自耦變壓器工作原理

在一個(gè)閉合的鐵芯上繞兩個(gè)或以上的線圈，當(dāng)一個(gè)線圈通入交流電源時(shí)（就是初級線圈），線圈中流過交變電流，這個(gè)交變電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場，交變主磁通在初級線圈中產(chǎn)生自身感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)另外一個(gè)線圈（就是次級線圈）中感應(yīng)互感電動(dòng)勢。通過改變初、次級的線圈匝數(shù)比的關(guān)系來改變初、次級線圈端電壓，實(shí)現(xiàn)電壓的變換，一般匝數(shù)比為1.5：1~2：1。因?yàn)槌跫壓痛渭壘€圈直接相連，有跨級漏電的危險(xiǎn)。所以不能作行燈變壓器。

1.自耦變壓器是輸出和輸入共用一組線圈的特殊變壓器，升壓和降壓用不同的抽頭來實(shí)現(xiàn)，比共用線圈少的部分抽頭電壓就降低，比共用線圈多的部分抽頭電壓就升高。

⒉其實(shí)原理和普通變壓器一樣的，只不過他的原線圈就是它的副線圈。一般的變壓器是左邊一個(gè)原線圈通過電磁感應(yīng)，使右邊的副線圈產(chǎn)生電壓，自耦變壓器是自己影響自己。

⒊自耦變壓器是只有一個(gè)繞組的變壓器，當(dāng)作為降壓變壓器使用時(shí)，從繞組中抽出一部分線匝作為二次繞組；當(dāng)作為升壓變壓器使用時(shí)，外施電壓只加在繞組的—部分線匝上。通常把同時(shí)屬于一次和二次的那部分繞組稱為公共繞組，自耦變壓器的其余部分稱為串聯(lián)繞組，同容量的自耦變壓器與普通變壓器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且變壓器容量越大，電壓越高．這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就越加突出。因此隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展、電壓等級的提高和輸送容量的增大，自耦變壓器由于其容量大、損耗小、造價(jià)低而得到廣泛應(yīng)用。

自耦變壓器副邊繞組是原邊繞組的一個(gè)組成部分，這樣的變壓器看起來僅有一個(gè)繞組，故也稱 “單繞組變壓器”。原副邊耦合電感可根據(jù)電路理論中異名端相連的三端耦合電感進(jìn)行解耦。在原邊施加電壓且副邊短路，或副邊施加電壓且原邊短路，均可求得歸算至自耦變壓器原邊或副邊的等效漏抗 。自耦變壓器是初、次級無須絕緣的特種變壓器，即輸出和輸入共用一組線圈的特殊變壓器?；蛘哒f，初級和次級在同一條繞阻上的變壓器。

⑴由于自耦變壓器的計(jì)算容量小于額定容量。所以在同樣的額定容量下，自耦變壓器的主要尺寸較小，有效材料（硅鋼片和導(dǎo)線）和結(jié)構(gòu)材料（鋼材）都相應(yīng)減少，從而降低了成本。有效材料的減少使得銅耗和鐵耗也相應(yīng)減少，故自耦變壓器的效率較高。同時(shí)由于主要尺寸的縮小和質(zhì)量的減小，可以在容許的運(yùn)輸條件下制造單臺容量更大的變壓器。但通常在自耦變壓器中只有k≤2時(shí)，上述優(yōu)點(diǎn)才明顯。

⑵由于自耦變壓器的短路阻抗標(biāo)幺值比雙繞組變壓器小，故電壓變化率較小，但短路電流較大。

⑶由于自耦變壓器一、二次之間有電的直接聯(lián)系，當(dāng)高壓側(cè)過電壓時(shí)會引起低壓側(cè)嚴(yán)重過電壓。為了避免這種危險(xiǎn)，一、二次都必須裝設(shè)避雷器，不要認(rèn)為一、二次繞組是串聯(lián)的，一次已裝、二次就可省略。

⑷在一般變壓器中。有載調(diào)壓裝置往往連接在接地的中性點(diǎn)上，這樣調(diào)壓裝置的電壓等級可以比在線端調(diào)壓時(shí)低。而自耦變壓器中性點(diǎn)調(diào)壓側(cè)會帶來所謂的相關(guān)調(diào)壓問題。因此，要求自耦變壓器有載調(diào)壓時(shí)，只能采用線端調(diào)壓方式。

