電子膨脹閥是機電一體化產(chǎn)品，具有很多使用優(yōu)勢，同時其配套的系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，在一個完整的電子膨脹閥系統(tǒng)中，包括電子膨脹閥本體、電子控制板、內(nèi)部控制軟件和外圍溫度壓力傳感器以及相關(guān)的供電系統(tǒng)。電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，制冷量調(diào)節(jié)范圍大，控制精度高，并且易于與制冷空調(diào)設(shè)備控制結(jié)合。另外，相對于傳統(tǒng)的毛細管和機械式的熱力膨脹閥，電子膨脹閥配合良好的控制可以提高系統(tǒng)能效。在變頻系統(tǒng)中，正常工作條件下采用電子膨脹閥的變頻空調(diào)系統(tǒng)性能平均比采用毛細管的高近10%。在機房空調(diào)的應(yīng)用中，采用電子膨脹閥代替熱力膨脹閥，制冷能力和能效比得到提高。在國內(nèi)，大型電子膨脹閥的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史，由于電子膨脹閥的優(yōu)點，并且隨著電子膨脹閥成本的下降，開始有小型電子膨脹閥應(yīng)用于小型設(shè)備，在某些機型中逐步替代熱力膨脹閥。
復(fù)雜的系統(tǒng)本身帶來了較多的故障點，在實際應(yīng)用中，如果對各部件的安裝設(shè)置等沒有做到最好的匹配，將會導(dǎo)致不同的故障出現(xiàn)，并且基本上所有的問題都會在電子膨脹閥本體上得到體現(xiàn)，主要會出現(xiàn)泄漏、噪聲、卡死以及誤動作這幾個問題。
一、泄漏
泄漏是幾乎所有制冷空調(diào)配件需要面臨的共同問題，電子膨脹閥也不例外。在實際使用中，電子膨脹閥有外漏和內(nèi)漏兩種情況。電子膨脹閥的外漏主要與閥體的組裝以及材料和密封有關(guān)系，屬于質(zhì)量問題。內(nèi)漏是指在閥針關(guān)閉的情況下，通過節(jié)流口的泄漏，這在機械行業(yè)標準JB/T 10386-2002《家用和類似用途空調(diào)電子膨脹閥》中被稱為閥口泄漏量。內(nèi)漏在實際應(yīng)用中會由于不同的工作壓力和工況而出現(xiàn)，并影響制冷空調(diào)設(shè)備的運行。
1、電子膨脹閥結(jié)構(gòu)
電子膨脹閥的閥針會根據(jù)永磁步進電機的勵磁方式上下移動，改變閥針和閥體之間的間隙，即節(jié)流口的大小，從而起到節(jié)流并控制制冷劑流量的作用。電子膨脹閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，不應(yīng)有制冷劑從閥針和閥座之間通過，如果有則形成內(nèi)漏。
2、內(nèi)漏的影響
出現(xiàn)內(nèi)漏時，電子膨脹閥的前后具有較大的壓差，此時由于節(jié)流孔徑很小，節(jié)流后制冷劑的溫度非常低，會對設(shè)備產(chǎn)生損害。
對于水冷式機組，使用水冷蒸發(fā)器，節(jié)流后溫度非常低的制冷劑會導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱管凍裂、機組的泄漏；而對于風(fēng)冷式機組，使用風(fēng)冷蒸發(fā)器，將會看到很明顯的結(jié)霜現(xiàn)象，機組存在運行風(fēng)險。
3、內(nèi)漏產(chǎn)生的原因與解決方法
內(nèi)漏的產(chǎn)生主要有兩個方面的原因：過高的壓差和控制不到位。當(dāng)電子膨脹閥進出口壓差過大時，會對閥針和閥桿產(chǎn)生推力，導(dǎo)致閥針和閥體之間的縫隙變大產(chǎn)生泄漏。另外，當(dāng)電子膨脹閥反向流動時，會對閥桿產(chǎn)生一個向上的推力，使電子膨脹閥在反向使用時所承受的開閥壓力更小。
控制上，如果沒有在電子膨脹閥關(guān)閥時增加額外的過盈脈沖，就會導(dǎo)致閥針不能與閥體很好地閉合，尤其是在電子膨脹閥已經(jīng)產(chǎn)生了失步的情況下，會導(dǎo)致閥門不能很好地關(guān)嚴，從而產(chǎn)生內(nèi)漏。
要解決內(nèi)漏的問題，需要在實際使用中很好地控制電子膨脹閥的壓差，避免其超出電子膨脹閥的容忍壓差，同時要在控制邏輯上增加過盈脈沖避免閥門關(guān)閉不嚴。在整個機組的控制邏輯中，要增加防止內(nèi)漏產(chǎn)生損害的邏輯，從而避免出現(xiàn)凍壞蒸發(fā)器換熱管的現(xiàn)象。在機組的研發(fā)設(shè)計階段要根據(jù)設(shè)計工況下的壓差選擇合適的電子膨脹閥。
二、噪聲
噪聲問題在小型電子膨脹閥的使用時尤其常見，因為小型電子膨脹閥多應(yīng)用于小型設(shè)備，整機的噪聲較低，變制冷劑流量系統(tǒng)室內(nèi)側(cè)部分小于2.5kW 的設(shè)備噪聲要求值為不帶室內(nèi)風(fēng)管40dB（Ａ），帶室內(nèi)風(fēng)管42dB（Ａ）。此時如果電子膨脹閥產(chǎn)生噪聲，將會對室內(nèi)人員的工作和生活產(chǎn)生較大影響。實際使用中，電子膨脹閥的噪聲主要來自閥門過盈運動和流量共振。
