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Mejora del sistema de control de compresores de
tornillo para la optimización del consumo eléctrico
Alex Echeveria∗, Carlos Molina†, Sergio Mendoza‡
Escuela Superior Politécnica del Litoral, ESPOL
Facultad de Ingenier´ıa en Electricidad y Computación
Campus Gustavo Galindo Km 30.5 V´ıa Perimetral
P.O. Box 09-01-5863
Guayaquil, Ecuador
Email: ∗ aleomech@espol.edu.ec, †pmolina@espol.edu.ec 2, ‡sedamend@espol.edu.ec 3,
Abstract—El presente trabajo es resultado del análisis de los
perfiles de demanda de dos compresores de tornillo instalados
en la planta Plasticos Rival de la ciudad de Guayaquil los
cuales según los resultados de la auditoria energética realizada
tienen consumos eléctricos que podrian verse mejorados con
un sistema de control que ayude en la estabilizacón de la
presion de salida con el objetivo de reducir las fluctuaciones y
mejorar la potencia demandada usando para este fin un analisis
dinamico del sistema de aire comprimido con herramientas como
SIMULINK/MATLAB del cual obtendremos las caracteristicas
del controlador a implementar.
Index Terms—Compresor de tornillo, perfil de demanda de
aire comprimido, controlador del sistema de aire comprimido
I. INTRODUCCI ÓN
EN este trabajo se utiliza como punto de partida una
auditoria energética realizada en el año 2017 de la cual se
puede obtener el perfil de demanda de la planta y el consumo
aproximado de 206.094 KW/H anuales con un costo de 18.548
dólares lo cual nos hace ver que existe la posibilidad de reducir
este costo y que la inversion realizada sea recuperada en el
primer año de trabajo. Se plantea identificar la función de
transferencia de la planta y diseñar el controlador para el
sistema. La solucion planteada en este trabajo consta de los
siguientes componentes:
• Compresor GA 30+ 30 KW.- Compresor Atlas Copco.
• Secadores de aire comprimido.- Secadores Atlas Copco.
• Variador de frecuencia.- Representa la Frecuencia en la
cual van a operar los compresores segun la demanda de
la planta.
• Controlador .- Representa el tipo de controlador que se
usará para establecer la frecuencia de trabajo de cada
compresor
• Cargas del sistema.- Representa la demanda de aire
comprimido de la planta.
La estación de aire comprimido que alimenta la red de Plas-
ticos RIVAL cuenta con dos compresores de tornillo lubricado
Atlas Copco GA30+ de 212 cfm @ 100 psi(g), dos secadores
IR TS 200 y un tanque de almacenamiento de 480 litros
aproximadamente. En la Fig 2 durante el periodo de registro
de datos, se pudo observar el siguiente comportamiento: desde
Fig. 1. Compresor GA30+ instalado en la Planta Plasticos Rival.
el d´ıa viernes 28 de junio hasta el d´ıa martes 9 de julio de
2017, la entrega de aire varia entre 80 cfm y 250 cfm y de la
misma manera en la Fig 3 podemos observar como se tiene
las curvas de presion del sistema.
Fig. 2. Perfil de Demanda de Aire comprimido la Planta Plasticos Rival.978-1-5090-1629-7/16/$31.00 c 2016 IEEE

Fig. 3. Perfil de Presion de Aire comprimido la Planta Plasticos Rival.
Del perfil de demanda obtenido en el estudio y del perfil de
presion se puede concluir lo siguiente:
• Los CFM demandados por la planta tiene variaciones que
hacen que los compresores trabajen en carga y descarga
de manera frecuente.
• La presion de salida de los compresores presenta caidas
durante el trabajo de los compresores.
• Se puede evidenciar que el tiempo de arranque del motor
es muy corto.
Fig. 4. Grafico de carga y descarga de compresor.
El metodo de arranque y paro del motor del compresor es
por medio de un arranque estrella triangulo Fig 5, el cual tiene
las siguientes desventajas con respecto al arranque por medio
de un variador de velocidad:
• Presenta un consumo elevado de energ´ıa y un desgaste
en el momento de arranque/parada.
• La corriente de arranque puede ir entre 1.3 a 2.6 veces
la intensidad nominal del motor.
• El cambio que hace este tipo de arranque generan corri-
entes dañinas y transcientes de torque.
Tomando lo anteriormente mencionado en este nuevo desar-
rollo se aprovechara la oportunidad del cambio de tecnologia
para la optimizacion del sistema de control de arranque de los
compresores y se instalara un variador de frecuencia con el
objetivo de alargar el tiempo de vida del motor del compresor
asi tambien como poder tener un control sobre la frecuencia
de trabajo de cada compresor.