自耦變壓器優(yōu)點(diǎn)

降壓起動(dòng)器中的自耦變壓器的變壓比是固定的，而接觸式調(diào)壓器的變壓比是可變的。自耦變壓器與同容量的一般變壓器相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、用料省、體積小等優(yōu)點(diǎn)。尤其在變壓比接近于1的場合顯得特別經(jīng)濟(jì)，所以在電壓相近的大功率輸電變壓器中用得較多，此外在10千瓦以上異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)器中得到廣泛使用。但是，由于初次級繞組共用一個(gè)繞組，有電的聯(lián)系，因此在某些場合不宜使用，特別是不能用作行燈變壓器。自耦變壓器與普通的雙繞組變壓器比較有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)消耗材料少，成本低。因?yàn)樽儔浩魉霉桎撈豌~線的量是和繞組的額定感應(yīng)電勢和額定電流有關(guān)，也即和繞組的容量有關(guān)，自耦變壓器繞組容量降低，所耗材料也減少，成本也低。

2)損耗少效益高。由于銅線和硅鋼片用量減少，在同樣的電流密度及磁通密度時(shí)，自耦變壓器的銅損和鐵損都比雙繞組變壓器減少，因此效益較高。

3)便于運(yùn)輸和安裝。因?yàn)樗韧萘康碾p繞組變壓器重量輕，尺寸小，占地面積小。

4)提高了變壓器的極限制造容量。變壓器的極限制造容量一般受運(yùn)輸條件的限制，在相同的運(yùn)輸條件的限制，在相同的運(yùn)輸條件下，自耦變壓器容量可比雙繞組變壓器制造大一些。

自耦變壓器缺點(diǎn)

在電力系統(tǒng)中采用自耦變壓器，也會有不利的影響。其缺點(diǎn)如下：

1)使電力系統(tǒng)短路電流增加。

由于自耦變壓器的高、中壓繞組之間有電的聯(lián)系，其短路阻抗只有同容量普通雙繞組變壓器的(1-1/K)平方倍，因此在電力系統(tǒng)中采用自耦變壓器后，將使三相短路電流顯著增加。又由于自耦變壓器中性點(diǎn)必須直接接地，所以將使系統(tǒng)的單相短路電流大為增加，有時(shí)甚至超過三相短路電流。

2)造成調(diào)壓上的一些困難。

主要也是因其高、中壓繞組有電的聯(lián)系引起的自耦變壓器可能的調(diào)壓方式有三種，第一種是在自耦變壓器繞組內(nèi)部裝設(shè)帶負(fù)荷改變分頭位置的調(diào)壓裝置；第二種是在高壓與中壓線路上裝設(shè)附加變壓器。而這三種方法不僅是制造上存在困難，不經(jīng)濟(jì)，且在運(yùn)行中也有缺點(diǎn)(如影響第三繞組的電壓)，解決得都不夠理想。

3)使繞組的過電壓保護(hù)復(fù)雜。

由于高、中壓繞組的自耦聯(lián)系，當(dāng)任一側(cè)落入一個(gè)波幅與該繞組絕緣水平相適應(yīng)的雷電沖擊波時(shí)，另一側(cè)出現(xiàn)的過電壓沖擊的波幅則可能超出該絕緣水平。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須在高、中壓兩側(cè)出線端都裝一組閥型避雷器。

4)使繼電保護(hù)復(fù)雜。

盡管自耦變壓器存在著一定的缺點(diǎn)，但各國還是非常重視自耦變壓器的應(yīng)用，主要是與電力系統(tǒng)向大容量高電壓的發(fā)展是分不開的，隨著容量增大，電壓升高，自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)就更為顯著。

自耦變壓器降壓啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器來降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓。待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再使電動(dòng)機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)動(dòng)。采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流 及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成比例降低，相同的啟動(dòng)電流的情況下能獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如目前 8000kW主流救助船舶側(cè)推啟動(dòng)器選擇變壓器抽頭電壓降至額定電壓的45%，其啟動(dòng)電流為全壓啟動(dòng)電流的20.25%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為全壓啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的20.25%。

