ELEKTROTECHNIKA 

 

ĆWICZENIE 3.

 

Badanie  transformatora  jednofazowego 

 

Cel ćwiczenia 

 
Praktyczne  zapoznanie  się  z  przetwarzaniem  prądu  i  napięcia  zmiennego  w 

transformatorach. W zakres ćwiczenia wchodzą: 

1.  Wyznaczenie przekładni napięciowej transformatora jednofazowego. 
2.  Przeprowadzenie  prób:  stanu  jałowego,  stanu  zwarcia  pomiarowego  i  stanu 

obciążenia oraz wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej transformatora 

3. 

Wyznaczenie parametrów układu zastępczego transformatora.

 

 

Wprowadzenie 

Transformatory  są  statycznymi  urządzeniami,  służącymi  do  przetwarzania  energii  prądu 

przemiennego  o  danym  napięciu,  na  energię  prądu  przemiennego  o  innym  napięciu,

 

lecz 

o takiej samej częstotliwości.

 

Zamiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. 

Transformatory  jednofazowe  są  powszechnie  stosowane  jako  urządzenia  dopasowujące 
napięcie  sieci  220V  (rzadziej  380V)  do  napięć  narzuconych  przez  odbiorniki,  np. 
transformatory, zasilające układy prostownikowe do ładowania akumulatorów, transformatory 
bezpieczeństwa  (220/24V)  do  zasilania  odbiorników  przenośnych,  transformatory  zasilające 
układy  elektroniczne,  transformatory  w  spawarkach  i  zgrzewarkach.  Występują  również  w 
technice  transformatory  jednofazowe  przeznaczone  tylko  do  celów  pomiarowych,  są  to 
przekładniki  napięciowe  i  prądowe.  Odmianą  transformatorów  są  autotransformatory,  które 
budowane są zazwyczaj z płynną regulacją napięcia wyjściowego od 0— 250V przy zasilaniu 
napięciem 220V. 

1.1. Budowa i zasada działania transformatora 

Transformator składa się z obwodu magnetycznego oraz dwóch uzwojeń odseparowanych 

galwanicznie (nie połączonych metalicznie). 

Zasadniczymi  częściami  transformatora  są:  rdzeń  wykonany  w  postaci  pakietu  blach  ze 

specjalnych gatunków stali elektrotechnicznej i nawinięte na nim uzwojenia. Rdzeń stanowi 
dla strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez prąd płynący w obu uzwojeniach, drogę 
o dużej przenikalności magnetycznej. 

W  obecnie  budowanych  transformatorach  obwód  magnetyczny  –  rdzeń  wykonuje  się  z 

blachy  elektrotechnicznej  (z  dodatkiem  krzemu  -  2,5–4,5%)  walcowanej  na  zimno  (tzw. 
blachy  transformatorowej)  o  grubości  około  0,3  mm  z  izolacją  tlenkową.  Blacha 
zimnowalcowana  charakteryzuje  się,  przy  strumieniu  skierowanym  wzdłuż  kierunku 
walcowania, dużą przenikalnością magnetyczną oraz małą stratnością. Dodatek krzemu oraz 
podział rdzenia na izolowane blachy, powodują  zmniejszenie strat  mocy czynnej  w rdzeniu 
wskutek prądów wirowych.  

Uzwojenie  zasilane  z  sieci  nazywa  się  uzwojeniem  pierwotnym,  natomiast  zasilające 

odbiornik nazywa się uzwojeniem wtórnym (rys.1). Napięcia i prądy związane z uzwojeniem 
pierwotnym  nazywamy  pierwotnymi,  a  związane  z  uzwojeniem  wtórnym  nazywamy 
wtórnymi. Wszystkie wielkości i parametry uzwojenia pierwotnego oznaczamy wskaźnikiem 
1, a uzwojenia wtórnego – wskaźnikiem 2. 

 

Rys.1. Szkic ideowy transformatora jednofazowego. 

