Холостым ходом трансформатора называется режим, при котором к первичной обмотке подводится номинальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута (рис.4.2). Ток первичной обмотки при этом мал и составляет 3...10% номинального тока.

Рис.2.2. Схема однофазного трансформатора

Рассмотрим принцип действия трансформатора, используя его принципиальную конструкцию (рис.4.2). Первичная обмотка, имеющая

w₁ – число витков, является потребителем электроэнергии. Вторичная обмотка с числом витков w₂ является источником для приемника с сопротивлением нагрузки Z_Н. Под действием приложенного к первичной обмотке синусоидального напряжения u₁=U_msinwt в ней также появится синусоидальный ток i₁. Магнитодвижущая сила (МДС) F_м=i₁ ×w₁ возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, направление которого определяется по правилу правоходового винта (правилу буравчика).

Большая часть магнитного потока замыкается по  магнитопроводу (Ф_ст), незначительная часть составляет поток рассеяния (Ф_р). Допустим, что магнитный поток Ф имеет одинаковую связь с витками первичной (w₁) и вторичной (w₂) обмоток, поэтому потокосцепление определяется по формулам: 

Y₁=w₁×Ф=L₁×i₁; Y₂=w₂×Ф=M×i₁.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции (е_L1), а во вторичной - ЭДС взаимоиндукции (е_М2),определяемые следующими формулами:

    е_L1= ;

    е_М2= ,

где  L₁ – индуктивность первичной обмотки;

        М  – взаимоиндуктивность обмоток трансформатора.

Если пренебречь потерями электроэнергии на активном сопротивлении первичной обмотки r₁ и на рассеяние, то приложенное напряжение к катушке для такого идеализированного трансформатора уравновешивается на холостом ходу только ЭДС самоиндукции (е₁=е_L1) таким образом,

                u₁= –e₁=  .                  (2.1)

Откуда dФ=  ,               (2.2)

а после интегрирования

Ф= ,    (2.3)

где Ф_m= – максимальное значение магнитного потока;

      К – постоянная интегрирования, которая равна нулю, т.к. опыт показывает, что постоянной составляющей магнитного потока в катушке нет.

Из (2.3) следует, что при синусоидальном приложенном напряжении, магнитный поток в трансформаторе тоже синусоидальный и отстает по фазе на 90°.

При U– const и f– const, Ф_m не зависит от магнитного сопротивления, т.е. от длины и поперечного сечения магнитопровода. В этом отличие от магнитных цепей с постоянной МДС.

Из (4.3) получим

    U_m1=2πfw₁Ф_m .                                   (2.4)

Перейдем к действующим значениям напряжения

U₁= –E₁= fw₁Ф_m»4,44fw₁Ф_m .                   (2.5)

Аналогично для режима холостого хода можно получить действующее значение ЭДС взаимоиндукции.

E₂=4,44fw₂Ф_m .                     (2.6)

Выражения (4.5) и (4.6) представляют собою уравнения электрического равновесия трансформатора на холостом ходу для действующих значений ЭДС, а в комплексной форме с учетом фазовых соотношений запишутся в следующем виде

= –j4,44fw₁  ,                                   (2.7)

                     = –j4,44fw₂ .

Из (2.7) видно, что ЭДС в обмотках трансформатора отстает по фазе на 90° от магнитного потока.

Главный параметр трансформатора – коэффициент трансформации определяется на холостом ходу, т.к. при этом U₁»E₁, а U₂=E₂ , поэтому

n=  .     (2.8)

Если n>1, то трансформатор повышающий, если n<1 – понижающий. На холостом ходу трансформатор потребляет электроэнергию. Это обусловлено потерями в магнитопроводе. Потери в магнитопроводе часто называются потерями в стали (Р_ст). Эти потери обусловлены потерями на вихревые токи и потерями на перемагничения. Потери в стали определяются величиной магнитного потока Ф, а магнитный поток, как было показано, зависит от приложенного напряжения. Напряжение на холостом ходу номинальное и потери в стали тоже номинальные и не зависят от протекающих в обмотках токов.

Таким образом, режим холостого хода используется для определения экспериментальным путем коэффициента трансформации и потерь в стали магнитопровода.