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Cuando la demanda de aire comprimido en una planta varía a lo largo del día, el sistema de accionamiento debe hacer más que simplemente arrancar o detenerse. Un compresor de aire PMSM acoplado a un convertidor de frecuencia puede alinear continuamente la velocidad del motor con la producción requerida por el extremo de aire. El resultado es un enfoque de control orientado a una presión más estable, menos transiciones bruscas y una correspondencia más precisa entre la entrada eléctrica y la demanda real.
Desde el punto de vista de la ingeniería de aplicaciones, la pregunta útil no es si un compresor de aire PMSM es intrínsecamente superior en todas las instalaciones. La verdadera cuestión es si el motor, el convertidor, el extremo de aire, los sensores y los ajustes de control están adaptados al ciclo de trabajo específico del sitio. Este artículo explica cómo funciona dicha cooperación y qué se debe verificar antes de la puesta en marcha.
Por qué la velocidad variable importa en la operación con aire comprimido
Muchos sistemas de aire no consumen el mismo volumen de aire cada minuto. El uso de herramientas, los turnos de trabajo, los cambios en los procesos, las fugas y el almacenamiento aguas abajo modifican la carga. Un compresor de velocidad fija suele gestionar esos cambios mediante ciclos de carga-descarga, control de admisión o arranque-parada. Eso puede ser práctico en la aplicación adecuada, pero no permite que la velocidad del motor siga continuamente la demanda.
Un Compresor de aire PMSM el variador cambia la opción de control. El convertidor recibe una señal de demanda, normalmente derivada de la presión medida en el sistema, y ordena una velocidad de motor capaz de ajustar el caudal suministrado por el compresor a la necesidad actual. El cambio clave consiste en dejar de perseguir una salida nominal y pasar a adaptarse al ciclo de trabajo real.
Las funciones respectivas del motor de imanes permanentes (PMSM) y el convertidor de frecuencia
El motor proporciona un par controlado
Un motor de imanes permanentes (PMSM) utiliza imanes permanentes en su rotor en lugar de corriente de rotor para la excitación. En una aplicación de compresor de aire PMSM, el motor debe generar suficiente par en todo el rango de velocidades previsto, manteniéndose dentro de sus límites térmicos, de voltaje y de corriente. Sus características pueden favorecer una operación eficiente a carga parcial, pero el resultado real sigue dependiendo del cabezal de aire, la disposición de refrigeración, el perfil de carga y la configuración del variador.
La información sobre la posición del rotor es fundamental para el control del PMSM. Según el diseño, el controlador obtiene dicha posición mediante un sensor o la estima. Esa información permite al variador aplicar la corriente del estátor de forma adecuada respecto al campo magnético del rotor, de modo que el par pueda regularse, en lugar de quedar limitado a un punto de operación de frecuencia de red simple.
El convertidor transforma la demanda en órdenes eléctricas
El convertidor de frecuencia rectifica la alimentación entrante a un enlace de corriente continua (CC) y sintetiza una salida de frecuencia y voltaje variables para el motor. Con control vectorial, separa los componentes de corriente asociados al flujo magnético y al par. Para un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) de compresor de aire, dicho control permite que el variador acelere suavemente, mantenga una velocidad solicitada y responda a una señal de presión variable sin vincular directamente cada cambio de velocidad a la frecuencia de la red.
Es más preciso afirmar que el convertidor gestiona el par electromagnético y la velocidad del motor, mientras que el sistema de control del compresor determina qué velocidad se requiere. El convertidor no constituye una solución independiente para problemas como tuberías inadecuadas, fugas excesivas, un depósito receptor de tamaño insuficiente o una selección incorrecta del elemento compresor.
Cómo el bucle de control de presión genera un ajuste estable
Un tipo típico Compresor de aire PMSM el sistema utiliza un transductor de presión en la parte correspondiente de la red. El controlador compara la presión medida con un valor de consigna o con una banda de presión permitida. Cuando la demanda aumenta y la presión comienza a disminuir, el controlador incrementa la consigna de velocidad. Cuando la demanda disminuye y la presión aumenta, reduce dicha consigna. El convertidor de frecuencia luego sigue esa consigna dentro de los límites configurados de velocidad, corriente y rampa.
- Medir: El controlador muestrea la presión del sistema y también puede supervisar la temperatura, la corriente y las entradas de protección.
- Decidir: Una rutina de control PID o similar calcula cuánta corrección de velocidad es necesaria.
- Ordenar: La consigna de velocidad se envía al convertidor.
- Regular: El convertidor controla el par y la velocidad del motor PMSM del compresor de aire.
- Verificar: Se observa la respuesta de presión y el bucle se repite.
El término proporcional reacciona al error presente, el término integral aborda el desplazamiento persistente y el término derivativo puede moderar la respuesta ante cambios rápidos cuando se utiliza adecuadamente. Una configuración demasiado agresiva puede provocar oscilaciones: la velocidad supera y cae repetidamente por encima y por debajo del valor deseado mientras la presión fluctúa. Una configuración demasiado lenta puede permitir una variación innecesariamente amplia de la presión. Por lo tanto, un ajuste estable de velocidad variable se logra mediante una sintonización coordinada, no simplemente instalando un inversor.
Donde el comportamiento del compresor limita el rango de control
Cada paquete PMSM para compresores de aire tiene una envolvente operativa utilizable. La velocidad mínima debe garantizar la lubricación, la refrigeración y un funcionamiento estable del elemento de compresión. La velocidad máxima debe permanecer dentro de los límites mecánicos, térmicos, eléctricos y los definidos por el fabricante. El controlador también requiere rampas razonables de aceleración y desaceleración para no exigir un par más allá de los límites configurados del sistema motor-variador ni generar cambios bruscos de presión.
En la práctica, un período de baja demanda no implica necesariamente que el compresor deba funcionar indefinidamente a la velocidad más baja posible. Si la demanda cae por debajo del rango de capacidad estable, es posible que el equipo deba descargar o detenerse según su lógica de control. Por el contrario, una demanda sostenida superior a la capacidad disponible en velocidad variable requiere otro compresor, almacenamiento, reducción de la demanda o una estrategia de control revisada, y no un intento de sobrecargar el motor.
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