Arranque y control de velocidad de la máquina de inducción
Si bajas solo la frecuencia a tensión fija, el flujo…
El flujo del estátor es proporcional a la tensión sobre la frecuencia: Φ ∝ V/f. Baja el deslizador de frecuencia. Con la tensión fija, predice primero a dónde va el flujo y si alcanza el límite de saturación (la zona roja).
Los tres mandos de la velocidad
La velocidad del rotor es N = (1 - s)·120f/P. Las únicas vías para cambiarla son el deslizamiento s, la frecuencia f y el número de polos P. El control por deslizamiento (bajar la tensión del estátor o añadir resistencia a un rotor bobinado) es simple pero aumenta la pérdida y tiene rango estrecho. El control por polos cambia devanados y solo da pasos discretos como 2:1. El de frecuencia es amplio y continuo, el pilar de la velocidad variable hoy, pero trae una condición.
Cambia la frecuencia y la tensión debe seguir
La tensión del estátor es casi la FEM inducida, V ≈ 4.44 f N1 Φ. Despejando el flujo da Φ ∝ V/f. Bajar solo la frecuencia manteniendo la tensión aumenta el flujo, satura el núcleo, y la corriente de magnetización se dispara y sobrecalienta. Por eso la tensión se baja en proporción a la frecuencia para mantener V/f constante. Entonces el flujo es constante y se conserva la capacidad de par: la región de par constante. Por encima de la frecuencia nominal la tensión no puede subir más (el techo de tensión), así que el flujo cae; el par baja pero la potencia se mantiene: la región de potencia constante (debilitamiento de campo).
Limitar la corriente de arranque, conservar el par
Aplicar plena tensión desde el reposo, con deslizamiento uno, dispara la corriente de arranque a cinco o seis veces la nominal. El arranque estrella-triángulo conecta primero en estrella para bajar la tensión de fase a 1/√3, recortando corriente y par de arranque a un tercio, y pasa a triángulo al subir la velocidad (para cargas ligeras). Un reactor o autotransformador baja la tensión en el estátor para recortar la corriente. Un rotor bobinado usa resistencia externa y el desplazamiento proporcional para bajar la corriente subiendo a la vez el par. Un accionamiento por inversor arranca suave a baja frecuencia manteniendo V/f, limitando la corriente de raíz.
De vuelta a la primera pantalla
Reducir la frecuencia a la mitad a tensión fija duplicó el flujo y lo llevó a saturación, porque la tensión del estátor es V ≈ 4.44 f N1 Φ, así que el flujo es Φ ∝ V/f. Por eso al cambiar la velocidad por frecuencia, la tensión baja con ella para mantener V/f constante, es decir, el flujo constante. Entonces toda la curva par-velocidad se desplaza en paralelo: par constante debajo de la nominal, potencia constante encima. El arranque es el mismo hilo. La gran corriente a plena tensión se domina con estrella-triángulo a un tercio, con un reactor que baja la tensión, con resistencia de rotor bobinado usando el desplazamiento proporcional, y con un inversor que mantiene V/f a baja frecuencia. La historia de inducción que empezó con el campo giratorio cierra aquí como una máquina que sabemos comandar.
Con esto se cierra la máquina de inducción. Tres fases tejen el campo giratorio (C1), el rotor lo persigue con un deslizamiento (C2), ese deslizamiento se pliega en el circuito equivalente como el único término R2/s (C3), el par dibuja una colina de deslizamiento (C4), y la frecuencia y la tensión desplazan esa colina para comandar arranque y velocidad (C5). El grupo D es la máquina síncrona, cuyo rotor gira exactamente a la velocidad síncrona. Pasamos a cómo esa máquina de deslizamiento cero produce par y por qué incluso controla el factor de potencia.