W transformatorach wykorzystane jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej polegające 

na  indukowaniu  siły  elektromotorycznej  e  w  uzwojeniu  o  ilości  zwojów  z  przez  wnętrze, 

którego przenika zmienny strumień 



 

 

dt

d

z

e







 

(1) 

Uzwojenie  pierwotne  zasilane  napięciem  przemiennym  wzbudza  w  rdzeniu  przemienny 

strumień magnetyczny, 

 

t

m

t



sin







 

(2) 

który  indukuje  w  obu  uzwojeniach  przemienne  siły  elektromotoryczne,  których  wartości 

skuteczne wynoszą: 

 

E

l

 = 4,44f z

1



m

 

(3) 

 

E

2

 = 4,44 f z

2



m

 

(4) 

gdzie: 

z

1

, z

2

   – liczby zwojów szeregowych odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego, 



m

   – amplituda strumienia magnetycznego zmieniającego się sinusoidalnie. 

 



m 

 = S

Fe

 B

m 

 

(5) 

przy czym: 
S

Fe

 - powierzchnia przekroju stali rdzenia, 

B

m

 - amplituda indukcji magnetycznej:  

dla blachy walcowanej na zimno, B

m

 = (1,4 — 1,6)T (średnio 1,5T),  

dla blachy walcowanej na gorąco, B

m

 = (1,2 - 1,4)T (średnio 1,3T). 

Przekładnia transformatora: 

 

2

1

2

1

z

z

E

E







 

(6) 

Zgodnie z (1), ważną właściwością transformatora jest to, że nie przekazuje on ze strony 

zasilania na stronę odbioru składowej stałej prądu i dlatego może służyć do jej eliminacji.  

W pracy transformatora można wyróżnić trzy charakterystyczne stany: 
—  stan jałowy, 
—  stan zwarcia, 
—  obciążenie. 

1.2. Stan jałowy 

Stan jałowy ma miejsce, gdy uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem znamionowym a 

uzwojenie  wtórne  —  otwarte  (I

2

  =  0).  W  badaniach  laboratoryjnych  stan  jałowy 

transformatora  wykorzystuje  się  do  wyznaczania  przekładni  napięciowej 



U

,  prądu  stanu 

jałowego I

0

 oraz strat mocy czynnej P

Fe

 w stali rdzenia. 

 

2

1

2

1

20

10

z

z

E

E

U

U

U









 

 (7) 

ponieważ przy   I

2

 = 0;   U

20

 = E

2

 , natomiast 

 

U

10

 = E

1

 + I

0

R

1 

+ jI

0

X

1

 

(8) 

Prąd  stanu  jałowego  I

o0

  z  uwagi  na  bardzo  małe  szczeliny  powietrzne  w  rdzeniu  i 

wykonanie go z ferromagnetyka o dużej przenikalności magnetycznej jest mały (I

0

 = (2 - 8)% 

I

1n

). 

 

I

0

 = I

0cz

 + I

0



    

(9) 

Składowa czynna I

0cz

  charakteryzuje straty mocy czynnej  w stali  rdzenia, (strata mocy w 

uzwojeniu  pierwotnym  I

0

2

R

1

  —  pomijalnie mała), które są praktycznie zależne od kwadratu 

napięcia zasilającego U

1

. 

 

P

0

 = U

1

 I

0cz 



 P

Fe

  

 (10) 

Składowa  bierna  I



  nazywana  prądem  magnesującym,  wzbudza  w  rdzeniu  strumień 

magnetyczny 



 (rys. 2). 

 

Rys. 2. Wykres wektorowy stanu jałowego transformatora 

W  transformatorach  amplituda  strumienia 



m 

  zgodnie  z  (3)  i  (8)  zależy  od  wartości 

napięcia  zasilającego,  natomiast  amplituda  prądu  magnesującego  I



    potrzebnego  na  jego 

wytworzenie  zależy  od  wymiarów  geometrycznych  transformatora  (powierzchni  przekroju 

poprzecznego rdzenia) a szczególnie od materiału z jakiego wykonany jest rdzeń.  

