自耦变压器

自耦变压器的主绕组和副绕组在电气和磁路上均相互连接，与传统双绕组变压器相比，可在相同 \mathrm{VA} 额定容量下大幅降低成本。 与前述具有两个电气隔离绕组（称为“一次绕组”和“二次绕组”）的电压变压器不同，自耦变压器只有一个单一电压绕组，同时兼作一次侧和二次侧。该绕组沿其长度在多个点抽头，以在次级负载上提供一次电压的某一百分比。然后，自耦变压器具有通用的磁性铁芯，但仅有一个绕组，该绕组同时用于一次侧和二次侧电路。

因此，在自耦变压器中，一次侧和二次侧绕组在电气上和磁路上都是相互连接的。这种变压器设计的主要优点是：在相同的 \mathrm{VA} 额定容量下，其制造成本要低得多；但最大缺点是：自耦变压器不具备传统双绕组变压器的一次侧与二次侧绕组之间的电气隔离。

所指定为一次侧部分的绕组连接到交流电源上，而二次侧则连接在该一次侧绕组的一部分上。通过反接绕组的连接，自耦变压器也可用于升压或降压。如果将整个绕组作为一次侧并接入电源，而次级电路仅连接到绕组的一部分，则次级电压即为“降压”状态，如下图所示。

Autotransformer Design

当一次电流 I_P 沿箭头所示方向流过该单一绕组时，二次电流 I_S 则沿相反方向流动。因此，在产生二次电压 V_S 的那段绕组中，流出绕组的电流等于

自耦变压器也可在单一绕组上设置多个抽头。自耦变压器能够沿绕组提供不同的电压抽头，或相对于其输入电压 V_P 提高输出电压，如图所示。

多个抽头

Multiple Tapping Points

标记自耦变压器绕组的标准方法是使用大写字母来标注。例如，用 A、B、Z 等字母来识别供电端。通常，共用中性点连接标记为 N 或 n。对于二次抽头，则在自耦变压器一次绕组的各抽头位置使用后缀数字来标示。这些数字一般从“1”开始，并按升序依次编号，如下所示。

自耦变压器端子标记

Autotransformer Terminal Markings

自耦变压器主要用于对线路电压进行调节，以改变其数值或保持其恒定。如果电压的调节幅度较小（升高或降低），则变压器的变比很小，因为 V_P 与 V_S 几乎相等，电流 I_P 与 I_S 也几乎相等。

因此，承载两者电流差值的那部分绕组可以采用截面积更小的导线，因为该部分电流较小，从而节省了等效双绕组变压器的成本。

然而，对于给定的 \mathrm{VA} 或 \mathrm{kVA} 额定容量，自耦变压器的调压性能、漏感以及物理体积（由于没有第二绕组）都不如双绕组变压器。

与相同额定 \mathrm{VA} 的传统双绕组变压器相比，自耦变压器显然要便宜得多。在决定是否采用自耦变压器时，通常会将其成本与等效的双绕组型号进行比较。

这通常通过比较绕组中节省的铜量来完成。如果将比值 “n” 定义为低电压与高电压之比，则可表明铜的节省量为：

例如，这两台自耦变压器节省的铜量将为：

自耦变压器示例 No. 1

一个自耦变压器需要将电压从 220\,\mathrm{V} 升压至 250\,\mathrm{V}。变压器主绕组的总匝数为 2000 匝。当输出额定功率为 10\,\mathrm{kVA} 时，确定以下各项：

• 一次抽头位置；

• 一次电流 I_P 和二次电流 I_S；

• 铜材节省率（经济性）。

数值代入：

因此，一次电流为 45.4\ \mathrm{A}，负载所取二次电流为 40\ \mathrm{A}，有 5.4\ \mathrm{A} 流经共有绕组。铜材节约率为 88\%。

自耦变压器的缺点

自耦变压器没有传统双绕组变压器的一次侧与二次侧绕组电气隔离，因此在将较高电压降压至适合小负载的较低电压时并不安全。 如果二次侧绕组开路，负载电流停止流经一次绕组，变压作用终止，导致一次侧全电压直接加在二次端子上。 如果二次侧发生短路，因磁链增加，一次电流将远大于等效双绕组变压器的电流，从而损坏自耦变压器。 由于中性点在一次侧和二次侧绕组间共用，对二次侧接地则等同于对一次侧接地，缺乏绕组隔离；双绕组变压器有时用于设备与系统接地隔离。

