At c3controls, we are all about electrical control systems. We design and manufacture essential control components. From circuit breakers, relays, cam switches, pilot devices, and motor controls, we aim to safeguard valuable electrical installations.
Introducción
La producción industrial de compresores de aire y gas en los Estados Unidos tiene un valor de aproximadamente $ 12 mil millones en 2019. El 90% de toda la producción industrial y procesamiento utilizan al menos un compresor en sus procesos industriales.
Los compresores son herramientas eléctricas robustas vitales para varias industrias. Son populares en la industria petrolera, plantas de procesamiento químico, industria farmacéutica e industrias pesadas.
Este artículo explica los usos, el funcionamiento y la necesidad de los sistemas de control para compresores industriales.
Pero primero, es importante comprender los compresores antes de adentrarnos a sus controles.
Entender los compresores
Los compresores extraen gas a baja presión del almacenamiento auxiliar como entrada sin procesar (raw imput). Luego, producen gas a alta presión para almacenamiento o para alimentar otros procesos. Un sistema de compresor se compone fundamentalmente de tres componentes principales.
Estos son la unidad del compresor, el sistema de control y el controlador.
El controlador proporciona energía mecánica al compresor. En la mayoría de los compresores modernos, el controlador suele ser un motor eléctrico de corriente alterna.
Algunos compresores pueden tener un controlador de motor de combustión interna. Algunos incluso son impulsados por turbinas de gas y vapor.
La elección del conductor depende de los requisitos de potencia y torsión mecánica. También se considerarán los ajustes y tolerancias de la unidad compresora.
La unidad compresora consta de tres partes. El primero es un mecanismo de compresión encerrado en una carcasa metálica hermética. Luego está la tubería de entrada y salida, y los sistemas de enfriamiento y lubricación.
La mayoría de los compresores utilizan agua como refrigerante, pero para temperaturas de funcionamiento muy bajas, utilizan mejores fluidos refrigerantes.
El sistema de lubricación cubre las superficies de contacto de las piezas móviles con aceite. Esto reduce el desgaste y el sobrecalentamiento. El sistema funciona de manera similar al sistema de aceite de un motor. Bombea, filtra, enfría y recircula el aceite dentro de la máquina
Tipos de compresores
Existen dos tipos de compresores; los compresores de desplazamiento positivo y los compresores rotodinámicos o mayormente conocidos como centrífugos. La siguiente imagen muestra los diferentes tipos de compresores que comprenden estas dos categorías principales.
Los compresores rotodinámicos logran la compresión al impartir impulso a las partículas de aire. Luego, la energía cinética se convierte en presión. Este tipo de compresor es popular en las industrias debido a su pequeño tamaño y bajas vibraciones. Estos sistemas se dividen en compresores centrífugos y axiales.
Los compresores de desplazamiento positivo son compresores rotativos o de pistón. Comprimen el aire reduciendo mecánicamente su volumen. Solo funcionan con una cantidad fija de flujo de aire, pero son capaces de alcanzar una amplia gama de valores de presión.
Ambos tipos de compresores suelen ser intercambiables en la mayoría de las aplicaciones industriales. Puede ser preferible un tipo u otro según el que mejor se adecúe a las necesidades de la industria.
Usos de sistemas de control para compresores
Los sistemas de control son vitales para mantener el funcionamiento estable de un compresor. Su propósito es garantizar un trabajo seguro tanto para el compresor como para sus operadores. Los sistemas de control mejoran la eficiencia y durabilidad de los equipos.
El sistema de control está compuesto por una colección de sensores y componentes eléctricos. Todos los controles se pueden controlar desde una terminal central. Las innovaciones en tecnología de sensores y microprocesadores han aumentado la funcionalidad y versatilidad de los controladores.
Los compresores grandes y críticos suelen tener sistemas de control más computarizados. Dichos controladores pueden realizar varias funciones automáticas.
Independientemente de la tecnología utilizada en los sistemas de control de compresores, podemos desglosar sus usos en una lista de siete operaciones esenciales.
