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 dividida entre la frecuencia, y se escribe Φ ∝ V/f. Con la tensión fija, predice primero hacia dónde va el flujo al bajar la frecuencia y si llega a la zona de saturación sombreada en rojo; después mueve el deslizador de frecuencia y compruébalo.

Los tres mandos de la velocidad

La velocidad del rotor es N = (1 - s)·120f/P. En esta fórmula, los únicos mandos sobre la velocidad son el deslizamiento s, la frecuencia f y el número de polos P. El control por deslizamiento baja la tensión del estátor o añade resistencia a un rotor bobinado; es sencillo, pero a un par dado la pérdida en el cobre del rotor crece en proporción al deslizamiento, la eficiencia cae y el rango es estrecho. El cambio de polos reconecta los devanados para cambiar el número de polos, así que solo avanza en unos pocos escalones, como 2:1. El control por frecuencia es amplio y continuo, y hoy es el centro de los accionamientos de velocidad variable, pero trae una condición.

Cambia la frecuencia y la tensión debe seguir

La tensión del estátor es casi igual a la FEM inducida, de modo que puede escribirse V ≈ 4,44 f N1 Φ, y al despejar el flujo se obtiene Φ ∝ V/f. Si se mantiene la tensión y se baja solo la frecuencia, el flujo crece hasta saturar el núcleo, y la corriente de magnetización sube bruscamente y sobrecalienta la máquina; por eso la tensión se baja en proporción a la frecuencia para mantener V/f constante. Así el flujo queda constante y la misma corriente da el mismo par, por lo que el rango por debajo de la frecuencia nominal se llama región de par constante. Sin embargo, a frecuencias muy bajas la caída de tensión en la resistencia del estátor pesa relativamente más y el flujo se queda corto, así que en ese tramo se añade un poco más de tensión para compensar. Por encima de la frecuencia nominal la tensión de alimentación no puede subir más, de modo que el flujo cae en proporción inversa a la frecuencia; el par baja, pero la potencia de salida se mantiene casi constante: es la región de potencia constante (debilitamiento de campo).

Limitar la corriente de arranque, conservar el par

Aplicar la tensión plena directamente desde el reposo, con deslizamiento 1, deja la impedancia del lado del rotor en su mínimo, y la corriente de arranque se dispara a entre cinco y siete veces la nominal. El arranque estrella-triángulo conecta primero los devanados en estrella (Y), lo que baja la tensión en cada fase a 1/√3; así, la corriente de línea y el par de arranque caen ambos a 1/3 de los de un arranque directo a tensión plena, y cuando la velocidad ha subido se pasa a triángulo (Δ) para el funcionamiento normal. Como el par baja junto con la corriente, conviene para arrancar con carga ligera. El arranque con reactor o con autotransformador baja la tensión en el estátor para reducir la corriente, y el par cae con el cuadrado de esa tensión. Un rotor bobinado usa resistencia externa y el desplazamiento proporcional para bajar la corriente de arranque mientras, de hecho, sube el par de arranque. Un accionamiento con inversor sube la velocidad suavemente a baja frecuencia manteniendo V/f, de modo que el deslizamiento es pequeño desde el principio y la corriente de arranque puede quedarse cerca de la nominal.

De vuelta a la primera pantalla

Al reducir la frecuencia a la mitad con la tensión fija, el flujo se hizo 2 veces mayor y entró en la zona de saturación. La tensión del estátor es V ≈ 4,44 f N1 Φ, proporcional al producto de frecuencia y flujo, así que el flujo no puede sino seguir Φ ∝ V/f; por eso, cuando se usa la frecuencia para cambiar la velocidad, la tensión se baja junto con ella para mantener constante V/f, es decir, el flujo. Hecho así, toda la curva par-velocidad puede desplazarse de lado, con par constante por debajo de la frecuencia nominal y con potencia constante por encima. El arranque pertenece a la misma historia: la gran corriente de un arranque directo a tensión plena se reduce a 1/3 con Y-Δ, se recorta bajando la tensión con un reactor, se maneja con el desplazamiento proporcional mediante la resistencia del rotor bobinado o se doma con un inversor que mantiene V/f incluso a baja frecuencia. La historia de la máquina de inducción, que empezó con el campo giratorio, termina aquí con una máquina cuya velocidad y arranque están bajo control.

Hasta aquí llega la máquina de inducción. La corriente trifásica crea un campo giratorio (C1), el rotor lo persigue con un retraso igual al deslizamiento (C2), ese deslizamiento cabe en el circuito equivalente como el único término R2/s (C3), el par dibuja una colina frente al deslizamiento (C4), y la frecuencia y la tensión mueven esa colina para controlar el arranque y la velocidad (C5). El siguiente grupo, D, es la máquina síncrona, cuyo rotor gira exactamente a la velocidad de sincronismo. Se pasa a ver cómo una máquina con deslizamiento 0 produce par y por qué puede incluso ajustar el factor de potencia.