自耦降壓起動(dòng)電路不能頻繁操作，如果啟動(dòng)不成功，第二次起動(dòng)應(yīng)間隔幾分鐘以上，連續(xù)兩次起動(dòng)后，應(yīng)最少半小時(shí)后再次啟動(dòng)運(yùn)行，這是為了防止自耦變壓器繞組內(nèi)啟動(dòng)電流太大而發(fā)熱損壞自耦變壓器的絕緣。

自耦變壓器在不需要初、次級隔離的場合都有應(yīng)用，具有體積小、耗材少、效率高的優(yōu)點(diǎn)。常見的交流（手動(dòng)旋轉(zhuǎn)）調(diào)壓器、家用小型交流穩(wěn)壓器內(nèi)的變壓器、三相電機(jī)自耦減壓起動(dòng)箱內(nèi)的變壓器等等，都是自耦變壓器的應(yīng)用范例。

隨著電力系統(tǒng)向大容量、高電壓的方向快速發(fā)展，自耦變壓器以低成本、高效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓電力網(wǎng)絡(luò)中，成為傳遞重要電能的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備。作為高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一，自耦變壓器對于確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行、靈活分配電能有重大意義。

隨著高鐵的快速發(fā)展，自耦變壓器的可靠性對高鐵的安全運(yùn)行至關(guān)重要。而直擊雷、接觸網(wǎng)異物等引起高鐵短路跳閘事故頻發(fā)，其產(chǎn)生的短路沖擊電流極易引起自耦變壓器繞組故障，大大降低了變壓器運(yùn)行的可靠性，嚴(yán)重影響高鐵安全運(yùn)行。

自耦變壓器中和變壓器

中和變壓器（Neutralizing Transformer）：降低強(qiáng)電線對通信線產(chǎn)生影響的一種裝置。它的次級線圈個(gè)數(shù)與通信導(dǎo)線數(shù)相同，并且直接串入通信導(dǎo)線；它的初級線圈串接入兩端接地的領(lǐng)示線。這樣強(qiáng)電線與領(lǐng)示線中的電流，會對通線線路產(chǎn)生相應(yīng)的對地電位。它改變了通信導(dǎo)線的電位分布情況，確保通信線路沿線的對地電位都不超過限定值。這種串接的方法不會改變通信線路的對地絕緣，同時(shí)起到了保護(hù)通信線路的作用。它的缺點(diǎn)就是需要多加一根領(lǐng)示線。

自耦變壓器屏蔽變壓器

屏蔽變壓器（Reduction Transformer）：屏蔽變壓器又稱為降低變壓器。它的工作原理和中和變壓器是相同的，用于通信電纜保護(hù)。它的次級錢圈是一個(gè)總體，由一段纜心或電纜本身的纜心繞成，不需要對導(dǎo)線單獨(dú)設(shè)置次級線圈；而它的初級線圈由絕緣銅線繞成，直接串接在電纜的外皮中。

自耦變壓器分隔變壓器

分隔變壓器（Isolating Transformer）：防止強(qiáng)電線對通信線產(chǎn)生影響的一種保護(hù)裝置。又稱為絕緣變壓器。它的工作原理是把變比1:1的初、次級線圈分別插接到一對通信導(dǎo)線上，這樣將導(dǎo)線分隔為多段，降低了導(dǎo)線上的感應(yīng)縱電勢，對通信線路起到了保護(hù)作用。適用于音頻通信線路，但使用分隔變壓器的通信線路上不能進(jìn)行直流測試和傳送直流信號了。

自耦變壓器吸流變壓器

吸流變壓器（Booster Transformer）：它是用在交流電氣化鐵路供電系統(tǒng)上的，是用來降低對鄰近通信線路影響的一種器件。它會把原來逸入大地的電流強(qiáng)行吸附到專門架設(shè)的回流線上，并將電流引入牽引變電站。既節(jié)能降耗，又對通信線路起到了保護(hù)作用 。

鐵心和繞組是變壓器的核心結(jié)構(gòu)，是變壓器的電磁耦合的關(guān)鍵，決定了變壓器的基本性能，所以首先確立鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)就大體確立了整個(gè)變壓器的框架。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器原理

AT供自耦變壓器是用在牽引供電系統(tǒng)中的一種特殊的單相變壓器。自耦變壓器與普通電力變壓器的區(qū)別是一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。正因?yàn)槿绱?，在傳輸容量相同的條件下，自耦變壓器與普通的電力變壓器相比，尺寸更小，效率更高。

