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 sÄ… powszechnie stosowane jako urzÄ…dzenia dopasowujÄ…ce
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 siÄ™ uzwojeniem pierwotnym, natomiast zasilajÄ…ce
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 wskaz
nikiem
1, a uzwojenia wtórnego  wskaz
nikiem 2.
Rys.1. Szkic ideowy transformatora jednofazowego.
W transformatorach wykorzystane jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej polegajÄ…ce
na indukowaniu siły elektromotorycznej e w uzwojeniu o ilości zwojów z przez wnętrze,
którego przenika zmienny strumieÅ„ Fð
dFð
e =ð -ðz (1)
dt
Uzwojenie pierwotne zasilane napięciem przemiennym wzbudza w rdzeniu przemienny
strumień magnetyczny,
Fðt =ð Fðm sinwðt (2)
który indukuje w obu uzwojeniach przemienne siły elektromotoryczne, których wartości
skuteczne wynoszÄ…:
El = 4,44f z1Fðm (3)
E2 = 4,44 f z2Fðm (4)
gdzie:
z1, z2  liczby zwojów szeregowych odpowiednio uzwojenia pierwotnego i wtórnego,
Fðm  amplituda strumienia magnetycznego zmieniajÄ…cego siÄ™ sinusoidalnie.
Fðm = SFe Bm (5)
przy czym:
SFe - powierzchnia przekroju stali rdzenia,
Bm - amplituda indukcji magnetycznej:
dla blachy walcowanej na zimno, Bm = (1,4  1,6)T (średnio 1,5T),
dla blachy walcowanej na gorąco, Bm = (1,2 - 1,4)T (średnio 1,3T).
Przekładnia transformatora:
E1 z1
Qð =ð @ð (6)
E2 z2
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 (I2 = 0). W badaniach laboratoryjnych stan jałowy
transformatora wykorzystuje siÄ™ do wyznaczania przekÅ‚adni napiÄ™ciowej QðU, prÄ…du stanu
jałowego I0 oraz strat mocy czynnej PFe w stali rdzenia.
U10 E1 z1
QðU =ð =ð @ð (7)
U20 E2 z2
ponieważ przy I2 = 0; U20 = E2 , natomiast
U10 = E1 + I0R1 + jI0X1 (8)
Prąd stanu jałowego Io0 z uwagi na bardzo małe szczeliny powietrzne w rdzeniu i
wykonanie go z ferromagnetyka o dużej przenikalności magnetycznej jest mały (I0 = (2 - 8)%
I1n).
I0 = I0cz + I0mð (9)
Składowa czynna I0cz charakteryzuje straty mocy czynnej w stali rdzenia, (strata mocy w
uzwojeniu pierwotnym I02R1  pomijalnie mała), które są praktycznie zależne od kwadratu
napięcia zasilającego U1.
P0 = U1 I0cz @ð PFe (10)
SkÅ‚adowa bierna Imð nazywana prÄ…dem magnesujÄ…cym, wzbudza w rdzeniu strumieÅ„
magnetyczny Fð (rys. 2).
Rys. 2. Wykres wektorowy stanu jałowego transformatora
W transformatorach amplituda strumienia Fðm zgodnie z (3) i (8) zależy od wartoÅ›ci
napiÄ™cia zasilajÄ…cego, natomiast amplituda prÄ…du magnesujÄ…cego Imð 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,
UZ
UZ % =ð ×ð100% (12)
U1n
które jest niewielkie i wynosi: UZ% = 3 - 15% U1n; (3%  bardzo duże moce, 15%  małe
moce),
2) wyznaczenie strat mocy czynnej w uzwojeniach, które odpowiadają
znamionowemu obciążeniu,
Pz = I21nR1 + I22nR2 . (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 I1z (I1z = 7  33 I1n) pozwala ustalić zabezpieczenia
transformatora przed skutkami zwarć (7 I1n  jednostki małej mocy; 33 I1n  jednostki bardzo
dużej mocy).
1.4. Stan obciążenia transformatora
W transformatorze obciążonym moce pozorne po obu stronach są praktycznie równe:
U1 I1 = S1 @ð S2 = U2 I2 (14)
i równe są także amperozwoje:
I1z1 @ð I2z2 (15)
Przy stałym napięciu zasilającym Ul napięcie strony wtórnej U2 nieznacznie zmienia się
wraz z obciążeniem
U1 = QðU2+ I1 RT + j I1 XT (16)
Zależność U2 = f(I2) przy U1 = const. i cosjð2 = const. nazywa siÄ™ charakterystykÄ…
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 I1 i I2, 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:
Sp = U1 I1 @ð U2 I2 (17)
oraz moc własna
Sw = I1 (U1  U2), (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:
I1 z1 = I2 z2 (19)
Przekładnia prądowa przekładnika
U10 E1 z1
Qð1 =ð =ð @ð (7)
U20 E2 z2
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 U1n I1n U 1NU20 I2n
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 A1 i A2 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 dz
wigni autotransformatora ustawić napięcie na
uzwojeniu pierwotnym równe napięciu znamionowemu (50V).
Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 2.
Pomiary Obliczenia
U10 I0 P0 U20 I0 P0
Qð cosjð
V A W V - % % -
Poszczególne wielkości obliczyć korzystając z zależności:
U10 I0
Qðu =ð ; I0% =ð 100%
U20 I1n
P0 P0
DðP0% =ð 100%; cosjð0 =ð
Sn U10I0
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 zw1.
Zmiana obciążenia dokonywana jest za pomocą opornicy. Przesuwając suwak opornicy
należy zwiększać obciążenie transformatora.
Wyniki pomiarów zestawić w tabeli:
Lp. Pomiary Obliczenia
U1 I1 P1 U2 I2
cos jð1
V A W V A
1
2
3
4
5
Wykreślić charakterystyki zewnętrzne transformatora U2=f(I2), I1= f(I2), cosĆ1=f(I2),
oraz mocy pobieranej ze z
ródła zasilania (sieci).
Próba zwarcia pomiarowego
Za pomocÄ… dz
wigni autotransformatora obniżyć napięcie wyjściowe transformatora do
zera. Usunąć zworkę zw1 i założyć zworkę zw2.
Uwaga!!! Nie wolno zakładać zworki zw2 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
dz
wigni autotransformatora obserwując wskazania amperomierza A2, aż do momentu
uzyskania prądu znamionowego po stronie wtórnej.
Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli:
Pomiary Obliczenia
U1z I1 Pz Uz% I1z
DðPCu% cosjð
V A W % % - A
W obliczeniach korzystamy z zależności:
U1z Pz
Uz% =ð 100%; DðPCu% =ð 100%;
U1n Sn
Pz 100%
cosjðz =ð ; I1z =ð I1n ; I2z =ð I1z.
U1zI1n Uz%
Ponadto, w sprawozdaniu należy wyznaczyć schemat zastępczy transformatora dla
stanu zwarcia pomiarowego (zob. rys. 3), obliczajÄ…c parametry uproszczonego schematu
zastępczego korzystając z zależności:
U1z
ZT =ð ; RT =ð ZT cosjðz; XT =ð ZT cosjðz.
I1n
Literatura
1. Kurdziel R.  Podstawy elektrotechniki PWN Warszawa 1973
2. Bolkowski S.  Elektrotechnika teoretyczna WNT Warszawa 1986
3. Przez
dziecki F. lub Przez
dziecki 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.