自耦变压器的用途广泛，包括：启动感应电动机、调节输电线路电压，以及在一次侧与二次侧电压比接近 unity 时进行电压变换。

自耦变压器也可由常规双绕组变压器改造而成：将一次绕组与二次绕组串联连接，根据连接方式的不同，二次电压可叠加或抵消一次电压。

Variac（可变自耦变压器）

除了具有固定或抽头次级、在特定电平输出电压之外，自耦变压器还有另一种有用的应用，可用于从固定交流电源生成可变交流电压。这种可变自耦变压器通常用于学校和学院的实验室，更常被称为 Variac。

可变自耦变压器的结构与固定式相同：在层压铁芯上绕制单一一次绕组。但次级电压不是固定在某一预定抽头处，而是通过碳刷（carbon brush）抽取。

该碳刷可沿一次绕组的外露部分旋转或滑动，并在移动过程中与绕组接触，以提供所需的电压输出。

因此，可变自耦变压器在一次绕组上设置了一个可变抽头——即碳刷滑触器，它沿绕组上下滑动来控制次级绕组的有效匝数，使次级输出电压可在输入电压值与 0\,\mathrm{V} 之间连续可调。

可变自耦变压器通常设计有大量一次绕组，以便每匝电压可调至几伏特或每匝几分之一伏特。这是因为碳刷或滑触器始终与一次绕组的一个或多个匝接触，而绕组匝沿其长度均匀分布，故输出电压与滑触器的旋转角度成正比。

可变自耦变压器

Variable Autotransformer

我们可以看到，Variac 可将负载电压平滑地从 0 调节到额定电源电压。如果电源电压在一次绕组的某一点被抽取，那么次级输出电压可能会高于实际的电源电压。可变自耦变压器也可用于灯光调光，在此类应用中有时称为“dimmerstats”。

Variac 在电工和电子车间及实验室中也非常有用，因为它们可用于提供可变的交流（ \mathrm{AC}）电源。但在故障情况下，需要采取合适的熔断保护，以确保次级端子上不会出现过高电压。

与相同 \mathrm{VA} 额定值的传统双绕组变压器相比，自耦变压器具有许多优势：它们在相同 \mathrm{VA} 额定值下通常效率更高，体积更小；由于结构中所用铜量更少，成本也更低。此外，由于电阻和漏抗较小，其铁损与铜损（ I^2R 损耗）也更低，从而在电压调节性能上优于等效的双绕组变压器。

在下一个关于变压器的教程中，我们将研究另一种不在铁芯上绕制常规一次绕组的变压器设计。这种变压器通常称为电流互感器，用于为电流表及其他类似电力指示仪表供电。

自耦变压器总结

一、定义

• 只有一个绕组，同时作为一次侧和二次侧；

• 通过在绕组上不同位置抽头来实现电压升降。

二、结构与工作原理

• 公共绕组：单一线圈绕在层压铁芯上；

• 抽头端子：在绕组上标记（A、B、Z…）和数字后缀（1、2、3…）表示不同抽头；

• 中性点：通常标记为 N，与绕组公共点相连；

• 当一次电流 I_P 和二次电流 I_S 流过公共绕组时，抽头段电流为两者之差 I_P - I_S。

三、主要特点

• 变比接近 unity 时， V_P\approx V_S，I_P\approx I_S；

• 通过改变抽头位置或滑触器（Variac 的碳刷）可连续调节输出电压；

• Variac（可变自耦变压器）：绕组匝数多、碳刷滑触，输出从 0 到额定电压连续可调。

四、优点

• 节省铜耗：节省比例 n=\tfrac{V_{\rm 低}}{V_{\rm 高}}，铜材节约 n\times100\%；

• 体积小、重量轻，效率高；

• 漏抗和电阻小， I^2R 损耗低，电压调节性能优于双绕组变压器；

• 成本低，相同 VA 额定下比双绕组更经济。

五、缺点

• 无电气隔离，一次/二次侧共用绕组；

• 安全风险：抽头开路时二次端可能出现全一次电压；短路时一次电流陡增；

• 无法用于高压到低压的安全隔离场合。

六、典型应用场景

• 输电网升/降压：不同电压等级互联；

• 在线分接（LTC）调压：带载连续调压；

• 牵引供电：铁路变电所电压转换；

• 电机降压启动：减小起动电流；

• 灯光调光（dimmerstats）；

• 实验室电源（Variac）：可变交流电源。

七、示例计算

• 升压例：220 V → 250 V，匝数 2000

  • 一次抽头匝数：1760 匝

  • 二次电流：40 A， 一次电流：45.4 A

  • 铜耗节省： \tfrac{220}{250}\times100\%=88\%

此总结涵盖了自耦变压器的定义、结构、原理、优缺点、主要应用及典型计算示例。

附录

自耦变压器实物

单词表

声明

本文翻译自 electronics-tutorials

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