AT供單相自耦變壓器繞組電路連接關(guān)系如圖2-1所示，其中AB繞組是串聯(lián)繞組；CD繞組是為高壓側(cè)和低壓側(cè)共有的，通常稱為公共繞組 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器卷鐵心

（1）鐵心結(jié)構(gòu)及尺寸

1) 鐵心結(jié)構(gòu)選擇

AT自耦變壓器是單相變壓器，這種大容量的單相變壓器的鐵心一般采用單相雙框式或者是單相單框式。單相雙框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-2所示，兩個(gè)部分的鐵心獨(dú)立繞制；單相單框式結(jié)構(gòu)鐵心、繞組及油道設(shè)置如圖2-3所示。其各自的優(yōu)勢劣勢如下：

單相雙框式鐵心

優(yōu)勢：絕緣墊塊、壓塊結(jié)構(gòu)簡單； 運(yùn)輸方便

劣勢：拼合難度大；線圈高度高，加上端部絕緣部分，圈制造造成困難；抗短路能力較弱

單相單框式鐵心

優(yōu)勢：抗短路能力強(qiáng)；繞組分散，利于散熱

劣勢：線圈繞制的工作量翻倍；對線引線更復(fù)雜

綜合考慮兩種鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是單相單框式結(jié)構(gòu)在抗短路能力上的優(yōu)勢，采用單相單框式鐵心結(jié)構(gòu)。

2) 鐵心直徑

鐵心直徑選取是否合理，將直接影響變壓器的材料消耗、變壓器重量、體積、成本、運(yùn)輸及主要性能指標(biāo)。如果鐵心直徑選取過大時(shí)，變壓器的重量將會增加，空載損耗增加，這樣運(yùn)輸成本也會增加，變壓器的外形也更加矮胖，而導(dǎo)線重和負(fù)載損耗會減小。如果變壓器鐵心直徑選取過小，會得到相反的結(jié)果。

3）鐵心材料

鐵心作為變壓器的骨架和導(dǎo)磁構(gòu)件，其性能至關(guān)重要，而變壓器鐵心的性能又主要是由其材料所決定。為使變壓器性能達(dá)到要求，鐵心材料必須滿足兩點(diǎn)要求：

第一，材料要有較高的磁導(dǎo)率，這樣在同樣的磁通密度下，傳導(dǎo)的磁通量就大，所需的鐵心材料就少，變壓器鐵心的體積和重量也較小，相對而言可節(jié)省硅鋼片、銅線和絕緣材料，方便運(yùn)輸節(jié)省成本；

第二，材料的單位損耗要低，變壓器的空載損耗是由鐵心的材料所決定的，單位損耗越低，相應(yīng)的空載損耗就越低，同時(shí)損耗產(chǎn)生的溫升也降低，對變壓器的性能就有顯著提升。目前，變壓器鐵心材料多使用硅鋼片，而硅鋼片按生產(chǎn)工藝分為冷軋硅鋼片和熱軋硅鋼片，冷軋硅鋼片又分為晶粒有取向和晶粒無取向硅鋼片，不同硅鋼片材料的特點(diǎn)和性能如表2.3所示。

經(jīng)過上表中的硅鋼片的性能比較，雖然工藝相對較復(fù)雜，但冷軋硅鋼片在損耗方面具有較大優(yōu)勢，采用取向高導(dǎo)磁硅鋼片 。

（2）加工工藝

由于卷鐵心的結(jié)構(gòu)和疊鐵心結(jié)構(gòu)的區(qū)別，所以卷鐵心的制造過程同疊鐵心相比也有本質(zhì)的不同。疊鐵心和卷鐵心的基礎(chǔ)材料都是硅鋼片，疊鐵心通過不同大小的硅鋼片堆疊而成，卷鐵心通過集中寬度不同的硅鋼片卷繞而成。按鐵心層內(nèi)有無接縫，卷鐵心又分為切斷和不切斷兩種結(jié)構(gòu)。其中切斷結(jié)構(gòu)多用于柱截面為矩形或者是橢圓形的鐵心，適用于三相五柱式鐵心；不切斷結(jié)構(gòu)鐵心柱截面為正圓形或者R形，多用于單柱式或雙柱式鐵心。本文中的自耦變壓器結(jié)構(gòu)采用單柱式結(jié)構(gòu)，卷鐵心采用不切斷及無接縫結(jié)構(gòu)，其卷繞過程是連續(xù)的，整個(gè)鐵心的磁化方向與硅鋼片的軋制方向也一致，磁路各路磁通分布均勻。理想退火情況下，單相卷鐵心的工藝系數(shù)可以達(dá)到1.02，勵(lì)磁電流相對于疊鐵心可以降低75%左右。

