隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，除了普通雙繞組電力變壓器外，相應(yīng)地出現(xiàn)了適用于各種用途的特殊變壓器，雖然種類和規(guī)格很多，但是其基本原理與普通雙繞組變壓器相同或相似，不再作一一討論。本文主要介紹較常用的自耦變壓器的工作原理。
自耦變壓器概述
自耦的耦是電磁耦合的意思，普通的變壓器是通過原副邊線圈電磁耦合來(lái)傳遞能量，原副邊沒有直接電的聯(lián)系，自耦變壓器原副邊有直接電的聯(lián)系，它的低壓線圈就是高壓線圈的一部分。
通信線路的防護(hù)設(shè)備中也會(huì)使用自耦變壓器等保護(hù)設(shè)備。
自耦變壓器是指它的繞組是，初級(jí)和次級(jí)在同一條繞組上的變壓器。根據(jù)結(jié)構(gòu)還可細(xì)分為可調(diào)壓式和固定式。
自耦變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的自感現(xiàn)象制成的，它主要作用調(diào)節(jié)電壓高低。
自感電動(dòng)勢(shì)是由于通過線圈本身的電流產(chǎn)生變化，使得穿過線圈的磁通發(fā)生變化而引起線圈兩端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的高低與線圈的匝數(shù)成正比例，所以整個(gè)線圈中的局部繞組產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)一定低于全部繞組產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。如果把局部繞組和全部繞組分別作為初級(jí)和次級(jí)，就構(gòu)成了自耦變壓器。同樣，改變兩部分繞組的匝數(shù)比也就改變了變壓比。
自耦變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。制成的自耦調(diào)壓器、自耦降壓補(bǔ)償器等被廣泛使用。但是由于自耦變壓器的初、次級(jí)在電路上沒有實(shí)現(xiàn)隔離，安全性能不高。所以在要求使用安全電壓的場(chǎng)所，被禁止使用自耦變壓器。
一、自耦變壓器工作原理
1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途
前面敘述的變壓器，其一、二次繞組是分開繞制的，它們雖裝在同一鐵心上，但相互之間是絕緣的，即一、二次繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的直接聯(lián)系。這種變壓器稱為雙繞組變壓器。如果把一、二次繞組合二為一，使二次繞組成為一次繞組的一部分，這種只有一個(gè)繞組的變壓器稱為自耦變壓器，如圖所示。可見自耦變壓器的一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。由下面的分析可知，自耦變壓器可節(jié)省銅和鐵的消耗量，從而減小變壓器的體積、重量，降低制造成本，且有利于大型變壓器的運(yùn)輸和安裝。在高壓輸電系統(tǒng)中，自耦變壓器主要用來(lái)連接兩個(gè)電壓等級(jí)相近的電力網(wǎng)，作聯(lián)絡(luò)變壓器之用。在實(shí)驗(yàn)室常用具有滑動(dòng)觸點(diǎn)的自耦調(diào)壓器獲得可任意調(diào)節(jié)的交流電壓。此外，自耦變壓器還常用作異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)補(bǔ)償器，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓起動(dòng)。
2．電壓、電流及容量關(guān)系
自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)一次繞組U1U2兩端加交變電壓U1時(shí)，鐵心中產(chǎn)生交變的磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1及E1，它們也有下述關(guān)系
U1≈E1＝4.44fN1Фm
U2＝E2=4.44fN2Фm
故自耦變壓器的變比K為
當(dāng)自耦變壓器二次繞組加上負(fù)載后，由于外加電源電壓不變，故主磁通近似不變，因此總的勵(lì)磁磁通勢(shì)仍等于空載磁通勢(shì)，即
可見流經(jīng)公共繞組中的電流總是小于輸出電流I2。當(dāng)變比K接近于1時(shí)，則I1與I2的數(shù)值相差不大，即公共繞組中的電流I很小，因而這部分繞組可用截面積較小的導(dǎo)線繞制，以節(jié)約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。
自耦變壓器輸出的視在功率為S2=U2I2=U2（I+I1）=U2I+U2I1
