16制冷系统台架

蒸气压缩循环 + 工况输入 + 与 FOC 闭环耦合

学完应能回答

• 能在 P-h 焓压图上指认 4 状态点（吸气过热气 / 排气 / 冷凝过冷液 / 节流两相）的物理含义
• 能口算压缩比、单位功 w = h₂ − h₁、单位冷量 q_c = h₁ − h₄ 与 COP = q_c / w
• 能解释循环侧 W_comp → τ_load → Iq* 的耦合链路：为什么变工况后 FOC 的 iqRef 必须跟随
• 能从 P_s / P_d / T_d / SH 四表读数差异区分冷媒泄漏 / 冷凝堵塞 / EEV 卡死 / 不凝气
• 理解 EEV 必须基于 SH = T_suct − T_sat(P_s) 而非吸气温度做 PI，否则工况漂移触发液击
• 理解过冷度 SC 在冷凝侧的工程意义：保证节流前 100% 液态、提升单位冷量、防止 EEV 气塞
• 能说出 APF 与单点额定 COP 的差别，以及变频压缩机在部分负荷下 COP 反而更高的物理原因

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为什么要学

• 工况变化时（夏天 vs 冬天 / 高负载 vs 低负载），FOC 的 Iq 给定根本就是工况映射出来的，不是凭空设的。
• 排气温度是压缩机寿命的命门——超 110℃ 会烧 PVE 油、毁绕组绝缘。
• 客户投诉"制冷不行"几乎都是循环侧的问题（缺氟/堵塞/冷凝差），先看吸排气压力比看电流更直接。
• COP 是节能认证（一级能效 / APF）的核心指标，工况优化空间往往大于电机优化。

学习目标

• 把蒸气压缩制冷循环的 4 状态点（吸气-排气-冷凝-节流）搞清楚，会读 P-h 图。
• 会从工况（蒸发/冷凝温度、过热度、室外温度）反算压力比、容积效率、排气温度。
• 理解 COP 与电机 Iq 的耦合：循环侧需求决定电机侧 Iq 给定。
• 能识别"系统侧问题"（缺氟、堵塞）vs"电机侧问题"（控制参数、采样故障）。

核心概念

• 蒸气压缩循环是逆卡诺循环的工程实现——耗电做功，把低温处的热搬到高温处。
• 压缩比 = P_d/P_s = 饱和压力比；空调典型 3-5，冷冻可达 8+。
• 容积效率 η_v = 1 - C·((P_d/P_s)^(1/n) - 1)：余隙气在排气结束后膨胀回吸入冲程，挤占新气进入空间。
• 排气温度 T_d 由多变压缩 T_d = T_s · (P_d/P_s)^((n-1)/n) 决定；n≈1.18-1.25。
• 单位制冷量 q_c = h_1 - h_4，单位功 w = h_2 - h_1，COP = q_c/w。
• 过热度的双面性：过低（<3K）有液击风险，过高（>10K）牺牲制冷量、抬升排气温度。

公式

工程意义

• 电机调试看似在调电流环，最终决定客户体验的是"该工况下能不能稳态运行 + COP 多少"。
• 排气温度、吸排气压力是压缩机寿命指标，比电机绕组温度更早预警系统问题。
• EEV 控制和 FOC 速度环往往是同一个 MCU 跑的，懂台架才能写好系统状态机。
• APF/能效认证看的是系统级 COP 不是电机效率，工况优化空间通常更大。

STM32 移植指南

• EEV 控制：常见用 PG/Beck/Sanhua 的步进式电子膨胀阀，通过 GPIO 串行驱动，开度对应步数（0-500 步）。
• 过热度反馈：吸气管贴 NTC，对照饱和压力得到 SH = T_suct - T_sat(P_s)。EEV PI 控制目标常设 SH=5K。
• 排气保护：T_d > 105℃ 即降频，> 115℃ 直接停机。NTC 用 100kΩ B3950，ADC 通道独立。
• 高低压保护：吸气压力传感器 (0.5-4.5V → 0-2.5MPa)、排气压力传感器 (0.5-4.5V → 0-5MPa)，触发硬件比较器直停 PWM。
• 室外温度：贴在冷凝器进风侧，作为变频降频和 EEV 前馈的输入。
• 工况-频率映射：T_outdoor、T_indoor、目标 ΔT 三维插值表 → 目标转速；典型表：5kHz × 3kHz × 5kHz=75 个工作点。

