Biến áp là những thành phần quan trọng trong cả hệ thống điện và điện tử, đảm bảo sự cách ly điện cần thiết và thực hiện chức năng thiết yếu là điều chỉnh điện áp và dòng điện. Mặc dù quá trình thiết kế của chúng đôi khi được coi là một “nghệ thuật”, nhưng cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng lại dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản.
Máy biến áp là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện từ một mạch điện xoay chiều sang một hoặc nhiều mạch khác, bằng cách tăng (nâng áp) hoặc giảm (hạ áp) điện áp. Chúng được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như giảm điện áp của các mạch điện thông thường để vận hành các thiết bị điện áp thấp như chuông cửa và tàu hỏa đồ chơi chạy điện, hoặc tăng điện áp từ máy phát điện để cho phép truyền tải điện năng trên quãng đường dài.
Máy biến áp điều chỉnh điện áp thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Quá trình này xảy ra khi các đường từ trường hình thành và suy giảm theo sự thay đổi của dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, từ đó tạo ra dòng điện trong một cuộn khác được gọi là cuộn thứ cấp. Điện áp thứ cấp được xác định bằng cách nhân điện áp sơ cấp với tỷ lệ số vòng dây của cuộn thứ cấp so với số vòng dây của cuộn sơ cấp, được gọi là tỷ số vòng dây.
Biến áp lõi không khí được thiết kế để truyền tải dòng điện tần số vô tuyến, được sử dụng trong truyền dẫn vô tuyến; chúng bao gồm hai hoặc nhiều cuộn dây quấn quanh một vật liệu cách điện rắn hoặc một khuôn cuộn dây cách điện. Biến áp lõi sắt có chức năng tương tự trong dải tần số âm thanh. Biến áp khớp trở kháng được sử dụng để điều chỉnh trở kháng của nguồn với tải nhằm truyền năng lượng tối ưu. Biến áp cách ly thường được sử dụng vì mục đích an toàn để tách thiết bị khỏi nguồn điện.
Biến áp đảm bảo cách ly điện giữa các mạch, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với an toàn và tính năng hoạt động trong nhiều ứng dụng khác nhau. Một máy biến áp bao gồm một lõi từ với các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp quấn quanh nó. Khi áp dụng điện áp xoay chiều vào cuộn dây sơ cấp, nó sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều tương ứng với từ thông xoay chiều bên trong lõi. Từ thông này gây ra điện áp trong cả cuộn dây thứ cấp và sơ cấp, minh họa cho Định luật cảm ứng của Faraday.
Sơ đồ trên minh họa các bộ phận chính của máy biến áp: một lõi từ với các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh các nhánh của lõi. Khi áp dụng điện áp xoay chiều (Vp) vào cuộn sơ cấp, sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều (Ip), từ đó sinh ra từ thông xoay chiều bên trong lõi từ. Từ thông này gây ra điện áp trong mỗi vòng dây của cả cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Vì từ thông không đổi trên cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:
Phương trình này cho thấy rằng bằng cách điều chỉnh tỷ lệ giữa số vòng dây sơ cấp và số vòng dây thứ cấp, có thể tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều (hiệu ứng chuyển đổi điện áp). Ngoài ra, có thể chứng minh rằng: Công suất điện áp sơ cấp = Công suất điện áp thứ cấp.
Từ đó có thể thấy rằng, bằng cách điều chỉnh tỷ số vòng dây sơ cấp và thứ cấp, ta cũng có thể tăng hoặc giảm cường độ dòng điện xoay chiều (hiệu ứng chuyển đổi dòng điện). Cần lưu ý rằng không có kết nối điện trực tiếp nào giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp.
Do đó, máy biến áp cung cấp một phương pháp để cách ly các mạch điện với nhau. Các chức năng này (biến đổi điện áp/dòng điện và cách ly) không thể thực hiện hiệu quả bằng các phương pháp khác, vì vậy chúng có mặt trong hầu hết mọi thiết bị điện và điện tử trên thế giới.
Các tính chất từ tính của vật liệu lõi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của máy biến áp. Khi cuộn sơ cấp của máy biến áp được cấp điện, dòng điện từ hóa tạo ra lực từ hóa (H), từ đó sinh ra từ thông (B) trong lõi. Mối quan hệ giữa B và H được thể hiện qua đường cong B-H của vật liệu.Lực từ hóa (H) bằng tích của dòng điện từ hóa và số vòng dây, được biểu thị bằng đơn vị Ampere-Turns. Đường cong B-H minh họa cách mật độ từ thông thay đổi theo hàm của lực từ hóa; khi H tăng, B tăng cho đến khi vật liệu lõi đạt đến trạng thái bão hòa. Khi đạt đến trạng thái bão hòa, việc tăng H thêm nữa sẽ không làm tăng B đáng kể, do đó, việc thiết kế máy biến áp để hoạt động dưới mức bão hòa là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả.
