Control de Capacidad

Los compresores de tornillo necesitan ajustar su producción a la demanda variable. Existen múltiples métodos de control, cada uno con ventajas y desventajas.

¿Por Qué Controlar la Capacidad?

La demanda de aire comprimido rara vez es constante:

Demanda
  100% │    ╭──╮        ╭────╮
       │   ╱    ╲      ╱      ╲
   50% │──╱      ╲────╱        ╲────
       │ ╱                          ╲
    0% └──────────────────────────────→ Tiempo
           Turno día    Turno noche

Sin control de capacidad:

• El compresor produciría 100% siempre
• Exceso de aire se desperdiciaría
• Presión del sistema fluctuaría

Carga/Descarga (Load/Unload)

El método más simple y común.

Funcionamiento

                 Presión alta          Presión baja
                 (descarga)             (carga)
                     │                     │
    ┌────────────────┴─────────────────────┴────────────────┐
    │                                                        │
    │   Válvula        Válvula        Válvula        Válvula│
    │   CERRADA        ABIERTA        CERRADA        ABIERTA│
    │      │              │              │              │   │
    │   No comprime   Comprime      No comprime    Comprime │
    │      │              │              │              │   │
    │   Motor GIRA    Motor GIRA    Motor GIRA    Motor GIRA│
    │                                                        │
    └────────────────────────────────────────────────────────┘

Estados

Estado	Válvula admisión	Producción	Consumo energía
Carga	Abierta	100%	100%
Descarga	Cerrada	0%	25-35%

Banda de presión

$$\Delta P = P_{descarga} - P_{carga}$$

Típicamente 0.5-1.0 bar.

Ventajas

• Simple y confiable
• Bajo costo inicial
• Fácil mantenimiento

Desventajas

• Consume 25-35% de energía en descarga
• No eficiente a cargas parciales
• Más ciclos de carga/descarga = más desgaste

Modulación (Válvula de Admisión)

La válvula de admisión regula el flujo de aire progresivamente.

Funcionamiento

    100% ──────┐
              │
     75% ─────┼───┐
              │   │
     50% ─────┼───┼───┐
              │   │   │
     25% ─────┼───┼───┼───┐
              │   │   │   │
Apertura    100% 75%  50%  25%
de válvula

Características

Capacidad	Consumo energía (aprox.)
100%	100%
75%	85%
50%	70%
25%	55%

Ventajas

• Control suave de presión
• Menos ciclos que carga/descarga
• Costo moderado

Desventajas

• Eficiencia baja a <50% capacidad
• Vacío en admisión (pérdida de eficiencia)
• Límite inferior ~25-40%

Control de Admisión Variable (Variable Displacement)

Algunos compresores usan válvulas de corredera o espiral que cambian el volumen efectivo de compresión.

Válvula de Corredera (Slide Valve)

    Posición 100%:
    ┌─────────────────────────────┐
    │████████████████████████████│
    └─────────────────────────────┘

    Posición 50%:
    ┌─────────────────────────────┐
    │██████████████               │ ← Bypass
    └─────────────────────────────┘

Retrasa el inicio de la compresión, reduciendo capacidad.

Válvula Espiral (Turn Valve)

Rotación gradual que cambia el punto de inicio de compresión.

Ventajas:

• Eficiencia superior a modulación simple
• Rango amplio (25-100%)
• Control preciso

Desventajas:

• Mayor complejidad mecánica
• Costo más alto
• No todos los fabricantes lo ofrecen

Velocidad Variable (VSD/VFD)

El Variable Speed Drive (VSD) o Variable Frequency Drive (VFD) ajusta la velocidad del motor.

