Regelungstechnische Analyse von Kälteanlagen mit parallelen Verdampfern

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.