Autoinducción y Transformadores: Funcionamiento y Solución de Problemas

Fuerza Electromotriz de Autoinducción

La inductancia en un circuito se manifiesta porque la corriente eléctrica siempre genera un campo magnético. Las líneas de fuerza de este campo rodean al conductor que transporta la corriente, formando círculos concéntricos alrededor de él. La intensidad del campo magnético depende de la magnitud del flujo de corriente; un flujo grande produce muchas líneas de fuerza, mientras que un flujo pequeño produce pocas.

Cuando la intensidad de corriente del circuito aumenta o disminuye, la fuerza del campo magnético varía en el mismo sentido. Al aumentar la fuerza del campo, las líneas de fuerza se incrementan y se extienden hacia afuera desde el centro del conductor. De manera similar, cuando la fuerza del campo disminuye, las líneas de fuerza se contraen hacia el centro del conductor. Esta expansión y contracción del campo magnético, según varía la intensidad de corriente, es lo que provoca una fuerza electromotriz (FEM) autoinducida, cuyo efecto se conoce como inductancia.

Inductancia en una Bobina

Para comprender cómo se produce la inductancia, consideremos un circuito que contiene una bobina como la que se muestra en la figura. Mientras el interruptor del circuito esté abierto, no habrá paso de corriente ni campo alrededor de los conductores.

Al cerrar el interruptor, la corriente fluye por el circuito y las líneas de fuerza se extienden hacia afuera en torno a los conductores, incluyendo las vueltas de la bobina. En el instante en que se cierra el interruptor, el flujo de corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo. Aunque este aumento es muy rápido, no es instantáneo. Si pudiéramos ver las líneas de fuerza del circuito en el momento en que la corriente comienza a circular, notaríamos que forman un campo alrededor de los conductores.

A medida que la intensidad de la corriente sigue aumentando, las líneas de fuerza continúan extendiéndose y los campos de las espiras adyacentes se entrelazan.

Las líneas de fuerza alrededor de cada espira siguen ensanchándose y, al hacerlo, atraviesan las espiras adyacentes de la bobina. Esta extensión continúa mientras la intensidad de corriente del circuito prosiga su aumento, con más y más líneas de fuerza de las espiras de la bobina atravesando las espiras adyacentes.

Funcionamiento del Transformador

Cuando una corriente alterna pasa por una bobina, se genera un campo magnético alterno a su alrededor. Este campo se extiende desde el centro de la bobina y luego se contrae, a medida que la corriente alterna sube de cero a un máximo y vuelve a cero. Como el campo magnético alterno atraviesa el arrollamiento de la bobina, se produce una FEM autoinducida que se opone a la variación del flujo de corriente.

Inducción Mutua

Si el campo magnético alterno generado por una bobina corta el arrollamiento de otra, en esta segunda bobina se inducirá una FEM, de la misma manera que se inducía en la bobina atravesada por su propio campo magnético. La FEM generada en la segunda bobina se llama FEM de inducción mutua, y a la acción de generar esta tensión se la denomina "acción transformadora". En la acción transformadora, la energía eléctrica se transmite de una bobina (la primaria) a otra (la secundaria) por medio de un campo magnético variable.

Componentes del Transformador

Un transformador simple consta de dos bobinas colocadas muy cerca y aisladas eléctricamente entre sí. La bobina a la que se aplica la tensión alterna se llama bobinado primario, o simplemente primario. Esta bobina produce un campo magnético que atraviesa el arrollamiento de otro bobinado llamado "secundario", generando en él una tensión. Los bobinados no están conectados entre sí, pero están acoplados magnéticamente. El transformador, por lo tanto, transmite energía eléctrica de un bobinado al otro por medio de un campo magnético alterno.

Relación de Transformación

Suponiendo que todas las líneas de fuerza magnética del primario atraviesen todas las espiras del secundario, la tensión inducida en el secundario dependerá de la relación entre el número de espiras del secundario y el número de espiras del primario. Por ejemplo, si hay 1000 espiras en el secundario y solo 100 en el primario, la tensión inducida en el secundario será diez veces la tensión aplicada al primario (1000/100 = 10). En este caso, como el secundario tiene más espiras que el primario, se trata de un transformador elevador. Si, por otro lado, el secundario tuviese 10 espiras y el primario 100, el voltaje inducido en el secundario sería la décima parte del voltaje aplicado al primario (10/100 = 1/10).