Từ đồ thị B-H, có thể thấy rõ rằng khi lực từ hóa tăng từ mức 0, từ thông sẽ tăng lên đến một giá trị cực đại. Khi vượt quá mức này, việc tiếp tục tăng lực từ hóa sẽ không làm tăng đáng kể từ thông; trạng thái này được gọi là ‘bão hòa’. Các máy biến áp thường được thiết kế để đảm bảo mật độ từ thông luôn duy trì dưới mức bão hòa.
Mật độ từ thông có thể được tính theo công thức:
Địa điểm:
Lưu ý:
1 Tesla = 1 Weber/m²
1 Weber/m² = 10.000 Gauss
1 ampe-vòng trên mét = 4π × 10⁻³ oersted
Trên thực tế, tất cả các vật liệu từ hóa đều giữ lại một phần từ hóa ngay cả khi lực từ hóa giảm xuống mức không—hiện tượng này được gọi là ‘từ dư’, dẫn đến các phản ứng khác nhau khi lực từ hóa giảm so với khi tăng—một hiện tượng được gọi là ‘vòng từ trễ’.’
Đường cong từ trễ thể hiện phản ứng B-H thực sự của vật liệu, trong đó độ dốc, mức bão hòa và kích thước của đường cong phụ thuộc vào loại vật liệu và các yếu tố khác.
Khái niệm này có thể được minh họa rõ hơn qua các ví dụ sau:
 | Lõi sắt chất lượng thấp Mật độ từ thông bão hòa cao Vòng lặp lớn = tổn thất do hiện tượng trễ lớn Phù hợp với tần số 50/60 Hz |
 | Lõi sắt chất lượng cao Mật độ từ thông bão hòa cao Vòng lặp trung bình = tổn thất do hiện tượng trễ trung bình Phù hợp với các máy biến áp 400 Hz |
 | Lõi ferit – không có khe hở Mật độ dòng từ có độ bão hòa trung bình Vòng lặp nhỏ = tổn thất do hiện tượng trễ nhỏ Thích hợp cho các loại biến áp tần số cao |
 | Lõi ferit – khe hở lớn Vòng lặp nhỏ = tổn thất do hiện tượng trễ nhỏ Thích hợp cho các cuộn cảm tần số cao có dòng điện một chiều lớn |
Đường cong B-H minh họa một hiện tượng được gọi là hiện tượng trễ từ, trong đó từ hóa của vật liệu lõi không phản ứng ngay lập tức với lực từ hóa. Sự chậm trễ này dẫn đến tổn thất năng lượng được gọi là tổn thất do trễ từ. Các vật liệu có vòng trễ từ lớn hơn sẽ gây ra tổn thất nhiều hơn, vì các tổn thất này được biểu thị bằng diện tích nằm trong vòng trễ từ B-H. Do đó, lõi biến áp được chế tạo từ các vật liệu có tổn thất do trễ từ thấp để tối đa hóa hiệu suất.
Dòng điện xoáy, còn được gọi là dòng Foucault, là các vòng dòng điện được cảm ứng trong vật liệu lõi bởi từ thông xoay chiều. Các dòng điện này gây ra tổn thất do điện trở, dẫn đến hiện tượng nóng lên của lõi, một hiện tượng được gọi là tổn thất do dòng điện xoáy. Để giảm thiểu các tổn thất này, lõi biến áp thường được chế tạo từ các tấm thép xếp lớp hoặc vật liệu ferit, giúp hạn chế các đường dẫn mà các dòng điện này có thể đi qua.
Một máy biến áp lý tưởng có một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp có thể được biểu diễn như sau:
Máy biến áp này có các đặc điểm sau:
Trên thực tế, máy biến áp không hoàn toàn phù hợp với mô hình lý tưởng này do có nhiều đặc tính không lý tưởng. Mạch tương đương của máy biến áp phản ánh các đặc điểm này:
Các thông số này giúp dự đoán hiệu suất của máy biến áp và mức độ sai lệch so với mô hình lý tưởng. Nhiều đặc tính trong số này có thể được thể hiện trong mạch tương đương của máy biến áp:
Địa điểm:
Mạch tương đương của một máy biến áp phản ánh chính xác các đặc tính thực tế của mạch từ của nó, bao gồm cả lõi và cuộn dây. Do đó, nó có thể được sử dụng một cách đáng tin cậy để hiểu và dự đoán hiệu suất điện của máy biến áp trong các tình huống khác nhau. Việc nắm vững các nguyên lý cơ bản và các yếu tố thực tiễn này giúp các kỹ sư có thể thiết kế, thử nghiệm và ứng dụng máy biến áp một cách hiệu quả trong các ứng dụng đa dạng.