從上式可看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U2I部分是依據(jù)電磁感應(yīng)原理從一次繞組傳遞到二次繞組的視在功率，而U2I1則是通過電路的直接聯(lián)系從一次繞組直接傳遞到二次繞組的視在功率。由于I1只在一部分繞組的電阻上產(chǎn)生銅損耗，因此自耦變壓器的損耗比普通變壓器要小，效率較高，因而較為經(jīng)濟(jì)。
理論分析和實(shí)踐都可以證明：當(dāng)一二次繞組電壓之比接近于1時(shí)，或者說(shuō)不大于2時(shí)，自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)比較顯著，當(dāng)變比大于2時(shí)，好處就不多了。所以實(shí)際應(yīng)用的自耦變壓器，其變比一般在1.2～2.0的范圍內(nèi)。如在電力系統(tǒng)中，用自耦變壓器把110 kV、150 kV、220 kV和330kV的高壓電力系統(tǒng)連接成大規(guī)模的動(dòng)力系統(tǒng)。自耦變壓器的缺點(diǎn)在于：一、二次繞組的電路直接連在一起，造成高壓側(cè)的電氣故障會(huì)波及到低壓側(cè)，這是很不安全的，因此要求自耦變壓器在使用時(shí)必須正確接線，且外殼必須接地，并規(guī)定安全照明變壓器不允許采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)形式。自耦變壓器不僅用于降壓，也可作為升壓變壓器。
如果把自耦變壓器的抽頭做成滑動(dòng)觸點(diǎn)，就可構(gòu)成輸出電壓可調(diào)的自耦變壓器。為了使滑動(dòng)接觸可靠，這種自耦變壓器的鐵心做成圓環(huán)形，其上均勻分布繞組，滑動(dòng)觸點(diǎn)由碳刷構(gòu)成，由于其輸出電壓可調(diào)，因此稱為自耦調(diào)壓器，其外形和原理電路如圖所示。自耦變壓器的一次繞組匝數(shù)N1固定不變，并與電源相連，一次繞組的另一端點(diǎn)U2和滑動(dòng)觸點(diǎn)a之間的繞組N2就作為二次繞組。當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)a移動(dòng)時(shí)，輸出電壓U2隨之改變，這種調(diào)壓器的輸出電壓U2可低于一次繞組電壓U1，也可稍高于一次繞組電壓。如實(shí)驗(yàn)室中常用的單相調(diào)壓器，一次繞組輸入電壓U1＝220V，二次繞組輸出電壓U2＝0～250V，在使用時(shí)，要注意：一、二次繞組的公共端U2或u2接中性線（零線），U1端接電源相線（火線），u1端和u2端作為輸出。此外還必須注意自耦調(diào)壓器在接電源之前，必須把手柄轉(zhuǎn)到零位，使輸出電壓為零，以后再慢慢順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使輸出電壓逐步上升。
自耦變壓器工作原理圖解
自耦變壓器的原邊電路與副邊電路共用一部分線圈，如圖所示。原、副邊之間除了有磁的聯(lián)系外，還有直接的電的聯(lián)系。這是自耦變壓器區(qū)別于一般變壓器的特點(diǎn)。
從圖中看出，當(dāng)原邊加上額定電壓后，若不考慮電阻的壓降和漏感電勢(shì)，則
式中 K 為自耦變壓器的變壓比。
當(dāng)自耦變壓器接上負(fù)載， 副邊有電流 i 2 輸出時(shí)，有
上式表明，自耦變壓器中原、副邊電流的大小與線圈匝數(shù)成反比，且在相位上相差 180 °。因此，自耦變壓器中，原、副邊共同部分的電流為 i=i 1 +i 2 ， 考慮到 i 1 與 i 2 相位相反，故 I=I 2 -I 1 。 當(dāng)變比 K 接近 1 時(shí)，由于 i 1 與 i 2 數(shù)值相差不大，所以線圈公共部分電流 I 很小。因此，這部分線圈可用截面較小的導(dǎo)線，以節(jié)省材料。
自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，效率高。 但這些優(yōu)點(diǎn)只有在變壓器變比不大的情況下才有意義。它的缺點(diǎn)是副線圈和原線圈有電的聯(lián)系，不能用于變比較大的場(chǎng)合（一般不大于 2 ）。這是因?yàn)楫?dāng)副線圈斷開時(shí)，高電壓就串入低壓網(wǎng)絡(luò)，容易發(fā)生事故。
實(shí)驗(yàn)室常用的調(diào)壓器，就是一種副線圈匝數(shù)可變的自耦變壓器， 如下圖所示。
這種調(diào)壓器端點(diǎn)可以滑動(dòng)，所以能均勻地調(diào)節(jié)電壓。 該調(diào)壓器還可以做成三相的，容量一般為幾千伏安，電壓為幾百伏。
使用自耦調(diào)壓器時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：
1 ）原副邊不能接錯(cuò)，否則會(huì)燒毀變壓器。
2 ）接電源的輸入端共三個(gè)，用于 220V 和 110V 電源，不可將其接錯(cuò)，否則會(huì)燒毀變壓器。
3 ）電源接通前，要把手柄轉(zhuǎn)到零位。接通電源前，逐漸調(diào)動(dòng)受柄，調(diào)出所需要的輸出電壓。
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