En este último caso, como el secundario tiene menos espiras que el primario, se trata de un transformador reductor. Los transformadores se identifican en KVA porque esto es independiente del factor de potencia.

Detección y Solución de Desperfectos en Transformadores

Dado que los transformadores son componentes esenciales en muchos equipos, es fundamental saber cómo probarlos y localizar los desperfectos que puedan presentar.

Bobinado Abierto

Cuando uno de los bobinados del transformador se abre, la corriente no puede pasar y el transformador no tendrá tensión de salida. El síntoma de un transformador con circuito abierto es que los circuitos que suministran potencia no tienen tensión. Al verificar con un voltímetro de corriente alterna (CA) los terminales de salida del transformador, se observará una indicación de cero voltios, mientras que en los terminales de entrada habrá voltaje. Con tensión en la entrada y ninguna en la salida, se concluye que uno de los arrollamientos está abierto. A continuación, se debe verificar la continuidad de los bobinados. Después de desconectar todos los terminales primarios y secundarios, se verifica la continuidad de cada bobinado midiendo su resistencia con un óhmetro. La continuidad (circuito continuo) arroja una resistencia baja, mientras que un bobinado abierto presentará una resistencia infinita en el instrumento. En la mayoría de los casos, será necesario reemplazar el transformador, a menos que el corte sea accesible y se pueda reparar.

Espiras en Cortocircuito

Cuando algunas espiras de un bobinado secundario están en cortocircuito, la tensión de salida disminuye. Los síntomas son: el transformador se recalienta debido a las altas corrientes que circulan en las espiras en cortocircuito, y la tensión de salida es inferior a la esperada. Un bobinado en cortocircuito produce una lectura de resistencia inferior a la normal en el óhmetro. Si el bobinado es de bajo voltaje, su resistencia puede ser tan baja que resulte imposible detectar un cortocircuito en algunas espiras con un óhmetro común. En este caso, la forma más segura de determinar si el transformador está defectuoso es reemplazarlo por otro. Si el nuevo transformador funciona correctamente, se debe usar este y reparar o desechar el antiguo, según su tamaño y tipo.

Cortocircuito Completo en el Bobinado

Un cortocircuito completo en el bobinado también provoca el recalentamiento del transformador debido a la excesiva corriente. A menudo, el calor funde el barniz interno del transformador, lo que se puede detectar por el olor. Además, no habrá voltaje en los terminales de salida del bobinado en cortocircuito. En equipos con fusibles, la alta corriente fundirá el fusible antes de que el transformador se dañe por completo. Si el fusible no se funde, el bobinado en cortocircuito puede quemarse. El cortocircuito puede estar en el circuito externo conectado al bobinado o en el propio bobinado. Para localizarlo, se desconecta el circuito externo. Si el voltaje es normal con el circuito desconectado, el cortocircuito está en el circuito externo; si sigue siendo cero, el cortocircuito está dentro del transformador y será necesario reemplazarlo.

Bobinado a Tierra

A veces, la aislación se deteriora en alguna parte del bobinado y el alambre hace contacto con otras espiras. Si el alambre pelado está en la parte externa del bobinado, puede tocar la caja del transformador, haciendo cortocircuito con ella y conectando el bobinado a tierra.

Si el bobinado hace tierra y un punto del circuito externo conectado a este bobinado también está a tierra, parte del bobinado dejará de funcionar debido al cortocircuito. Los síntomas serán los mismos que los de un bobinado en cortocircuito, y será necesario reemplazar el transformador. Se puede verificar si el transformador hace tierra conectando un megóhmetro entre un lado del bobinado en cuestión y la caja del transformador, después de haber desconectado todos los terminales del circuito. Si la aguja indica cero o una resistencia baja, significa que el bobinado está a tierra.