13.2cm2，E、S、C管内径为19cm，D管内径为16cm。压缩机吸气容积为v=37.5cm3/rev，容积效率η=96%。

涡旋式压缩机的理论输气体积流量qv为：

qv=ηf v                                        

式中：η，f，v分别表示容积效率，频率，吸气容积。

制冷剂的实际质量流量q为：

q=qV/V1=λqv/V1                            

式中：qV，λ和V1分别为实际输气体积流量、 输气系数和吸气比容。

则四通阀推动力必须满足条件： f1-f2≥S×ΔP                   

四通阀在中间流量状态时实测压力数值： ΔP=PD- PS                       

式中：PD，PS为四通阀D管和S管的测得压力。

通过实验方法测四通阀摩擦力f

在室内外外温度为25℃干球温度下，在四通阀处于中间状态时逐渐升高压缩机的频率，提高系统流量。在压缩机频率50Hz历时10s左右，四通阀刚好可以换向，高压低压压差突然变大。换向前PD=17.01bar，PS=16.63bar，ΔP=0.38bar，|F1-F2|=ΔP *S=50.2N

根据各种系统压力下四通阀刚好换向压差相等（摩擦力f一样），刚开机吸排气冷媒状态均按饱和状态计算，排气压力等=吸气压力+ΔP，计算出压缩机理论最小换向频率如下表：

经实验验证在各温度下最小推阀频率如下表

图1

由四通阀换向温度与频率的关系曲线，计算频率按照中间状态时四通阀摩擦力f=50.2N进行计算。从实验数据来看，四通阀实测频率比计算频率要小，但变化趋势基本一致。

由上述理论及计算可知变频热泵空调系统，不同系统压力四通阀最小换向频率不同，系统压力越低所需推阀频率越高，特别小负荷运行的时候，需要进行四通阀保障运转（最小换向频率），本项目将四通阀换向频率定为60HZ（压差足够时可提前换向），四通阀换向不成功（出现串气）时，压缩机会升频直到四通阀换向成功，后再降频与能力相适应。

5四通阀控制验证及串气保护

涉及到四通阀动作有以下两种情况：

1)首次上电时四通阀滑阀位置是不定的，压缩机必须进入四通换向频率保证滑阀推到制冷或制热位置；

2)换模式滑阀须换向，机组停机3 分钟后压缩机运行换向频率将滑阀推到另一位置，换模式包括制冷（除湿）转制热、制热转制冷（除湿）。

5.1四通阀控制分析

1)固定频率推四通阀

制热运行指令发出后，所有模块变频压机启动，直接运行至60Hz；推四通阀动作结束后，有开机要求的模块压缩机直接调整到需求频率或者根据初始化要求进行初始化。没有开机要求的模块压缩机在四通阀换向后，压缩机继续运行20S后停止。按此控制,机组压力曲线如下图

图3无能力需求外机图 4有能力需求外机

图5

实验分析：换向过程压差过大（0.6MPa），四通阀噪音很大不可接受，当开一台内机制冷转制热时四台内机同时运行60HZ容易出现低压保护。另外按此方式控制四通阀，一但出现四通阀不到位（在中间位置）串气时，压缩机按固定频率60HZ持续运行20S是到推阀动作结束四通阀不到位（见图5），直到机组出现排气保护停机.当四通阀换向不到位时，压缩机升频到75HZ可将串气的四通阀推到位。

2)根据四通阀位置进行频率控制

根据上一次实验控制思路作以下修改：

减少推阀时的压差，并增加推阀后是否到位判断，如果不到位压缩会升频直到四通阀到位并增加串气保护。当四通阀换向失败时，机组高低压无法建立压差。

当需推动四通阀动作且内机有能力需求时，所有模块变频压机启动，直接运行至60Hz；

期间（从推四通阀指令发出算起），当运行频率在[20,60]时且所有模块同时满足高压压力-低压压力≥350KPa推四通阀动作结束后，检测所有模块压差。

当高压压力-低压压力<350KPa(此时判定为四通阀换向不成功)，压缩机升频至78HZ；

当高压压力-低压压力≥350KPa（四通阀换向成功），有能力需求外机执行开机动作、没有能力的外机压缩机停止。

经实验验证在水温20℃、室内25℃工况下，无论四通阀位在什么位置，压缩机都可以将四通阀滑阀推到位，如图6所示当四通阀得电后高低压差小230KPa时压缩机会升频到78HZ将四通阀推到制热位置。

图6

5.2低负荷模式转换验证

在外机四模块并联、室内中只有一台2.2KW开记换模式时，四台外机都会开运行60HZ机组可能会出现保护问题。因此需验证机组在低负荷模式转换可靠性。

使用最终逻辑在水温10℃，室内环境温度25℃工况下来回转换模式3次,机组转模式时四通阀换向平稳噪音小，在制冷转制热蒸发温度过低时汽旁通会开启，蒸发温度在5~8℃波动，并未出现低压过低或保护故障，机组在室内低负荷下四通阀换向正常，验证通过。

6总结

本文对四通阀滑阀位置判定、四通阀换向频率及四通阀控制进行研究，不断完善四通阀控制，使四通阀控制更加合理。四通阀切换时压差不能太大，一般要求大于四通阀最低换向压差，通过切换四通阀后压差判断是否换向到位，并提高压缩机频率增加系统的冷媒流量，使四通阀滑块达到预定位置保证可靠运行。四通阀换向是否成功因素有：

1）四通阀与压缩机制冷量是否匹配；

2）四通阀本身问题包括阀体或毛细管变形、先导阀异常等；

3）系统灌注量不足（漏氟）导致系统压力过低流量不足；

4）压缩机换向频率不够导致系统流量不足等。

以上仅是一部分因素，四通阀控制是变频热泵空调系统重要研究课题，直接影响到机组的可靠性。产品开发时需要重点验证。

参考文献

[1]縢建文，程世文，冷媒流量与四通阀可靠换向关系的分析.日用电器2017（01）：46-49

[2]邓智，颜小林，方祥建，董明景．四通电磁换向阀液击损坏的预防措施分析 制冷与空调2014(8)：21-24

[3]王传华，孙思，罗伟新，卓明胜，张龙爱. 风冷冷( 热) 水机组四通阀 应用分析及实验研究.制冷 2015(9)：7-12

作者信息

第一作者：傅英胜，男，1985年8月出生；单位：珠海格力电器股份有限公司； 职务：科室副主任 职称：中级工程师 主要研究方向：多联机制冷系统及控制；通讯地址：广东省珠海市前山镇金鸡西路789号格力电器商技二部。  邮编：519070； 电话：18578273058； 电子邮箱：551760780@qq.com