卷鐵心的制造過程可分為如下幾個(gè)部分：

1）縱剪開料

按照設(shè)計(jì)要求縱剪合適寬度后，在折線開料機(jī)上開料。開料機(jī)在調(diào)試使用當(dāng)中可能出現(xiàn)料帶跑偏、料帶卷邊、料帶毛刺，送收料同步、刀頭微動(dòng)精度等問題。

2）卷繞

將心模板安裝在支撐軸上，繞后將開好的料帶按照設(shè)計(jì)圖紙逐條卷繞在心模板上。卷繞過程中要解決平面齊整度、料帶導(dǎo)向、張力控制、卷繞鎖制、心模脫卸等諸多問題。

3）卸料翻轉(zhuǎn)

鐵心重量重達(dá)好幾噸，需要設(shè)計(jì)工裝解決鐵心重量從支撐軸轉(zhuǎn)移并翻轉(zhuǎn)問題。

4）退火

退火工藝曲線關(guān)乎退火成敗，正空度、溫升速度、分幾個(gè)階段升溫、保溫溫度、保溫時(shí)間、降溫速度、充氮?dú)鈺r(shí)刻等多個(gè)參數(shù)都舉足輕重。真空度不夠，硅鋼片表面將被氧化，升溫速度過快硅鋼片將產(chǎn)生應(yīng)變，鐵心變形，退火效果大打折扣，升溫速度過慢則浪費(fèi)能源增加費(fèi)用，保溫時(shí)間類同。

5）鐵心拼裝

將兩半鐵心拼合，中間設(shè)置油道，安裝鐵心拉板及夾件，安裝支撐的木件，并用綠綁帶捆扎為一體 。

卷鐵心自耦變壓器AT供自耦變壓器繞組結(jié)構(gòu)

變壓器繞組結(jié)構(gòu)大體上可以分為兩類，層式繞組和餅式繞組。層式繞組又稱為圓筒式繞組，其中應(yīng)用最為廣泛的是雙層及多層圓筒式繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，常用于35kV及以下的中小型油浸式變壓器，構(gòu)成整個(gè)繞組的材料及零部件有導(dǎo)線、厚紙筒、端絕緣、層絕緣、油道支撐、靜電屏。雖然其制作簡單，工藝性好，但端部支撐的穩(wěn)定性不好，所有層式繞組，尤其是多層式繞組的雷電沖擊性能好，在超高壓變壓器領(lǐng)域有所應(yīng)用，但它的廣泛應(yīng)用受制于其軸向支撐的穩(wěn)定性較差。餅式繞組包括連續(xù)式、糾結(jié)式、內(nèi)屏蔽式、螺旋式以及更加復(fù)雜的交錯(cuò)式繞組，餅式繞組機(jī)械強(qiáng)度高，散熱性好，在目前得到廣泛的使用，其中的糾結(jié)式繞組和內(nèi)屏蔽式繞組，可以增加繞組的縱向電容，改善繞組沖擊電壓的分布，沖擊特性較好，適用于高電壓等級的變壓器。綜合分析兩種繞組結(jié)構(gòu)，采用餅式繞組結(jié)構(gòu)。

短路阻抗是變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)十分重要的參數(shù)，它的大小涉及到變壓器的成本、效率、電壓變化率、機(jī)械強(qiáng)度、短路電流大小等。對于大型變壓器，短路阻抗的電阻分量所占的比重很小，所以短路阻抗的大小就由其電抗分量所決定。短路電抗主要由變壓器的繞組布置方式、繞組連接方式所決定，而不同的繞組布置方式又決定了變壓器的漏磁大小及分布規(guī)律，所以可以說短路電抗是由變壓器的漏磁場大小及分布規(guī)律所決定的 。

自耦變壓器降壓啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器來降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓。待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再使電動(dòng)機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)動(dòng)。這種降壓啟動(dòng)分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種 。