При холостому ході трансформатора споживаний первинною обмоткою струм, який називається намагнічуючим струмом, у малих силових трансформаторах потужністю до декількох сотень вольт-амперів зазвичай становить величину порядка 40-50% значення первинного робочого струму трансформатора. Однак у спеціальних малогабаритних силових трансформаторах малої потужності з високим використанням активних матеріалів струм, що намагнічує, може досягати величини 80-90% робочого струму.
В потужних силових трансформаторах, струм холостого ходу зазвичай становить усього лише кілька відсотків від величини робочого струму.
При синусоїдальній первинній напрузі трансформатора магнітне поле в його сердечнику, яке визначається по рівнянню (13.2), є також синусоїдальним. Однак струм холостого ходу, або намагнічуючий струм, трансформатора, виявляється несинусоїдальним у часі. Причинами спотворення кривої цього струму є: а) нелінійний характер залежності магнітного поля сердечника трансформатора від струму, що намагнічує, його; б) явища гістерезису і вихрових струмів у сталі сердечника трансформатора при його перемагнічуванні.
На рис. 13.2 представлені «ідеальна» крива 1 намагнічування сердечника трансформатора (без магнітних втрат), петля гістерезису його 2 і 3 та криві 4 і 5 струм, що намагнічує, у часі. Як показує цей малюнок, при відсутності магнітних втрат у сердечнику крива струму, що намагнічує, при синусоїдальному полі Ф виходить несинусоїдальною і симетричною відносно своєї амплітуди (штрихова крива 4). При цьому даний струм, як і поле, відстає від первинної напруги и1 на кут 90° і трансформатор не споживає активної потужності з мережі. У дійсності ж під впливом явища гістерезису і вихрових струмів у сталі сердечника при його перемагнічуванні крива струму, що намагнічує, у часі додатково ще спотворюється й стає несиметричної щодо своєї амплітуди, зсуваючись вліво до кривої первинної напруги (див. рис. 13.2, крива 5).
Робочі властивості трансформаторів зазвичай вивчають за допомогою векторних діаграм, у яких векторами зображуються величини, які змінюються в часі за законом синуса. У зв'язку із цим крива несинусоїдального струму холостого ходу трансформатора із цією метою замінюється еквівалентною синусоїдою. Під еквівалентним струмом холостого ходу тут розуміють такий струм, який поставляє трансформатору ту ж активну потужність із мережі і створює таке ж магнітне поле, як і дійсний струм. Отже, еквівалентний синусоїдальний струм холостого ходу має дві складові - активну й реактивну.
Активна складова струму холостого ходу. Споживана з мережі первинною обмоткою трансформатора при холостому ході активна потужність (Вт)
Магнітні втрати в сталі залежать від магнітної індукції, частоти перемагнічування, маси й сорту сталі. Ці втрати зазвичай обчислюють по емпіричних формулах. Оскільки індукції в стрижнях і ярмах сердечника трансформатора в загальному випадку можуть бути різними, то магнітні втрати (Вт) у них зазвичай визначають роздільно по наступних емпіричних формулах:
магнітні втрати в стрижнях
У силових трансформаторах активна складова струму холостого ходу, Іоа=І0cosφ0 зазвичай невелика в порівнянні з реактивної, тому для простоти її визначення по рівнянню (13.5) практично можливо знехтувати втратами в первинній обмотці від струму холостого ходу, поклавши І02r1 ≈ 0; тоді активна складова еквівалентного струму (А) холостого ходу
На рис. 13.3 для прикладу представлений магнітний ланцюг однофазного трансформатора стрижневого типу з позначенням його розмірів, а саме: Qc і Qя — поперечні перерізи стрижня і ярма сердечника, см2; Lс і Lя — середні довжини шляхів магнітного поля в стрижні і ярмі, см; δ — довжина технологічного повітряного проміжку в місці стику між ярмом і стрижнем, см; Фm — амплітуда магнітного поля в сердечнику, Вб.
Вс = Фm•104/Qc, Bя = Фm•104/Qя. (13.9)
Потім по дослідних кривих намагнічування для даної марки листової електротехнічної сталі сердечника (рис. 13.4) і отриманим амплітудам індукцій Вс і Вя знаходимо відповідні амплітуди питомих м.р.с. на сантиметр довжини шляху Нс і Ня.
Тоді необхідна амплітуда намагнічуючої м.р.с. (А) первинної обмотки із числом витків w1 при холостому ході трансформатора (див. рис. 13.3)
На рис. 13.5 представлена спрощена векторна діаграма ефективних значень первинної напруги U1, е.р.с. E1 еквівалентного синусоїдального струму, що намагнічує, І0 і амплітуди магнітного поля Фm при холостому ході силового однофазного трансформатора. Із цієї діаграми ефективне значення струму (А) холостого ходу трансформатора