常见误区

调试方法

• 手测：吸气压力 + 吸气温度 → 算 SH；排气压力 + 排气温度 → 算 SC（实际系统是 P_d 上的过冷度）。
• 快充快放观察：稳态后切大负载，看 P_d 多久稳住，电机 Iq 是否能跟上——这是 EEV/PFC/FOC 速度环带宽的综合体现。
• 冷媒泄漏诊断：相同工况下 m_dot 变小、SH 变大、COP 下降 → 缺氟。
• 冷凝堵塞诊断：相同工况下 P_d 升高、T_d 升高、COP 下降 → 冷凝器脏堵或风机失速。

建议实验

• 对比 R-32 vs R-410A：同样 T_e/T_c 下，R-32 流量小 1/3 但 COP 高 5-8%。
• 提升过热度从 5K 到 12K：制冷量降 8%，排气温度升 8℃。看哪个先到红线。
• 室外温度从 35℃ 升到 45℃：T_c 跟着升 → 压比涨 → η_v 跌 → 流量小 + 单位功大 → COP 从 3.5 跌到 2.2。
• 开启闭环耦合后改变 T_c，回到 06 号 FOC 模块看 iqRef 是否同步变化。

STM32 C 代码骨架

/* ============================================
 * 工况采集 + 压缩机变频器主循环（简化）
 * ============================================ */

typedef struct {
    float Te_C, Tc_C;          /* 由饱和压力反算 */
    float Ps_MPa, Pd_MPa;      /* 直读传感器 */
    float Tsuct_C, Tdisch_C;   /* NTC */
    float SH_K, SC_K;          /* 派生 */
    float T_outdoor_C, T_indoor_C;
    uint16_t eev_steps;        /* 0..500 */
} bench_state_t;

/* 1kHz 慢任务：工况采集与保护 */
void bench_slow_task(bench_state_t *s) {
    s->Ps_MPa = adc_to_pressure(adc_low_side_channel);
    s->Pd_MPa = adc_to_pressure(adc_high_side_channel);
    s->Tsuct_C = ntc_to_temp(adc_suction_channel);
    s->Tdisch_C = ntc_to_temp(adc_discharge_channel);

    /* 反查饱和温度（查表 / Antoine 反推） */
    s->Te_C = sat_temp_from_p(s->Ps_MPa, REFRIGERANT);
    s->Tc_C = sat_temp_from_p(s->Pd_MPa, REFRIGERANT);
    s->SH_K = s->Tsuct_C - s->Te_C;
    s->SC_K = s->Tc_C - ntc_to_temp(adc_subcool_channel);

    /* 排气温度保护 */
    if (s->Tdisch_C > 115.0f) {
        emergency_stop("DISCHARGE_OVERTEMP");
    } else if (s->Tdisch_C > 105.0f) {
        derate_rpm_target(0.85f);
    }

    /* 高压保护 */
    if (s->Pd_MPa > pd_threshold_for_outdoor(s->T_outdoor_C)) {
        derate_rpm_target(0.7f);
    }
}

/* 100Hz EEV PI 控制：过热度跟踪 */
void eev_pi_task(bench_state_t *s) {
    static float integ = 0;
    const float SH_TARGET = 5.0f;       /* 5K 过热度 */
    float err = SH_TARGET - s->SH_K;
    integ += err * 0.01f;
    integ = clampf(integ, -50, 50);
    int16_t delta_steps = (int16_t)(2.0f * err + 5.0f * integ);

    /* SH 偏低（过湿）→ 关 EEV；SH 偏高（过干）→ 开 EEV */
    s->eev_steps = clamp_u16(s->eev_steps - delta_steps, 0, 500);
    eev_drive_steps(s->eev_steps);
}

/* 工况→频率映射（三维查表） */
uint16_t lookup_target_rpm(float T_outdoor, float T_indoor, float deltaT_target) {
    /* table[T_out][T_in][dT] → rpm */
    return rpm_lookup_3d(T_outdoor, T_indoor, deltaT_target);
}

/* 主循环 */
void main_loop(void) {
    bench_state_t bench = {0};
    while (1) {
        if (slow_tick_1khz()) bench_slow_task(&bench);
        if (slow_tick_100hz()) eev_pi_task(&bench);
        uint16_t target_rpm = lookup_target_rpm(
            bench.T_outdoor_C, bench.T_indoor_C, get_user_setpoint() - bench.T_indoor_C);
        speed_loop_set_target(target_rpm);
        /* FOC 快环（10kHz）独立由 ADC 中断驱动，不在这里 */
    }
}

下一步

• 回到 06 号 FOC 总流程模块，关闭闭环切到手动 Iq，对照本台架算出的负载需求观察电机响应。
• 再去 09 号三闭环模块，测试速度环对工况突变的抗扰能力。
• 到 12 号故障与调试模块复盘"液击/堵转"等本节衍生的故障形态。

随堂题