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Theses Year : 2011

Modelling and control of a cryogenic refrigerator

Modélisation et contrôle d'un réfrigérateur cryogénique Application à la station 800W à 4.5K du CEA Grenoble

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Fanny Clavel
  • Function : Author
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Abstract

This thesis is concerned with the development of a novel control scheme on a heliumrefrigerator subject to high pulsed loads. Such disturbance will happen during the cooling of thesuperconductive magnet, used in tokamak configuration.A dynamical model of a cryogenic station, which offers a cooling capacity of 800W at4.5K, has been produced. The modelling is based on the theoretical equations of thermodynamics,thermal physics and hydraulics and takes into account the non linear properties of helium at lowtemperature.Based on this model, a new control strategy has been developed for each of the two parts ofthe refrigerator: the warm compression system and the cold box. Experimental results showsignificant improvement with multivariable controllers as compared with the PIDs in the presenceof high pulsed loads.An observer of the thermal load of the helium bath has also been developed. The model isconstructed by identification using internal measures of the refrigerator. It can be used as conditionmonitoring tool for operators.
Cette thèse concerne le développement de nouvelles stratégies de contrôle d’unréfrigérateur cryogénique soumis à de fortes variations de charge thermique. De telles perturbationsvont se rencontrer lors du refroidissement des aimants supraconducteurs des futurs réacteurs defusion (tokamak JT-60SA par exemple).La modélisation d’un réfrigérateur de test, offrant une capacité de refroidissement de 800Wà 4.5K, a été effectuée sous le logiciel Matlab/Simulink. Celle-ci est basée sur les équationsthéoriques de la thermodynamique, de la thermique et de l’hydraulique et prend en compte lespropriétés non linéaire de l’hélium à basse température.A partir de ce modèle, une stratégie de contrôle multivariable a été proposée sur les deuxparties du réfrigérateur : la station de compression et la boîte froide. Les résultats expérimentauxmontrent de nettes améliorations et une plus grande stabilité du réfrigérateur en présence decharges pulsées par rapport à la stratégie initiale (PI).Un observateur de la charge thermique du bain d’hélium liquide a également été développé.Le modèle utilisé est construit par identification à partir de mesures internes au réfrigérateur. Ilpourrait servir comme outil de surveillance aux opérateurs.
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Dates and versions

tel-00576608 , version 1 (14-03-2011)
tel-00576608 , version 2 (01-04-2011)
tel-00576608 , version 3 (15-07-2011)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00576608 , version 3

Cite

Fanny Clavel. Modélisation et contrôle d'un réfrigérateur cryogénique Application à la station 800W à 4.5K du CEA Grenoble. Autre. Université de Grenoble, 2011. Français. ⟨NNT : 2011GRENT025⟩. ⟨tel-00576608v3⟩
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