(完整版)自耦变压器原理

自耦变压器原理

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。

自耦变压器概述

自耦的耦是电磁耦合的意思，普通的变压器是通过原副边线圈电磁耦合来传递能量，原副边没有直接电的联系，自耦变压器原副边有直接电的联系，它的低压线圈就是高压线圈的一部分。

通信线路的防护设备中也会使用自耦变压器等保护设备。

自耦变压器是指它的绕组是，初级和次级在同一条绕组上的变压器。根据结构还可细分为可调压式和固定式。

自耦变压器是根据电磁感应现象中的自感现象制成的，它主要作用调节电压高低。

自感电动势是由于通过线圈本身的电流产生变化，使得穿过线圈的磁通发生变化而引起线圈两端产生的电动势。因为感应电动势的高低与线圈的匝数成正比例，所以整个线圈中的局部绕组产生的电动势一定低于全部绕组产生的电动势。如果把局部绕组和全部绕组分别作为初级和次级，就构成了自耦变压器。同样，改变两部分绕组的匝数比也就改变了变压比。

自耦变压器结构简单，成本低。制成的自耦调压器、自耦降压补偿器等被广泛使用。但是由于自耦变压器的初、次级在电路上没有实现隔离，安全性能不高。所以在要求使用安全电压的场所，被禁止使用自耦变压器。

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。

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。

自耦变压器工作原理图解

自耦变压器的原边电路与副边电路共用一部分线圈，如图所示。原、副边之间除了有磁的联系外，还有直接的电的联系。这是自耦变压器区别于一般变压器的特点。

从图中看出，当原边加上额定电压后，若不考虑电阻的压降和漏感电势，则

式中 K 为自耦变压器的变压比。

当自耦变压器接上负载，副边有电流 i 2 输出时，有

上式表明，自耦变压器中原、副边电流的大小与线圈匝数成反比，且在相位上相差180 °。因此，自耦变压器中，原、副边共同部分的电流为 i=i 1 +i 2 ，考虑到 i 1 与i 2 相位相反，故 I=I 2 -I 1 。当变比 K 接近 1 时，由于 i 1 与 i 2 数值相差不大，所以线圈公共部分电流 I 很小。因此，这部分线圈可用截面较小的导线，以节省材料。

自耦变压器的优点是：构简单，节省材料，效率高。但这些优点只有在变压器变比不大的情况下才有意义。它的缺点是副线圈和原线圈有电的联系，不能用于变比较大的场合（一般不大于 2 ）。这是因为当副线圈断开时，高电压就串入低压网络，容易发生事故。

实验室常用的调压器，就是一种副线圈匝数可变的自耦变压器，如下图所示。

这种调压器端点可以滑动，所以能均匀地调节电压。该调压器还可以做成三相的，容量一般为几千伏安，电压为几百伏。

使用自耦调压器时，要注意以下几点：

1 ）原副边不能接错，否则会烧毁变压器。

2 ）接电源的输入端共三个，用于 220V 和 110V 电源，不可将其接错，否则会烧毁变压器。