1. Proceso de arranque y parada (start/stop)
El control de arranque y parada de un compresor industrial debe seguir una serie de pasos cuidadosos. Esto asegura que el compresor se enciende y se detiene de forma segura.
Durante el arranque, el operador realiza previamente controles y verificaciones, como por ejemplo, verificación de válvulas, verificaciones auxiliares y purga si fuera necesario. El operador debe asegurarse de que los estabilizadores del compresor, como los sistemas de lubricante y refrigerante, estén en verde.
Los sensores informan sobre el estado del compresor y todos los equipos auxiliares.
El compresor arranca a baja velocidad para calentarse mientras es cuidadosamente supervisado. Gradualmente, la velocidad aumenta hasta alcanzar la rampa de velocidad, que es el umbral de velocidad más bajo que se requiere para una mínima compresión. Finalmente, el compresor alcanza la velocidad máxima y su rendimiento máximo.
El cierre implica un mismo proceso. El compresor se ralentiza gradualmente mientras su suministro de entrada se restringe lentamente. Después de una desaceleración continua, el suministro de entrada se corta por completo. Finalmente, el compresor se detiene por completo.
Durante estos dos procesos, los controles del compresor varían la velocidad del compresor. Esto es para garantizar arranques y apagados seguros y exitosos. Los sistemas de control inteligente pueden realizar estas tareas automáticamente o requiriendo poca intervención humana.
2. información del sistema
Es sumamente útil la información en tiempo real que proveen los sensores para determinar el estado del compresor. Por ejemplo, los niveles bajos de aceite pueden indicar una fuga de aceite. Las altas temperaturas pueden indicar piezas gastadas o lubricación insuficiente.
Los sensores esenciales incluyen:
Los sistemas de sensores en los componentes auxiliares son partes del sistema de control para compresores. Controlan las variables ambientales fuera del compresor. Esta información es fundamental para el funcionamiento del compresor.
Cada compresor está clasificado para condiciones de trabajo específicas. Las desviaciones de ciertas variables fuera del nivel óptimo pueden reducir la eficiencia del compresor. Las máquinas ineficientes se desgastan más rápido y consumen más energía.
Por eso el seguimiento y la presentación de informes son importantes.
Los datos recopilados pueden ayudar a observar la tasa de desgaste de las piezas del compresor. A partir de ahí, se pueden preparar los procedimientos y programas de mantenimiento.
Los sistemas de control avanzado mantienen grandes volúmenes de registro de datos. Con el tiempo, los datos se presentan como gráficos o tabulados en forma de cuadros y o tablas.
3. Control de motores
La mayoría de los compresores utilizan motores eléctricos como fuerza motriz. Son eficientes, limpios y entregan mayor cantidad de torque. Sin embargo, los motores eléctricos necesitan controles de motor. Estos ayudan a proteger el motor y a manipular sus variables operativas de forma eficaz.
Los controles del motor normalmente son operados por dispositivos piloto. Se trata de una gama de dispositivos como interruptores e indicadores. Básicamente, proporcionan el control del motor al operador.
Muchos de los dispositivos de control de motores incluyen:
a. Dispositivos piloto
Los dispositivos piloto se utilizan principalmente en aplicaciones comerciales o industriales donde requiere una interfaz hombre-máquina. Estos comprenden varios tipos de interruptores selectores, botones pulsadores, luces indicadoras, balizas de señalización e interruptores de palanca (toggle). Según sus diseños, los dispositivos piloto se pueden distinguir en dos tipos: dispositivos de señalización y dispositivos de operación. Y algunos dispositivos proporcionan tanto señalización como operación (por ejemplo: pulsadores luminosos).
Usados como parte de un sistema de control, un proceso automatizado o un panel de control, estos dispositivos brindan información sobre el estado y monitoreo de diferentes tipos de procesos, maquinaria y equipo.
