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Quando la domanda di aria compressa di un impianto varia nel corso della giornata, il sistema di azionamento deve fare di più che semplicemente avviarsi o arrestarsi. Un compressore d'aria PMSM abbinato a un convertitore di frequenza può allineare continuamente la velocità del motore all’output richiesto dall’estremità di compressione dell’aria. Il risultato è un approccio di controllo volto a garantire una pressione più stabile, transizioni meno brusche e una corrispondenza più precisa tra l’energia elettrica assorbita e la domanda effettiva.
Dal punto di vista dell’ingegneria applicativa, la domanda utile non è se un compressore d'aria PMSM sia intrinsecamente migliore in ogni installazione. Piuttosto, è se motore, convertitore, estremità di compressione dell’aria, sensori e parametri di controllo siano adeguatamente adattati al ciclo di lavoro specifico del sito. Questo articolo spiega come funziona tale collaborazione e cosa verificare prima della messa in servizio.
Perché la regolazione continua della velocità è fondamentale nel funzionamento dell’aria compressa
Molti sistemi pneumatici non consumano lo stesso volume d'aria ogni minuto. L'utilizzo degli utensili, i turni di lavoro, le variazioni nei processi, le perdite e lo stoccaggio a valle modificano continuamente il carico. Un compressore a velocità fissa gestisce normalmente tali variazioni mediante cicli di carico-scarico, regolazione dell'ingresso o avvio-fermata. Questo approccio può essere pratico nell'applicazione corretta, ma non consente al motore di seguire in modo continuo la richiesta effettiva.
Un Compressore d'aria PMSM il variatore di frequenza modifica l'opzione di controllo. Il convertitore riceve un segnale di richiesta, solitamente derivato dalla pressione misurata nel sistema, e comanda una velocità del motore in grado di far avvicinare la portata erogata dal compressore al fabbisogno attuale. Il passaggio fondamentale consiste nel passare dall'inseguimento di una portata nominale a quella che corrisponde effettivamente al ciclo di lavoro reale.
I rispettivi compiti del motore PMSM e del convertitore di frequenza
Il motore fornisce una coppia controllata
Un motore a magneti permanenti PMSM utilizza magneti permanenti sul suo rotore invece della corrente rotorica per l’eccitazione. In un’applicazione di compressore d’aria PMSM, il motore deve generare una coppia sufficiente sull’intero intervallo di velocità previsto, rimanendo entro i propri limiti termici, di tensione e di corrente. Le sue caratteristiche possono supportare un funzionamento efficiente a carico parziale, ma il risultato effettivo dipende comunque dall’unità di compressione (air end), dalla disposizione del sistema di raffreddamento, dal profilo di carico e dalla configurazione dell’inverter.
L’informazione sulla posizione del rotore è centrale nel controllo del PMSM. A seconda della progettazione, il controllore ottiene tale posizione da un sensore oppure la stima. Questa informazione consente all’inverter di applicare opportunamente la corrente nello statore rispetto al campo magnetico del rotore, in modo da regolare la coppia anziché lasciarla determinare da un semplice punto di funzionamento alla frequenza di rete.
Il convertitore trasforma la richiesta in comandi elettrici
Il convertitore di frequenza rettifica l’alimentazione in ingresso in un collegamento in corrente continua e genera un’uscita a frequenza e tensione variabili per il motore. Con il controllo vettoriale, separa le componenti della corrente associate al flusso magnetico e alla coppia. Per un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) utilizzato in un compressore d’aria, tale controllo consente all’inverter di accelerare in modo regolare, mantenere la velocità richiesta e rispondere a un segnale di pressione variabile senza collegare direttamente ogni variazione di velocità alla frequenza di alimentazione.
È più preciso affermare che il convertitore gestisce la coppia elettromagnetica e la velocità del motore, mentre il sistema di controllo del compressore stabilisce quale velocità sia necessaria. Il convertitore non costituisce una soluzione autonoma per problemi quali tubazioni inadeguate, perdite eccessive, serbatoio di accumulo troppo piccolo o testa di compressione scelta in modo errato.
Come il ciclo di controllo della pressione genera un aggiustamento stabile
Un tipico Compressore d'aria PMSM il sistema utilizza un trasduttore di pressione nella parte pertinente della rete. Il controllore confronta la pressione misurata con un valore di riferimento o con una fascia di pressione ammessa. Quando la domanda aumenta e la pressione inizia a diminuire, il controllore incrementa la richiesta di velocità. Quando la domanda diminuisce e la pressione aumenta, riduce tale richiesta. Il convertitore di frequenza segue quindi tale richiesta entro i limiti configurati di velocità, corrente e rampa.
- Misurazione: Il controllore acquisisce campioni della pressione del sistema e può inoltre monitorare temperatura, corrente e ingressi di protezione.
- Decisione: Una routine di controllo PID o simile calcola la correzione di velocità necessaria.
- Comando: Il riferimento di velocità viene inviato al convertitore.
- Regolazione: Il convertitore controlla la coppia e la velocità del motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) del compressore d’aria.
- Verifica: Si osserva la risposta in termini di pressione e il ciclo si ripete.
Il termine proporzionale reagisce all'errore presente, il termine integrale corregge l'offset persistente e il termine derivativo può moderare la risposta a variazioni rapide, se utilizzato in modo appropriato. Parametri troppo aggressivi possono causare un comportamento oscillatorio: la velocità supera ripetutamente e sottostima continuamente il valore desiderato, mentre la pressione oscilla. Parametri troppo lenti possono consentire una variazione di pressione eccessivamente ampia. L’aggiustamento stabile a velocità variabile deriva quindi da una taratura coordinata, non semplicemente dall’installazione di un inverter.
Dove il comportamento del compressore limita il campo di controllo
Ogni pacchetto PMSM per compressori d’aria possiede un’area operativa utilizzabile. La velocità minima deve garantire lubrificazione, raffreddamento e funzionamento stabile del gruppo di compressione. La velocità massima deve rimanere entro i limiti meccanici, termici, elettrici e quelli definiti dal produttore. Anche il regolatore richiede rampe ragionevoli di accelerazione e decelerazione, per evitare di richiedere una coppia superiore ai limiti configurati del sistema motore-inverter o di generare variazioni di pressione disturbanti.
In pratica, un periodo di bassa domanda non significa necessariamente che il compressore debba funzionare indefinitamente alla velocità più bassa possibile. Se la domanda scende al di sotto della gamma di capacità stabile, il gruppo potrebbe dover scaricare o arrestarsi secondo la propria logica di controllo. Viceversa, una domanda sostenuta superiore alla capacità disponibile a velocità variabile richiede l’impiego di un altro compressore, l’uso di accumuli, una riduzione della domanda o una revisione della strategia di controllo, non un tentativo di sovraccaricare il motore.
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