自耦变压器工作原理及特点

随着工业的不断发展，除了普通双绕组电力变压器外，相应地出现了适用于各种用途的特殊变压器，虽然种类和规格很多，但是其基本原理与普通双绕组变压器相同或相似，不再作一一讨论。本文主要介绍较常用的自耦变压器的工作原理及特点。

一、自耦变压器工作原理

1．结构特点及用途

前面叙述的变压器，其一、二次绕组是分开绕制的，它们虽装在同一铁心上，但相互之间是绝缘的，即一、二次绕组之间只有磁的耦合，而没有电的直接联系。这种变压器称为双绕组变压器。如果把一、二次绕组合二为一，使二次绕组成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器，如图所示。可见自耦变压器的一、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接联系。由下面的分析可知，自耦变压器可节省铜和铁的消耗量，从而减小变压器的体积、重量，降低制造成本，且有利于大型变压器的运输和安装。在高压输电系统中，自耦变压器主要用来连接两个电压等级相近的电力网，作联络变压器之用。在实验室常用具有滑动触点的自耦调压器获得可任意调节的交流电压。此外，自耦变压器还常用作异步电动机的起动补偿器，对电动机进行降压起动。

图 自耦变压器工作原理

2．电压、电流及容量关系

    自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的，当一次绕组U1U2两端加交变电压U₁时，铁心中产生交变的磁通，并分别在一次绕组及二次绕组中产生感应电动势E₁及E₁，它们也有下述关系

 U₁≈E₁＝4.44fN₁Фm

U₂＝E₂=4.44fN₂Фm

  故自耦变压器的变比K为

    当自耦变压器二次绕组加上负载后，由于外加电源电压不变，故主磁通近似不变，因此总的励磁磁通势仍等于空载磁通势，即

可见流经公共绕组中的电流总是小于输出电流I₂。当变比K接近于1时，则I₁与I₂的数值相差不大，即公共绕组中的电流I很小，因而这部分绕组可用截面积较小的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。

自耦变压器输出的视在功率为S₂=U₂I₂=U₂（I+I₁）=U₂I+U₂I₁

从上式可看出，自耦变压器的输出功率由两部分组成，其中U₂I部分是依据电磁感应原理从一次绕组传递到二次绕组的视在功率，而U₂I₁则是通过电路的直接联系从一次绕组直接传递到二次绕组的视在功率。由于I₁只在一部分绕组的电阻上产生铜损耗，因此自耦变压器的损耗比普通变压器要小，效率较高，因而较为经济。

理论分析和实践都可以证明：当一二次绕组电压之比接近于1时，或者说不大于2时，自耦变压器的优点比较显著，当变比大于2时，好处就不多了。所以实际应用的自耦变压器，其变比一般在1.2～2.0的范围内。如在电力系统中，用自耦变压器把110 kV、150 kV、220 kV和330kV的高压电力系统连接成大规模的动力系统。自耦变压器的缺点在于：一、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及到低压侧，这是很不安全的，因此要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。自耦变压器不仅用于降压，也可作为升压变压器。

如果把自耦变压器的抽头做成滑动触点，就可构成输出电压可调的自耦变压器。为了使滑动接触可靠，这种自耦变压器的铁心做成圆环形，其上均匀分布绕组，滑动触点由碳刷构成，由于其输出电压可调，因此称为自耦调压器，其外形和原理电路如图所示。自耦变压器的一次绕组匝数N₁固定不变，并与电源相连，一次绕组的另一端点U2和滑动触点a之间的绕组N₂就作为二次绕组。当滑动触点a移动时，输出电压U₂随之改变，这种调压器的输出电压U₂可低于一次绕组电压U₁，也可稍高于一次绕组电压。如实验室中常用的单相调压器，一次绕组输入电压U₁＝220V，二次绕组输出电压U₂＝0～250V，在使用时，要注意：一、二次绕组的公共端U₂或u₂接中性线（零线），U₁端接电源相线（火线），u₁端和u₂端作为输出。此外还必须注意自耦调压器在接电源之前，必须把手柄转到零位，使输出电压为零，以后再慢慢顺时针转动手柄，使输出电压逐步上升。

图  自耦调压器