W  badaniach  eksploatacyjnych,  próbę  stanu  jałowego  przeprowadza  się  do  oceny  stanu 

technicznego transformatora a szczególnie do stwierdzenia powstałych zwarć zwojowych. 

1.3. Stan zwarcia 

W badaniach laboratoryjnych przeprowadza się próbę zwarcia pomiarowego natomiast w 

eksploatacji transformatora mogą występować tzw. zwarcia ruchowe. 

Zwarcie  pomiarowe  przeprowadza  się  napięciem  obniżonym  nazywanym  napięciem 

zwarcia  pomiarowego,  przy  którym  prądy  w  obu  uzwojeniach  nie  przekraczają  wartości 
znamionowych.  

Próba taka ma na celu:  

 

1) wyznaczenie procentowego napięcia zwarcia, 

 

%

100

1

%





n

Z

Z

U

U

U

 

(12) 

które jest niewielkie i wynosi:  U

Z%

    =  3  -  15%  U

1n

;  (3%  –  bardzo  duże  moce,  15%  –  małe 

moce), 

 
 
2)    wyznaczenie  strat  mocy  czynnej  w  uzwojeniach,  które  odpowiadają 

znamionowemu obciążeniu, 

 
 

P

z

 = I

2

1n

R

1

 + I

2

2n

R

2

 . 

 (13) 

Straty  mocy  czynnej  w  stali  rdzenia  z  uwagi  na  niskie  napięcie  zasilające  są  pomijalnie 

małe (10), 

 

 

3) 

wyznaczenie  parametrów  uproszczonego  schematu  zastępczego 

transformatora (rys. 3). 

 

Rys. 3. Uproszczony schemat zastępczy transformatora  w stanie zwarcia   

 

Zwarcie strony wtórnej przy znamionowym napięciu zasilającym nazywane jest zwarciem 

ruchowym — eksploatacyjnym.  

Znajomość  prądu  zwarcia  I

1z

  (I

1z

  =  7  –  33  I

1n

)  pozwala  ustalić  zabezpieczenia 

transformatora przed skutkami zwarć (7 I

1n

 – jednostki małej mocy; 33 I

1n

 – jednostki bardzo 

dużej mocy). 

 

1.4. Stan obciążenia transformatora 

W transformatorze obciążonym moce pozorne po obu stronach są praktycznie równe: 

 

U

1 

I

1

 = S

1  

 



  S

2

 = U

2

 I

2

 

(14) 

i równe są także amperozwoje: 

 

I

1

z

1

 



 I

2

z

2

  

(15) 

Przy  stałym  napięciu  zasilającym  U

l

  napięcie  strony  wtórnej  U

2

  nieznacznie  zmienia  się 

wraz z obciążeniem 

 

U

1 

= 



U

2

+ I

1 

R

T

  +  j I

1 

X

T

   

(16) 

Zależność  U

2

  =  f(I

2

)  przy  U

1

  =  const.  i  cos



2

  =  const.  nazywa  się  charakterystyką 

zewnętrzną  transformatora  (rys.  4).  Zmienność  napięcia  wyjściowego  przy  przejściu 
transformatora od stanu jałowego do obciążenia znamionowego jest niewielka i wynosi kilka 
procent, i jest zależna od charakteru obciążenia R, L, C. 

 

Rys. 4. Charakterystyka zewnętrzna transformatora 

Sprawności  transformatorów  z  uwagi  na  brak  części  wirujących  są  dość  wysokie  i 

wynoszą około 80% dla jednostek małej mocy aż do 99% dla jednostek dużej mocy. 

 

2. Autotransformator 

Autotransformator  w  odróżnieniu  od  transformatora  ma  tylko  jedno  uzwojenie,  część 

którego  stanowi  uzwojenie  wtórne  (rys.  5).  Z  uwagi  na  metaliczne  połączenie  strony 
pierwotnej  i  wtórnej,  autotransformatory  mogą  być  wykorzystywane  do  zasilania 
odbiorników  w  zasadzie  tylko  przy  niskim  napięciu  nie  przekraczającym  250V.  Do  celów 
laboratoryjnych  najczęściej  autotransformatory  budowane  są  na  napięcie  pierwotne  220V, 
natomiast napięcie wtórne regulowane od 0–250V. W części uzwojenia BC występuje różnica 
prądów    I

1

  i  I

2

,  zatem  ta  część  uzwojenia  może  być  wykonana  przewodem  o  odpowiednio 

mniejszej powierzchni przekroju. 