Principio

$$\text{Flujo} \propto RPM$$ $$\text{Potencia} \propto RPM^{2.5 \text{ a } 3}$$

RPM
100% │─────────────────●
     │                ╱
 75% │──────────────●╱
     │             ╱
 50% │───────────●╱
     │          ╱
 25% │────────●╱
     └────────────────────→ Capacidad
           25%  50%  75% 100%

Curva de Eficiencia

Capacidad	RPM	Consumo energía
100%	100%	100%
75%	75%	~60%
50%	50%	~35%
25%	25%	~15%

Comparación de métodos a 50% capacidad

Método	Consumo @ 50%
Carga/Descarga	~65%
Modulación	~70%
VSD	~35%

Ventajas del VSD

1. Ahorro energético: 20-50% en aplicaciones con demanda variable
2. Presión estable: ±0.1 bar típico vs. ±0.5 bar en carga/descarga
3. Arranque suave: Sin pico de corriente
4. Menos desgaste: Sin ciclos de carga/descarga
5. Menor ruido: A velocidad reducida

Desventajas del VSD

1. Costo inicial: 20-40% más que velocidad fija
2. Complejidad: Electrónica adicional
3. Rango de velocidad: Mínimo ~25-40% (límite de enfriamiento)
4. Armónicos: Puede requerir filtros
5. Ambiente: Sensible a temperatura y polvo

Rango de Operación VSD

RPM
100% │═══════════════════════●
     │                      ╱║
     │                     ╱ ║
     │                    ╱  ║
 40% │══════════════════●   ║
     │   Zona prohibida  ║   ║ Zona de operación
     │   (enfriamiento)  ║   ║
     │                   ║   ║
     └───────────────────────────→

Límite inferior: Típicamente 25-40% RPM

• Por debajo, enfriamiento insuficiente
• Aceite no circula adecuadamente
• Controlador lo impide

Combinaciones de Control

VSD + Carga/Descarga

Para demandas muy bajas, el VSD desacelera hasta el mínimo y luego entra en descarga:

Demanda
100% │────●
     │   ╱│
     │  ╱ │ VSD ajusta
     │ ╱  │
 40% │●   │
     │    │ Descarga
  0% │────┴────────→ Tiempo

Múltiples Compresores

En sistemas con varios compresores:

Compresor	Tipo	Función
Base 1	Velocidad fija	Carga base
Base 2	Velocidad fija	Carga base
Trim	VSD	Ajuste fino

El VSD maneja las variaciones mientras los fijos operan a máxima eficiencia.

Control Maestro de Múltiples Compresores

En sistemas con varios compresores, un controlador maestro optimiza la operación:

┌─────────────────────────────────────────┐
│          CONTROLADOR MAESTRO            │
│                                         │
│   Demanda actual: 450 CFM               │
│   Presión: 7.2 bar                      │
│                                         │
│   Comp 1 (100 CFM): ON  - Carga         │
│   Comp 2 (100 CFM): ON  - Carga         │
│   Comp 3 (100 CFM): ON  - Carga         │
│   Comp 4 (100 CFM): ON  - Carga         │
│   Comp 5 VSD (150 CFM): ON - 33%        │
│   Comp 6 (100 CFM): OFF - Standby       │
└─────────────────────────────────────────┘

Beneficios:

• Minimiza compresores en descarga
• Optimiza uso del VSD
• Balancea horas de operación
• Respuesta rápida a cambios de demanda

Selección del Método de Control

Factores a Considerar

Factor	Favorece
Demanda constante	Velocidad fija
Demanda variable (>30% variación)	VSD
Bajo presupuesto	Carga/descarga
Presión crítica	VSD
Eficiencia energética prioritaria	VSD
Simplicidad de mantenimiento	Carga/descarga

Cálculo de Ahorro con VSD

$$\text{Ahorro} = \text{kW}_{fijo} - \text{kW}_{VSD} \times \text{horas} \times \$/kWh$$

Ejemplo:

• Compresor 75 kW
• Carga promedio: 60%
• Operación: 6,000 h/año
• Costo energía: $0.10/kWh

Tipo	Consumo @ 60%	Costo anual
Carga/descarga	55 kW	$33,000
VSD	38 kW	$22,800
Ahorro	17 kW	$10,200/año

Retorno de Inversión

$$ROI = \frac{\text{Costo adicional VSD}}{\text{Ahorro anual}}$$

Ejemplo:

• Costo adicional VSD: $15,000
• Ahorro anual: $10,200
• ROI: 1.5 años