Tipos de dispositivos piloto
Pulsadores eléctricos (botón pulsador) - este tipo de dispositivo de control se utiliza para cerrar y abrir manualmente un circuito. Existe una gran variedad de diseños operativos, como cabeza extraplano, extendida o en forma de hongo, con o sin iluminación. Estos dispositivos están disponibles con contactos normalmente cerrados, normalmente abiertos o de combinación.
a.Luces piloto: como sugiere el nombre, estos dispositivos proporcionan la señalización visual sobre el estado operativo de un circuito. Se utilizan principalmente para indicar encendido / apagado, cambios en los equipos y señalización de alarmas.
b. Disyuntores miniatura
Los disyuntores protegen a las personas, equipos y circuitos eléctricos del peligro de daño por sobrecargas, sobretensiones o cortocircuitos repentinos.
Los disyuntores en miniatura (MCB) se utilizan para manejar corriente por debajo de 100 amperios. Son los favoritos para aplicaciones que no tienen corrientes elevadas. Hay dos tipos de disyuntores comúnmente llamados MCB, UL489 y UL1077.
Son generalmente usados como parte de un sistema de control, un proceso automatizado o un panel de control, estos dispositivos brindan información sobre el estado y el monitoreo de diferentes tipos de procesos, maquinaria y equipamiento.
Disyuntores UL 489: los disyuntores UL 489 están "diseñados para su instalación en una caja eléctrica como parte de otros dispositivos, panel de servicio principal y paneles de control". Son requeridas regularmente en los diseños de paneles, según el Código Eléctrico Nacional.
Protectores suplementarios UL 1077: UL 1077 define los protectores suplementarios como dispositivos destinados a ser utilizados como protección contra sobrecorriente, sobrevoltaje o bajo voltaje dentro de un aparato u otro equipo eléctrico donde ya se proporciona o no se requiere protección contra sobrevoltaje de circuito derivado.
Nota importante: Si bien el término disyuntor se utiliza para describir los dispositivos UL 489 y UL 1077, UL no considera disyuntores a los dispositivos UL 1077. Se los define como protectores suplementarios.
C. Arrancadores de motor
Los controles manuales del motor tienen un botón de arranque conectado al panel de energía. Arrancar y apagar el motor es cuestión de operar un interruptor en el arrancador o hacerlo funcionar de forma remota.
Los motores grandes necesitan controladores de arranque / parada más sofisticados. Estos controladores regulan principalmente la alimentación de energía eléctrica al motor desde la red o del suministro eléctrico.
Un arrancador de motor muestra el montaje de un contactor y un relé de sobrecarga. Los controles adicionales, como los transformadores, pueden variar las características de la forma de onda de CA que ingresa al motor en términos de frecuencia, amplitud y voltaje para garantizar un arranque y apagado seguros.
Un relé es un interruptor controlado que funciona respondiendo a una señal externa. Se utiliza principalmente para controlar circuitos de alta potencia.
Tanto los relés como los contactores son componentes de conmutación electromagnéticos. Los contactores generalmente operan a un voltaje de control más alto y tienen una protección contra sobrecargas.
A continuación se muestra un diagrama de control básico del compresor.
d. Controladores de velocidad y accionamiento de velocidad variable
Los controladores de velocidad y accionamiento de velocidad variable permiten al operador ajustar la dirección de la transmisión y su velocidad. El controlador se compone de una serie de controladores de velocidad, convertidores de potencia y reguladores.
Muchos motores industriales utilizan un variador de frecuencia (VFD) para controlar la velocidad. Un VFD varía la frecuencia del voltaje de entrada de CA suministrado a un motor trifásico. Dado que la velocidad de un motor está controlada por la frecuencia del voltaje de suministro, aumentar o disminuir la frecuencia cambia la velocidad y el par del motor. Un VFD funciona convirtiendo CA trifásica en CC y luego en energía CA simulada. Los VFD se utilizan no solo porque pueden ahorrar el desgaste de un motor, sino también por su eficiencia energética. Sin embargo, son mucho más costosos que la solución de arranque de motor simple que se muestra arriba.
e. Controladores inteligentes
Se utilizan dispositivos inteligentes para monitorear y ajustar la potencia de salida del motor. Varían automáticamente las variables de par y velocidad para adaptarse a la carga del motor. Esto da como resultado un consumo de energía eficiente, bajo nivel de ruido, baja vibración y menos calor irradiado.
