Modélisation et contrôle d'un réfrigérateur cryogénique : Application à la station 800W à 4.5K du CEA Grenoble - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Modelling and control of a cryogenic refrigerator: Application to the 800W at 4.5K cryogenic station of the CEA Grenoble

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

Fanny Clavel
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 895464

Résumé

This thesis is concerned with the development of a novel control scheme on a helium refrigerator subject to high pulsed loads. Such disturbance will happen during the cooling of the superconductive magnet, used in tokamak configuration. A dynamical model of a cryogenic station, which offers a cooling capacity of 800W at 4.5K, 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 low temperature. Based on this model, a new control strategy has been developed for each of the two parts of the refrigerator: the warm compression system and the cold box. Experimental results show significant improvement with multivariable controllers as compared with the PIDs in the presence of high pulsed loads. An observer of the thermal load of the helium bath has also been developed. The model is constructed by identification using internal measures of the refrigerator. It can be used as condition monitoring tool for operators.
Cette thèse concerne le développement de nouvelles stratégies de contrôle d'un réfrigérateur cryogénique soumis à de fortes variations de charge thermique. De telles perturbations vont se rencontrer lors du refroidissement des aimants supraconducteurs des futurs réacteurs de fusion (tokamak JT-60SA par exemple). La modélisation d'un réfrigérateur de test, offrant une capacité de refroidissement de 800W à 4.5K, a été effectuée sous le logiciel Matlab/Simulink. Celle-ci est basée sur les équations théoriques de la thermodynamique, de la thermique et de l'hydraulique et prend en compte les propriétés non linéaire de l'hélium à basse température. A partir de ce modèle, une stratégie de contrôle multivariable a été proposée sur les deux parties du réfrigérateur : la station de compression et la boîte froide. Les résultats expérimentaux montrent de nettes améliorations et une plus grande stabilité du réfrigérateur en présence de charges 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. Il pourrait servir comme outil de surveillance aux opérateurs.
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Dates et versions

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

Identifiants

  • HAL Id : tel-00576608 , version 2

Citer

Fanny Clavel. Modélisation et contrôle d'un réfrigérateur cryogénique : Application à la station 800W à 4.5K du CEA Grenoble. Automatique / Robotique. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00576608v2⟩
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