1、閥門過盈運動導(dǎo)致的噪聲與解決方法
電子膨脹閥在關(guān)閉和全開時，為了避免失步導(dǎo)致閥門的位置不能確定，一般在控制邏輯上會有過盈脈沖施加給閥門，確保電子膨脹閥處于0%或者100%的狀態(tài)，然后再進行具體的開度控制，在機組初始化或電子膨脹閥初始化時，都將會有這個過程。
電子膨脹閥的轉(zhuǎn)子連接著閥桿和閥針，通過線圈勵磁，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并帶動閥桿上下移動，調(diào)節(jié)流量。為了防止閥桿轉(zhuǎn)動超出范圍，在內(nèi)部有上下限位彈簧。實際過程中，當(dāng)閥門關(guān)閉到0%，或者打開到100%后，會再施加過盈脈沖，以確保電子膨脹閥完全關(guān)閉或者完全打開。當(dāng)施加過盈脈沖時，閥桿擠壓限位彈簧使之變形，當(dāng)脈沖結(jié)束后，在彈簧力的作用下，閥桿復(fù)位，在此過程中就會產(chǎn)生“嗒嗒”的彈簧聲。
出現(xiàn)此噪聲后可以采用幾種辦法解決此問題：改變電參數(shù)，增加隔音層或者更換優(yōu)化設(shè)計的電子膨脹閥。電參數(shù)的改變是指將施加在電子膨脹閥上的過盈脈沖減少，使出現(xiàn)噪聲的時間縮短。增加電子膨脹閥部位的隔音層厚度來減少噪聲對外的傳遞。有些電子膨脹閥廠家根據(jù)這個問題對限位彈簧和閥桿進行了優(yōu)化設(shè)計，在實際運行中就只有比較小的噪聲甚至沒有噪聲出現(xiàn)。
2、共振導(dǎo)致的噪聲與解決方法
電子膨脹閥的閥桿是由上下兩個定位彈簧固定。在線圈勵磁下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動帶動閥桿的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)流量。實際使用中發(fā)現(xiàn)，在閥門將要關(guān)死的情況下，偶爾會有電子膨脹閥的振動和噪聲明顯增加的情況。
筆者曾經(jīng)接到反映電子膨脹閥出現(xiàn)異常振動和噪聲的投訴，為了再現(xiàn)客戶現(xiàn)場的情況，選擇了幾個廠家的電子膨脹閥進行測試。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子膨脹閥開度為10%～3%時，幾個廠家的閥門均會出現(xiàn)明顯的振動和噪聲。分析發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)明顯振動和噪聲時，如果調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度或出口手閥的開度，或調(diào)節(jié)氮氣進口壓力均可以改善噪聲和振動，由此可以判斷不同流量的氮氣流動會與電子膨脹閥產(chǎn)生共振。
氣流的擾動是控制閥內(nèi)產(chǎn)生振動和噪聲的根源。介質(zhì)在閥內(nèi)的節(jié)流過程也是其受摩擦、受阻力和擾動的過程，因而產(chǎn)生各種各樣的渦流。例如，介質(zhì)通過節(jié)流處或轉(zhuǎn)彎處以及分流時，都會產(chǎn)生渦流。當(dāng)渦流的激振頻率與機械元件的自振頻率耦合，或與管道內(nèi)縱向氣柱聲駐波、橫向氣柱振蕩、熱動力沖擊、氣動動力沖擊、氣動動力壓縮或其他不穩(wěn)定的流動產(chǎn)生壓力波耦合，就會產(chǎn)生共振。
在使用電子膨脹閥的過程中出現(xiàn)共振會產(chǎn)生異常振動和噪聲，并且一般共振都會出現(xiàn)在電子膨脹閥開度較小的位置。
由以上分析可以看出，為了避免此情況出現(xiàn)，在選擇電子膨脹閥時，要選擇合適的型號，使正常運轉(zhuǎn)工況下閥門的開度在70%左右是比較適宜的。在實際的電子膨脹閥控制中，盡量減少在小開度范圍內(nèi)運行。
三、失步
1、失步產(chǎn)生的原因
電子膨脹閥的驅(qū)動是由步進電機完成。步進電機是一種不使用反饋回路就能夠進行速度和位置控制的控制電機。由于其為開環(huán)控制，所以控制器在發(fā)出信號后只是根據(jù)脈沖總數(shù)計算步進電機的位置，而在實際步進電機運轉(zhuǎn)的過程中，由于電機控制速度、負荷轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子慣性等原因，會造成轉(zhuǎn)子并沒有完全轉(zhuǎn)動到控制器所給的控制脈沖預(yù)定位置，從而產(chǎn)生失步。
在電子膨脹閥運行的過程中，控制器會根據(jù)傳感器感受過熱度向電子膨脹閥發(fā)送執(zhí)行脈沖，控制電子膨脹閥動作。在電子膨脹閥啟動或停止時，會由于慣性的原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子滯后（啟動時）或者超前（停止時），進而產(chǎn)生失步。