Entre mayor sea la demanda de energ´ıa en un momento dado
por un per´ıodo de 15 minutos, más alto será también el cargo
por demanda. Entre más uniformemente se pueda repartir el
consumo de energ´ıa eléctrica en una planta, más bajo será el
cargo por demanda. El problema radica en que el arranque y
el paro es simultneo, haciendo que se tenga un consumo de
energa elctrica innecesario ya que en ocasiones no es necesario
el uso de los dos compresores, puesto que uno puede abastecer
la demanda requerida hasta que por la demanda de la planta
se requiera que arranque el segundo compresor.
Fig. 5. Arranque estrella-triangulo de compresos GA30+.
De lo planteado anteriormente podemos deducir que el
motor del compresor al trabajar en carga/descarga mantiene
la velocidad constante en cualquiera de los dos estados por
lo que el motor se mantendra consumiendo potencia electrica
innecesariamente.
La pregunta que motiva este trabajo es ¿Un controlador
PID será capaz de lograr que se pueda llegar a tener un lazo
de control ms estable y que a la vez ayude a llevar a la
variable mucho ms rpido al setpoint deseado? en la Fig 6 se
plantea un esquema del modelo que se usara para mejorar el
sistema de control.
Fig. 6. Modelo de Control Planteado.

Este documento consta de ocho secciones incluyendo la
introducción como número 1, la sección 2 muestra la revisión
bibliográfica en la que se citan los métodos de diseño, para
luego enfocarnos en el desarrollo de un controlador que
permita cumplir con las especificaciones planteadas en la
pregunta del párrafo anterior y hacer la discusión y análisis
de la respuesta de velocidad del motor ante cambios en la
presion de referencia y perturbaciones en las cargas del sistema
obtenida con el controlador y la planta, esto se presenta en
las secciones 3, 4 y 5. Finalmente, las conclusiones en la
sección 6 seguida de los agradecimientos en la sección 7, y
las referencias bibliográficas en la sección 8.
II. MÉTODOS DE DISE ÑO
En la teor´ıa de sistemas de control moderno encontramos
varios métodos para el diseño de controladores como el
método del lugar geométrico de las ra´ıces, el método de la
respuesta de frecuencia y el método de análisis en el dominio
del tiempo con variables de estado.
El método del lugar geométrico de las ra´ıces es un método
gráfico con el que se dibuja la posición deseada de las ra´ıces
en el plano ”s” de acuerdo a los requerimiento de diseño,
en este método se utiliza la función de transferencia para
convertir las ecuaciones diferenciales que representan el
sistema en ecuaciones algebraicas en términos de la variable
compleja ”s”.
El método de la respuesta en el domino de la frecuencia
w, donde la respuesta de frecuencia de un sistema se define
como la respuesta del sistema en el estado estacionario a una
señal sinusoidal de entrada. Las ventajas relevantes de este
método son: la fácil disponibilidad de señales sinusoidales de
prueba, la posibilidad de obtener la función de transferencia
que describe el comportamiento sinusoidal del sistema en
estado estacionario, y el v´ınculo entre los dominios del
tiempo y la frecuencia.
El análisis en los métodos anteriores está limitado a una
entrada y una salida y aplicable únicamente para sistemas
lineales, sin embargo, los sistemas por lo general son sensibles
a múltiples entradas y presentan múltiples salidas por lo que
se requiere un método que resuelva estas limitaciones, y ese
método es el análisis en el dominio del tiempo. Un sistema
de control que var´ıa en el tiempo es un sistema en el que uno
o más de sus parámetros pueden variar en función del tiempo
[2].
III. METODOLOGÍA
La metodolog´ıa utilizada se basó en procesos experimen-
tales con la finalidad de desarrollar el controlador de un
generador siguiendo los pasos mostrados en el diagrama de
flujo de la Fig. 7, teniendo como primicia que el variador de
frecuencia opera a un valor estable de 60 Hz, haciendo que
el motor de inducción trabaje a su velocidad nominal que es
1590 RPM.
Fig. 7. Diagrama de flujo de la metodolog´ıa utilizada.
A. Curva Caracter´ıstica y punto de operación
El punto de partida es la obtención de la curva caracter´ıstica
del sistema por medio de la toma de datos de manera
experimental, que consiste en aplicar diferentes valores de
voltaje al bobinado de campo del generador y medir el voltaje
generado en los terminales de salida DC. Las herramientas a
utilizar en este proceso son: el software Matlab para crear la
interfáz, un servidor OPC y un módulo cFP (Compact Field
Point).