Estos controles utilizan controladores lógicos programables (PLC) o más comúnmente llamado autómata programable para automatizar sus procesos. La interfaz hombre-máquina (HMI) conecta el motor y los dispositivos de control al operador.
HMI es una interfaz de computadora industrial. Permite la interacción entre el operador y el motor a través de controles de motor inteligentes. La transmisión determina cuánta potencia entra en el compresor y qué tan rápido giran los componentes del compresor. La mayoría de los compresores tienen un rango de velocidad variable. Dentro de ese rango, el compresor puede lograr una compresión óptima.
En tal caso, la velocidad de la transmisión puede usarse para variar la presión o la salida de gas. En el compresor rotativo de desplazamiento positivo, la velocidad de rotación del eje de entrada es directamente proporcional al desplazamiento del compresor.
Lo que esto significa es que al variar la velocidad del controlador, varía la salida del compresor. Esto es útil en aplicaciones donde la salida del compresor necesita cambiar con frecuencia.
Sin embargo, la eficiencia del compresor disminuye con una disminución en la velocidad de transmisión. La variación de la velocidad del variador debe complementarse con el cambio de otras variables. Esto mantiene las operaciones dentro de una eficiencia razonable.
Los controles del compresor son capaces de ajustar la salida del controlador. También ajustan otras variables para garantizar que el motor no se sobrecargue ni se recaliente. Los controles del motor equilibran las salidas de par, potencia y velocidad del motor para mantener un funcionamiento eficiente.
4. Mantener estable el funcionamiento del compresor
La estabilidad de los compresores significa que el funcionamiento de RPM debe ser óptimo, con entrada de gas óptima y una salida constante. Los controles del compresor tienen que lidiar con dos condiciones comunes no deseadas: estrangulamiento y sobrevoltaje. Estas condiciones hacen que un compresor sea inestable.
Sobretensión
La sobretensión ocurre cuando el suministro de entrada de gas cae por debajo de la capacidad óptima. Cuando esto sucede, el motor de accionamiento se sobrecarga. Esto se debe a que el compresor intenta atraer más gas y empujar la salida al mismo tiempo.
El resultado son fluctuaciones en la salida, uso irregular de energía por parte del motor y aumento de la vibración y el ruido. La mayoría de los compresores están configurados para descargar automáticamente si la capacidad de entrada cae por debajo del 40%.
A veces, no es posible ajustar la velocidad del conductor para que coincida con la ingesta de gas reducida. Los controles de sobretensión deben estabilizar el compresor. La mayoría de los compresores tienen un sistema de control de sobretensiones. Esta es una ruta de gas controlada por una válvula automática que conecta el sistema de entrada al sistema de salida.
Para evitar un aumento repentino, una vez que se nota una caída en el suministro de gas, se abre la válvula que une la tubería de salida con la tubería de entrada. Parte del gas de salida alimenta la tubería de entrada para aumentar el volumen de gas en la entrada. Una vez que la fuente de gas original restablece el suministro regular de gas, la válvula se cierra. Se reanuda el funcionamiento normal.
Este sistema controlado de inversión de flujo resuelve el problema de la sobretensión. Pero también reduce el rendimiento general del compresor.
5. Control the Desired Values of Various Process Variables
Estrangulamiento
El proceso del estrangulamiento es opuesto al de la sobretensión. Es causado por un caudal muy alto en la entrada de un compresor que opera a baja presión de descarga.
El estrangulamiento reduce drásticamente el rendimiento del compresor. El compresor no puede suministrar una presión y un flujo óptimos en la salida.