2、失步的解決方法
失步在系統(tǒng)中發(fā)生后，不容易被立刻發(fā)現(xiàn)，因為在設(shè)備中，控制系統(tǒng)會根據(jù)系統(tǒng)的過熱度對電子膨脹閥的開度進行調(diào)節(jié)。即使發(fā)生失步，如果過熱度沒有達到要求，也會繼續(xù)對電子膨脹閥進行調(diào)節(jié)，但是隨著失步的積累就可能出現(xiàn)系統(tǒng)控制的崩潰，以至于控制器無法控制系統(tǒng)過熱度導(dǎo)致設(shè)備故障。
理論上來說，失步是施加給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩小于步進電機的負載轉(zhuǎn)矩造成的。線圈施加給轉(zhuǎn)子的電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大小主要由脈沖頻率和驅(qū)動電流決定，所以失步的解決方法主要為設(shè)計合理的控制程序提供合理的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。啟動時，使用較低的脈沖頻率從而產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩；啟動后，逐漸加速到需要的電機速度；減速時，逐漸減小脈沖頻率從而克服轉(zhuǎn)子慣性。
實際中解決失步需要設(shè)計良好的控制程序，包括設(shè)計合理的脈沖頻率和驅(qū)動電流，減小轉(zhuǎn)子步距角以及提供適當(dāng)?shù)碾娮优蛎涢y復(fù)位功能。除了脈沖頻率和驅(qū)動電流之外，步距角是步進電機一個重要參數(shù)，即每個脈沖下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，采用細分的方式減小步距角不僅可以使控制精度增加，也可以使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運行。
電子膨脹閥復(fù)位是在實際運行中防止失步積累而導(dǎo)致控制失效的有效方式，在設(shè)備每次開機初始化的過程中，電子膨脹閥都會進行全開和全閉，并通過過盈脈沖確保在開始調(diào)節(jié)之前電子膨脹閥處于控制器的有效控制之下，從而消除失步。
四、誤動作
由于故障導(dǎo)致電子膨脹閥不能按照控制器的要求正常運行到預(yù)定開度稱為誤動作，電子膨脹閥機械部分卡死和接線錯誤以及其他一些電氣故障都有可能引起閥門的誤動作。
1、電子膨脹閥卡死的原因和解決方法
電子膨脹閥的節(jié)流口非常小，極易被雜質(zhì)堵死，通常電子膨脹閥的轉(zhuǎn)子是整個淹沒在制冷劑液體中。在實際使用中，應(yīng)該注意機組安裝環(huán)境和使用環(huán)境，避免雜質(zhì)進入系統(tǒng)。在焊接時注意氮氣保護，避免銅管氧化形成氧化膜雜質(zhì)隨制冷劑在系統(tǒng)中流動，堵塞閥門。另外，需要選擇品質(zhì)良好的制冷劑，避免雜質(zhì)和其他易與潤滑油產(chǎn)生反應(yīng)的物質(zhì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成雜質(zhì)，卡死閥門。在制冷系統(tǒng)的設(shè)計上，使用電子膨脹閥的系統(tǒng)建議在入口處安裝干燥過濾器。
2、接線原因引起的誤動作和解決方法
電子膨脹閥的接線關(guān)系到電子膨脹閥的控制方式以及運行方式，所以接線故障會引起電子膨脹閥各種誤動作從而導(dǎo)致電子膨脹閥不能開啟或運行不到位等情況出現(xiàn)。通過對電子膨脹閥接線和控制的分析可以更深入地了解電子膨脹閥出現(xiàn)此類故障后的解決辦法。
3、其他電氣故障引起的誤動作和處理
電子膨脹閥是與控制器一起使用的，所以電子系統(tǒng)有可能產(chǎn)生的普通故障在這個系統(tǒng)上都有可能產(chǎn)生，比如接線松動、電源不穩(wěn)定、電磁干擾等都可能造成電子膨脹閥控制失控產(chǎn)生誤動作，實際使用中應(yīng)該對使用環(huán)境有所要求，并且在出現(xiàn)誤動作時仔細檢查電氣的各個部分。
電子膨脹閥的最終動作是通過控制器根據(jù)溫度傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)計算過熱度，然后根據(jù)邏輯計算向電子膨脹閥發(fā)出相應(yīng)的開度脈沖。實際應(yīng)用中，溫度傳感器和壓力傳感器的安裝位置和數(shù)據(jù)精度將會很大程度上影響電子膨脹閥的動作，如果出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)，將會使電子膨脹閥的動作完全失控，造成誤動作影響整個設(shè)備的控制。