 

Rys. 5. Autotransformator jednofazowy 

W autotransformatorze nieregulowanym rozróżnia się dwie moce:  

moc przechodnia: 

 

S

p

 =  U

1 

I

1

 



 U

2 

I

2 

(17) 

oraz moc własna  

 

S

w

 = I

1

 (U

1

 – U

2

), 

(18) 

która decyduje o wymiarach, masach rdzenia i uzwojeń autotransformatora. 

3. Przekładnik prądowy 
Przekładnik prądowy przeznaczony jest do poszerzania zakresów pomiarowych mierników 

(amperomierzy, watomierzy, liczników energii) jak również do umożliwienia pomiarów tych 
wielkości  w  układach  wysokonapięciowych.  Przekładnik  prądowy  włącza  się  do  sieci 
szeregowo z odbiornikiem podobnie jak amperomierz (rys. 6). Uzwojenie wtórne jak również 
rdzeń są uziemione. 

 

Rys. 6. Pomiar prądu z wykorzystaniem przekładnika prądowego 

Przekładnik prądowy z uwagi na małą wartość impedancji mierników, pracuje  podobnie 

jak transformator w stanie zwarcia, dla którego obowiązuje zależność: 

 

I

1   

z

1  

=   I

2   

z

2   

 

(19) 

Przekładnia prądowa przekładnika 

 

 

2

1

2

1

20

10

1

z

z

E

E

U

U









 

 (7) 

W  czasie  pracy  przekładnika  (obwód  wtórny  zamknięty),  strumień  w  rdzeniu  jest  bardzo 

mały.  Przerwa  w  obwodzie  wtórnym  przekładnika  powoduje  wzrost  strumienia 
magnetycznego, w następstwie czego w obwodzie tym pojawia się znaczne napięcie mogące 
zniszczyć  izolacje  uzwojeń,  jak  również  zagrażać  bezpieczeństwu  obsługi.  Prąd  wtórny 
przekładników  technicznych  wynosi  5A,  pierwotny  natomiast  do  kilku  tysięcy  A,  w 
zależności od potrzeb. 

4. Wykonanie ćwiczenia 

4.1. Badanie transformatora jednofazowego 

 

Dane znamionowe: 

Należy  zapoznać  się  z  budową  transformatora,  podstawowe  dane  znamionowe 

zestawiono w tabeli 1. 

Tabela 1. 

 

S 

 

U

1n 

        I

1n

   

U

1N

 

        U

20

 

 

I

2n

 

250VA 

50V 

5A 

25V 

10A 

 

Próba stanu jałowego 

 

Układ pomiarowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 7. 

 

 

Rys.7. Schemat stanowiska pomiarowego 

Należy podłączyć do układu amperomierze A

1

 i A

2

 oraz watomierz elektrodynamiczny W 

zgodnie ze schematem. Następnie należy założyć zworki 11 i 12.  

Uwaga!!!  Po  wykonaniu  połączeń  prawidłowość  ich  wykonania  powinna  być 

sprawdzona przez prowadzącego zajęcia przed włączeniem zasilania!!!. 

Włączyć zasilanie stanowiska i za pomocą dźwigni autotransformatora ustawić napięcie na 

uzwojeniu pierwotnym równe napięciu znamionowemu (50V). 

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 2. 

 

Pomiary 

Obliczenia 

U

10 

I

0 

P

0 

U

20 



 

I

0 

P

0 

cos



 

V 

A 

W 

V 

- 

% 

% 

- 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Poszczególne wielkości obliczyć korzystając z zależności: 

%

100

;

1

0

%

0

20

10

n

u

I

I

I

U

U







 

          

0

10

0

0

0

%

0

cos

%;

100

I

U

P

S

P

P

n









 

W sprawozdaniu przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników. 