Con los valores de voltaje aplicado al campo y el voltaje
en los terminales de salida DC del generador se grafica la
curva caracter´ıstica del sistema o también llamada curva de
operación, la cual se muestra más adelante en la sección de
resultados.
El criterio usado para determinar el punto de operación del
sistema se basa en tomar un punto donde la curva caracter´ıstica
tenga un comportamiento lineal, es decir, donde la pendiente
no cambia de valor.

B. Identificación
Para la identificación del sistema se hace trabajar a la planta
en el punto de operación y ralizando pequeños cambios en el
voltaje de campo del generador se registra el comportamiento
del voltaje generado, con el registro de los valores de voltaje
de campo y generado se utiliza la herramienta IDENT de
Matlab con la cual se obtiene la función de transferencia. Esta
herramienta encuentra un modelo cuya respuesta a la entrada
dada se asemeja a la salida real de la planta, para nosotros es
deseable que el porcentaje de aproximación entre la respuesta
del modelo y la respuesta del sistema sea mayor al 85% para
considerar al modelo como válido.
C. Especificaciones de funcionamiento
Como especificaciones o requerimientos de funcionamiento,
establecimos que el sistema tenga un error de estado esta-
cionario de Ess = 0, un tiempo de estabilización de Tss < 0.5
y un sobrenivel porcentual de SP < 5% frente a una entrada
de tipo escalón. Estas especificaciones fueron escogidas en
base a la experiencia de los autores.
D. Diseño del controlador
Con la función de transferencia G(s) obtenida mediante la
identificación y las especificaciones de diseño se procede a
determinar el controlador Gc(s) mediante el método del lugar
geométrico de las ra´ıces, el sistema de lazo cerrado se muestra
en la Fig. 8.
Fig. 8. Diagrama de bloques para el diseño del sistema realimentado.
E. Implementación del controlador
Para la implementación del controlador se hace uso del
software Matlab con las herramientas de Simulink y las
herramientas para el servidor OPC que permiten la lectura
y escritura en el cFP.
IV. RESULTADOS
Aplicando el procedimiento para determinar la curva car-
acter´ıstica de operación de la planta, nos dió como resultado
una serie puntos los cuales permiten construir la curva que se
muestra en la Fig. 9.
La Fig. 9 muestra el voltaje generado por el generador
para valores de voltaje entre 0 y 2.2 voltios aplicados en el
bobinado de campo.
El punto de operación que se seleccionó en base a la Fig.
9, es 5.7 voltios como voltaje de salida del generador y 1.5
voltios como voltaje aplicado al campo, se consider que
la curva caracter´ıstica al rededor de dicho punto tiene un
Fig. 9. Curva caracter´ıstica de operación de la planta.
comportamiento lineal.
Aplicando la metodolog´ıa para la identificación de sistemas
con IDENT de Matlab se obtuvo el modelo con la función de
transferencia de la ecuación 1 con un porcentaje de ajuste de
96 %
G(s) =
63670
(s + 133.9)(s + 134)
. (1)
Para cumplir con los requerimientos de la pregunta
planteada ¿Un controlador PID será capaz de lograr que el
voltaje en los terminales de salida del generador tenga un
sobrenivel porcentual de 5 % respecto del voltaje de referencia
con un tiempo de estabilización de 0.5 segundos y un error de
estado estable de 0 % frente a una entrada de tipo escalón?
Se determinó el controlador que se muestra en la ecuación 2,
Gc(s) =
2
s
. (2)
El diagrama de bloque desarrollado en Matlab es el que se
muestra en la Fig. 10.
Fig. 10. Diagrama de bloque en Matlab.
La Fig. 10 muestra la interfaz que contiene los switches de
encedido, marcha y parada, muestra el controlador Gc(s) y el
rectángulo con el Subsystem que contiene las herramientas
del servidor OPC para manejar las entradas y salidas del cFP.
El modelo con el controlador de la ecuación 2 tiene la
respuesta de voltaje DC de salida del generador con un

sobrenivel porcentual de 0% y un tiempo de estabilización de
0.5 segundos. Ver Fig. 11.
Fig. 11. Respuesta simulada del modelo sistema frente a una entrada escalón
unitario.
La Fig. 11 muestra la respuesta simulada del sistema
cuando la referencia cambia con la forma de la función
escalón unitario.
La comparación del voltaje de referencia con el voltaje de
salida del generador se muestra en la Fig. 12.
Fig. 12. Respuesta del sistema frente a cambios en la referencia.
