Regelungstechnische Analyse von Kälteanlagen mit parallelen Verdampfern

Varchmin, Andreas

Komplexe Kälteanlagen stellen aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens hohe Anforderungen an die Regelung, insbesondere beim Betrieb mehrerer paralleler Verdampfer und unter wechselnden Umgebungsbedingungen. Die Regelung der Überhitzung hinter den Verdampfern stellt aufgrund ihrer Abhängigkeit von diversen Stell-, Regel- und Störgrößen eine besondere Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden zwei Kälteanlagen mit parallelen Verdampfern mithilfe von regelungstechnischen Verfahren analysiert, um die nichtlinearen Zusammenhänge von Parallelverdampfersystemen zu erfassen, zu charakterisieren und sinnvolle Regelkonzepte auszuwählen. Zunächst wird eine Laboranlage mit Plattenwärmeübertragern und dem Kältemittel R134a betrachtet. Als Grundlage für die Analyse wird ein physikalisches, gleichungsbasiertes Modell der Laboranlage entwickelt und anschließend umfassend statisch und dynamisch validiert. Außerdem wird ein Thermomanagementsystem eines Elektro-Fahrzeugs modelliert, das den Innenraum des Fahrzeugs klimatisieren und heizen sowie gleichzeitig die Traktionsbatterie kühlen kann. Mithilfe der regelungstechnischen Analyse werden die Nichtlinearitäten, die Kopplungen zwischen den Stell- und Regelgrößen sowie die Einflüsse von Störgrößen und der Dynamik beider Systeme quantifiziert. Ausgehend von den Analyseergebnissen werden sinnvolle Regelschemata und -konzepte ausgewählt. Es zeigt sich, dass bei Verwendung von Eingrößenreglern je nach Betriebspunkt unterschiedliche Regelschemata verwendet werden müssen. Zur Überhitzungsregelung wird ein nichtlineares dynamisches inverses Modell eines Verdampferpfads entwickelt, das als nichtlineare Streckenkompensation mit integrierter Störgrößenaufschaltung fungiert. Der sich ergebende modellbasierte Überhitzungsregler kann deutlich besser auf Störungen reagieren als ein linearer Regler und zu einer hohen Betriebsstabilität einer Anlage beitragen. Ebenso kann ein geringerer Sollwert für die Überhitzung gewählt werden. Beim Thermomanagementsystem wird so eine Effizienzsteigerung von mehr als 12% erreicht.

Control of complex refrigeration plants is a demanding task due to high nonlinear system behavior and changing ambient conditions. This is especially the case for systems with multiple parallel evaporators. Particularly the control of superheat is challenging because it is dependent from several actuating, control and disturbance variables. In this thesis two refrigeration plants with parallel evaporators are analyzed with the help of typical methods for control synthesis. The aims of the analysis are to identify and characterize nonlinearities as well as to select appropriate control concepts. In the first instance a laboratory R134a plant with plate heat exchangers is considered. The analysis is based on a physical equation-based model of the plant that is extensively validated regarding statics and dynamics. Additionally a thermal management system of an electric vehicle is modeled, that may air-condition or heat the cabin and is able to cool the traction battery simultaneously. Nonlinearities, couplings between manipulating and control variables as well as the effect of disturbance variables and dynamics are quantified with the help of the control oriented analysis. Reasonable control schemes and concepts for various parallel evaporator systems are resulting. It becomes apparent that different control schemes need to be chosen, depending on the operating point. For superheat control a nonlinear dynamic inverse model consisting of an electronic expansion valve and an evaporator is developed. This inverse model compensates nonlinearities of the controlled systems as well as disturbances. The resulting model-based superheat controller shows a clearly better reaction to disturbances than a linear controller, thus leading to a higher system stability. In addition a lower setpoint for the degree of superheating can be chosen. This leads to an improvement in efficiency of more than 12% for the thermal management system.

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Varchmin, Andreas: Regelungstechnische Analyse von Kälteanlagen mit parallelen Verdampfern. 2018.

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