电子膨胀阀设计与应用问题研究

梁绍吉

【摘 要】随着制冷设备的发展，越来越多的高效节能空调产品面世。而作为制冷系统的四大部件之一，节流装置在制冷系统中起着非常重要的作用，通过选择应用合适的节流机构与制冷系统匹配是整个制冷设备降低能耗的重要一环。本文将对节流装置其中之一电子膨胀阀的基本结构、工作原理及控制方法进行分析。

【关键词】电子膨胀阀；制冷；节能；节流装置；控制

0.引言

电子膨胀阀作为一种新型的制冷系统控制部件，突破了传统节流机构的概念，它是制冷系统智能化系统化的重要环节和手段。空调设备在电子膨胀阀的应用方面，突破了以前在机组设计过程中存在的某种系统屈从热力膨胀阀的观念，进入膨胀阀为系统优化服务的新阶段，其应用使空调设备达到更高的控制精度及工艺要求，对于制冷行业的发展起着重要的作用。

电子膨胀阀的种类一般分为电磁式电子膨胀阀及电动式电子膨胀阀两类。本文主要对电动式电子膨胀阀进行描述和分析。

1.传统的节流装置介绍

传统的节流装置包括手动节流阀、孔板、热力膨胀阀等。手动节流阀越来越少见，几乎已经被淘汰。而孔板只在某一些设备上使用，例如满液式水冷冷水机等。热力膨胀阀广泛应用于中央空调设备上。它既可控制蒸发器供液量，又可节流饱和液态制冷剂。根据热力膨胀阀结构上的不同，分为内平衡式和外平衡式两种。外平衡式热力膨胀阀在大量使用，其工作原理是建立在感温包内工质压力、蒸发器出口压力及弹簧力平衡的基础上。但由于热力膨胀阀的感温包具有热容量、传压毛细管的压力传递以及机械动作等系列环节的时间滞后，故，其调节响应速度、精度等远比不上电子膨胀阀。

2.电子膨胀阀介绍

2.1结构

单从结构上看，电子膨胀阀主要由阀体、阀针、线圈组成。而从控制实现的角度来看，电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器 3 部分构成，通常所说的电子膨胀阀大多仅指执行器，即可控驱动装置和阀体，实际上仅有这一部分是无法完成控制功能的。电子膨胀阀控制器的核心硬件为单片机，如控制器同时要完成压缩机及风机的变频等控制功能，一般采用多机级连的形式。电子膨胀阀的传感器通常采用热电偶或热电阻。图1为电子膨胀阀外观图。

为了更清楚的了解电子膨胀阀的工作方式，我们以丹佛斯的ETS250作为解剖对象，对它的结构进行大致的分析。其实，一个电子膨胀阀包括两个主要部件：阀体和步进电机。详见图2。

1、导线；2、密封装置；3、电机罩；4、步进电机；

5、轴承；6、轴；7、衬垫；8、阀塞；9、阀座；10、阀端。

2.2电子膨胀阀特点

电子膨胀阀相对于其它节流装置，具有如下特点：

2.2.1更快的反应速度

由于电子膨胀阀过热度的计算是根据吸气压力传感器及吸气温度传感器的实测数据进行计算。因此实时过热度能更快的反应出来。

2.2.2更短的响应时间

阀体从全关到全开只需要很短的时间。例如ALCO的EX7系列（冷量330KW）5秒；丹佛斯ETS250（冷量1106KW）为25.4秒。

2.2.3更精确的调节功能

电子膨胀阀可实现对冷量从10%～100%的无级调节。

2.2.4更准确的监控功能

电子膨胀阀控制器通常都整合了诸如远程控制、故障诊断等功能。

2.3电子膨胀阀步进电机的基本工作原理介绍

电子膨胀阀的一个关键部件是带动其阀体动作的步进电机。在这里给大家简单介绍一下一般步进电机的工作原理。

步进电机通常分两种：反应式步进电机及感应式步进电机。感应式步进电机与反应式不同的是它的转子是永磁体，其效率更高，电流更小，发热更低，在运转中更平稳、噪声低、低频振动小。

步进电机按相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机。

步进电机的动作原理（以三相反应式步进电机为例）：

图3 定转子的展开图

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组（三相），其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3て、2/3て，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）。上图3是定转子的展开图。

经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。像这种我们通常称为3相6拍工作方式。感应式步进电机原理大致一样，不过要注意：由于转子为永磁体，每1对极都有南极和北极。

以丹佛斯ETS250电子膨胀阀为例，其所用的步进电机为2相2极感应式。每步转动角为7.5°（转子48个极，4的倍数），总步数为3810，阀体垂直位移为17.2mm，150步/秒。下表1为ETS250开关顺序。

3.电子膨胀阀开度控制方法的实际应用

了解步进电机工作原理后，我们现在探讨一下电子膨胀阀的开度控制方法。

电子膨胀阀的开度控制与热力膨胀阀一样，根据系统的回气过热度进行控制，只不过热力膨胀阀是通过三个压力平衡调整阀门的开度，而电子膨胀阀则通过过热度控制器来调节。我们知道：吸气过热度=吸气温度-蒸发温度。

因此所有的过热度控制器都有两种计算吸气过热度的方法：

（1）在吸气管放置一个吸气温度传感器测量吸气温度Ti，在蒸发器放置一个蒸发温度传感器测量蒸发温度Te，而吸气过热度SH=Ti-Te。这是最直接的测量方法。

（2）有时候在制冷系统蒸发器处放置温度探头不是一件容易的事，像使用板式换热器、非满液式壳管式换热器的空调机组。另外一种办法就是在吸气管放置一个吸气温度传感器测量吸气温度Ti，在吸气管安装一个吸气压力传感器测量低压Pi，然后根据压力与温度的对应表而查出对应的蒸发温度Te，此时过热度照样可以计算出来SH=Ti-Te。只不过蒸发温度是根据蒸发压力Pi间接计算出来。注意不同的制冷剂需要用到不同的压力与温度的对照表。

根据上述方法，计算出吸气过热度出来以后问题就解决了，我们先给控制器一个设定过热度SH0，然后算出设定值与实际值（反馈值）之间的偏差△SH，采用最基本的PID算法，在正偏差时（设定值大于实际值，过热度偏小，供液偏多）减小阀门的开度以减小对蒸发器的供液量；在负偏差时（设定值小于实际值，过热度偏大，供液不足）增大阀门的开度以增加供液量。最终的目的就是使得实际过热度符合设定过热度。本公司使用的控制器为卡乐EVD4控制器。

卡乐的EVD4驱动器属于一个通用的过热度控制器，详见图4。其可编程的特性使其可与其它品牌的电子膨胀阀兼容。例如可以驱动包括卡乐E2V系列、Sporlan SEI系列、ALCO EX系列、丹佛斯ETS系列等常规用到的电子膨胀阀，应用的冷媒种类也非常广泛。

4.结束语

电子膨胀阀在过热度控制、流量调节均优于传统的节流机构，而且反应速度更快、调节范围更广，以及可以按要求整合例如远程控制、故障诊断等新功能，在空调系统节能效果方面更加显著，有广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]韩宝琦，李树林.制冷空调原理及应用，1998.