La señal de color celeste en la Fig. 12 representa el voltaje
de referencia y la señal de color naranja muestra el voltaje
generado por el generador.
La función de una planta de generación es alimentar cargas
que pueden variar su valor en el tiempo, la Fig. 13 muestra
la respuesta del sistema aplicando carga y adicionalmente se
disminuye la velocidad del motor. Ambas perturbaciones se
traducen en la ca´ıda del voltaje generado que luego por efecto
del controlador se recupera cumpliendo con los paámetros de
diseño.
En Fig. 13 se muestra que el sistema parte desde cero,
en el primer segundo llega a su punto operación, luego al
tiempo 5 s se presenta un cambio en el voltaje de referencia,
Fig. 13. Respuesta del sistema frente a cambios en la carga y en la frecuencia.
al tiempo 7.5 s se presenta la perturbación en la carga que
dura aproximadamente 5 s, al tiempo 12.13 s se presenta la
perturbación en la frecuencia que dura aproximadamente 1.8
s y fimalmente al tiempo 17 s se realiza la perturbación en la
carga y la frecuencia notando que el voltaje generado sigue al
voltaje de refencia cumpliendo los parámetros establecidos en
el diseño.
V. DISCUSI ÓN
La planta desde su diseño fue concebida para operar con
un controlador multivariable diseñado con el método de
variables de estado, sin embargo, nos surgió la inquietud de
si ¿Un controlador PID será capaz de lograr que el voltaje
en los terminales de salida del generador tenga un sobrenivel
porcentual de 5 % respecto del voltaje de referencia con
un tiempo de estabilización de 0.5 segundos y un error de
estado estable de 0 % frente a una entrada de tipo escalón?
Inicialmente el objetivo era diseñar un controlador PID, pero
de acuerdo a los resultados de la sección anterior se sugiere
que con un control integral el sistema es capaz de responder
satisfactoriamente y cumplir con los requerimientos de diseño
planteados. Queda por determinar que afectación provoca
agregar el controlador proporcional y el control derivativo o
de tendencias a la respuesta en régime transitorio y de estado
estable.
El alcance de este trabajo se limita encontrar un controlador
para el voltaje generado, teniendo como variable de entrada
el voltaje de campo del generador y como variable de
salida el voltaje generado, asumiendo que el sistema es
de una entrada y una salida, sin embargo este sistema
es de múltiples entradas y mútiples salidas. Por ejemplo,
si aumentamos la referencia para el voltaje de salida del
generador, implicará que aumente el torque de carga del
motor y como para este sistema no se tiene un controlador
para la velocidad del motor, consideramos que la velocidad
disminuirá su valor, afectando el voltaje generado por
el generador. Este ejemplo nos sugiere que el controlador
diseñado no es la mejor alternativa para el control del sistema.
De la Fig. 13 notamos que la señal del voltaje generado
se aleja más de la señal del voltaje de referencia cuando se
presentan perturbaciones en la frecuencia en comparación con
los cambios que se presentan cuando aparece pertubaciones en

la carga, lo que nos sugiere hacer estudio de sensitividad con-
siderando ya al sistema como de múltiples entradas y múltiples
salidas, para lo cual pensamos que puede ser neceasario hacer
adecuaciones a la planta de tal forma que se puenda incorporar
equipos de medicin.
VI. CONCLUSIONES
Nosotros sugerimos que un controlador PID si es capaz de
lograr que el voltaje en los terminales de salida del generador
tenga un sobrenivel porcentual menor al 5 % respecto del
voltaje de referencia con un tiempo de estabilización de 0.5
segundos y un error de estado estable de 0 % frente a
una entrada de tipo escalón, sin embargo no fue necesario
implementar la parte proporcional ni la parte derivativa para
culplir con los requerimiento de diseño, puesto que la parte
integral del PID por si sola los puede cumplir.
VII. AGRADECIMIENTOS
Queremos expresar un agradecimiento profundo a Dios por
regalarnos el don de la ciencia, a la ESPOL por facilitarnos
el Laboratorio de Control Automático y al profesor Javier
Urquizo por su motivación y tutor´ıa.
REFERENCES
[1] J. J. A. Veloz, “Construcción de un sistema de control de frecuencia-
voltaje para un sistema de generación eléctrica a escala para el laboratorio
de control automático,” Escuela Superior Politécnica del Litoral, Tech.
Rep., 2013.
[2] R. C. Dorf, Sistemas Modernos de Control Teor´ıa y Práctica. Addison-
Wesley Iberoamericana, S.A., 1989.

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