Próba obciążenia 

Próbę  obciążenia  należy  przeprowadzić  dla  znamionowego  napięcia  zasilającego 

badany transformator. Na stanowisku pomiarowym należy dodatkowo założyć zworki 21 i 22 
oraz zw

1

. 

Zmiana obciążenia dokonywana jest za pomocą opornicy. Przesuwając suwak opornicy 

należy zwiększać obciążenie transformatora. 

Wyniki pomiarów zestawić w tabeli:  

Lp. 

Pomiary 

Obliczenia 

U

1 

I

1 

P

1 

U

2 

I

2 

cos 



1

 

V 

A 

W 

V 

A 

 

1 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

3 

 

 

 

 

 

 

4 

 

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

 

 

Wykreślić  charakterystyki  zewnętrzne  transformatora  U

2

=f(I

2

),  I

1

=  f(I

2

),  cosφ

1

=f(I

2

), 

oraz mocy pobieranej ze źródła zasilania (sieci).  

Próba zwarcia pomiarowego 

Za pomocą dźwigni autotransformatora obniżyć napięcie wyjściowe transformatora do 

zera. Usunąć zworkę zw

1

 i założyć zworkę zw

2

. 

 
Uwaga!!!  Nie wolno zakładać zworki zw

2

  przed wcześniejszym sprawdzeniem wartości 

napięcia zasilającego stronę pierwotną transformatora, ponieważ  grozi to uszkodzeniem 
stanowiska  –  po  stronie  pierwotnej  i  wtórnej  transformatora  badanego  spowodujemy 
przepływ prądów przekraczających wartości znamionowe.!!! 

 

Stopniowo  zwiększać  napięcie  zasilające  stronę  pierwotną  transformatora  za  pomocą 

dźwigni  autotransformatora  obserwując  wskazania  amperomierza  A

2

,  aż  do  momentu 

uzyskania prądu znamionowego po stronie wtórnej.  

 

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli: 

Pomiary 

Obliczenia 

U

1z 

I

1 

P

z 

U

z% 



P

Cu% 

cos



 

I

1z 

 

V 

A 

W 

% 

% 

- 

A 

 

 

 

 

 

 

 

 

W  obliczeniach korzystamy z zależności: 

 

 

%;

100

%;

100

%

1

1

%

n

z

Cu

n

z

z

S

P

P

U

U

U







 

 

 

.

;

%

100

;

cos

1

2

%

1

1

1

1

z

z

z

n

z

n

z

z

z

I

I

U

I

I

I

U

P









 

 

Ponadto,  w  sprawozdaniu  należy  wyznaczyć  schemat  zastępczy  transformatora  dla 

stanu  zwarcia  pomiarowego  (zob.  rys.  3),  obliczając  parametry  uproszczonego  schematu 
zastępczego korzystając z  zależności: 

 

 

.

cos

;

cos

;

1

1

z

T

T

z

T

T

n

z

T

Z

X

Z

R

I

U

Z











 

 

Literatura 

1.  Kurdziel R. „Podstawy elektrotechniki” PWN Warszawa 1973 

2.  Bolkowski S. „Elektrotechnika teoretyczna” WNT Warszawa 1986 

3.  Przeździecki  F.  lub  Przeździecki  F.,Opolski  A.:  Elektrotechnika  i  elektronika.  PWN 

Warszawa.  

4.  Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa.  

5.  Praca zbiorowa - Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. PWN, W-wa.  

 

 

Pytania kontrolne 

1.  Budowa, zasada działania i cel stosowania transformatorów jednofazowych. Co to jest 

przekładnia transformatora. 

2.  Określ co to jest napięcie zwarcia transformatora i co z niego wynika. 

3.  Jakie straty w transformatorze występują i od czego zależą (wzory). 

4.  Kiedy transformator osiąga najwyższą sprawność – uzasadnij. 

5.  W jaki sposób wyznaczamy straty w obwodzie magnetycznym transformatora, a w jaki 

straty w uzwojeniach.