Los controles de estrangulación restringen automáticamente el sistema de entrada al cerrar parcialmente la válvula de entrada. El gas que ingresa a la entrada ya puede estar bajo presión o acelerado. En tal caso, los controles de estrangulación pueden optar por volcar el exceso de gas en un almacenamiento intermedio de baja presión para desviar el gas de la entrada.
5. Controlar los valores deseados de varios procesos variables
El sistema de control del compresor es responsable de mantener los requisitos del compresor. Para el operador, es solo cuestión de accionar interruptores o interactuar con una HMI en el panel de control, pero se necesita mucho más para ejecutar y adherirse a esos comandos.
Es fundamental que el compresor produzca la salida esperada. Es trabajo del controlador garantizar que este sea el caso en todo momento.
Además de ajustar la velocidad de transmisión para controlar el caudal y el desplazamiento de un compresor, el sistema de control también puede modular la válvula de entrada para lograr los mismos resultados. La modulación de la válvula de entrada regula la entrada de gas para mantener la presión dentro de un nivel designado.
Reducir la capacidad del gas entrante reduce la presión y la cantidad de gas en la salida. Sin embargo, cortar el suministro de entrada a toda velocidad hace que el compresor genere vacío en la entrada. Esto puede causar sobrecarga y sobrecalentamiento del motor.
Los controles de modulación evitan que esto suceda ajustando los controles del motor. Esto coincide con la reducción de entrada.
La mayoría de los compresores funcionan con carga parcial. Esto significa que el desplazamiento se puede ajustar sin activar los controles del conductor.
6. Alertas y alarmas
Los controles del compresor vienen equipados con sistemas de alarma para alertar y advertir a los operadores cuando algo funcional mal.
Las alarmas comunes incluyen alertas de fugas, sobrecalentamiento, presión de aceite y fallas de componentes vitales. Estas alarmas pueden ser luces visuales en el panel de control o acompañadas de pitidos. Alertan a los operadores o al equipo técnico de los peligros que requieren una acción inmediata.
Estas alertas son particularmente útiles cuando el gas que se comprime tiene propiedades físicas o químicas peligrosas, como ser corrosivo, inflamable o tóxico.
7. Apagado automático durante condiciones inseguras
La mayoría de los componentes dentro de los compresores tienen tolerancias de falla muy bajas. Los sensores monitorean el estado de los componentes críticos. Pueden tomar medidas preventivas drásticas para evitar daños ante posibles fallas.
Los sistemas de control del compresor pueden iniciar un apagado automático. Esto sucede después de una falla catastrófica de componentes esenciales o en condiciones de trabajo inseguras. Las condiciones peligrosas incluyen sobretensión y estrangulamiento incontrolable o sobrecarga de los sistemas eléctricos.
Controles de compresor múltiple
En industrias que necesitan más de un compresor, los controles se enlazan para formar controles de red. Un compresor asume el papel de maestro mientras que los demás se convierten en subordinados. Todos los compresores se controlan desde un sistema de control maestro.
Los controles en red sofisticados comparten datos y comandos de tendencia. Todos los dispositivos se controlan a través de una unidad central de procesamiento. Esto mantiene el rendimiento deseado y las variables de salida.
Usos del control de compresor
Los sistemas de control del compresor son vitales para manipular las variables del compresor. Son clave para mantener el compresor en óptimas condiciones de funcionamiento. Su propósito se centra principalmente en la seguridad y eficiencia del desempeño.
Hay varios tipos diferentes de compresores. Todos vienen en diferentes modelos, tamaños y clasificaciones de rendimiento. Sin embargo, ninguno está completo sin un sistema de control confiable.
En c3controls, nos centramos en los sistemas de control eléctrico. Diseñamos y fabricamos componentes de control esenciales. Algunos de nuestros productos incluyen disyuntores, relés, interruptores de leva, dispositivo piloto y controles de motor. Nuestro objetivo es salvaguardar valiosas instalaciones eléctricas.
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