Reatores com núcleo de entreferro

Apesar de seu nome sugerir algo diferente, tal como relacionado com energia nuclear, o reator é um elemento de grande importância num sistema elétrico, mas que nada tem a ver com energia nuclear.

O termo reator advém de reatância. No caso, indutiva. Essencialmente, se utilizam reatores em diversas situações, tais como na limitação de corrente de curto-circuito, na filtragem harmônica ou na compensação de reativos de linhas de transmissão, dentre outros, tendo-se por base um valor de reatância indutiva que tem que estar garantido em projeto.

Consequentemente, o emprego de material ferromagnético para se produzir reatores, monofásicos ou trifásicos, parece uma opção óbvia. Afinal, com o emprego deste tipo de material no núcleo, o reator poderá ter elevado valor de indutância em um tamanho reduzido, sem um custo comprometedor.

Entretanto, há um importante fator que traz dificuldades para essa opção, que é a não-linearidade inerente ao material ferromagnético. Não somente a saturação magnética, mas, principalmente, o laço de histerese. Esses fatores fazem com que a corrente de um reator construído com esse material não seja senoidal, mas exatamente tal qual a corrente em vazio de um transformador, assim como mostrado abaixo.

Esse tipo de forma de onda de corrente, além de “bagunçar” todos os cálculos de reatância, que se tornam bem mais complexos (e com um grau de incerteza considerável), apresenta componentes harmônicas, que acabam por se tornar num problema adicional onde o reator viria a ser instalado justamente para solucionar um outro problema.

Inconveniente e soluções

Por conta desses consideráveis inconvenientes, uma solução imediata é a utilização de reatores com núcleo de ar, por serem lineares, que permitem cálculos de reatâncias bem precisos.

Todavia, por conta da reduzida permeabilidade magnética do ar, em comparação com a de materiais ferromagnéticos (1: 10.000,00 – como referência), nesses reatores nem sempre se alcançam valores satisfatórios de indutância, senão com a associação série de vários desses reatores, que vai invariavelmente ocupar um espaço considerável. Assim, muito embora existam aplicações em que os reatores com núcleo de ar sejam consagrados, tem de haver um meio-termo para a escolha do tipo de reator e que mescle as melhores características dos dois tipos anteriormente citados. E estes são os reatores contendo entreferro.

Eles possuem núcleo predominantemente preenchido com material ferromagnético, havendo um pequeno espaço de ar (ou outro isolante elétrico, liquido ou sólido), providencialmente localizado.

Gap

Esse espaço é conhecido como gap, ou entreferro, e suas dimensões são decisivas na definição do valor de indutância a se garantir em projeto (e, consequentemente, na definição do valor de reatância indutiva).

Neste caso, a função do material ferromagnético no circuito é direcionar o fluxo magnético até o entreferro, através de um caminho de baixa relutância magnético, evitando a sua dispersão.

Desta forma, toda a energia magnética se concentra no entreferro, por apresentar a maior relutância do circuito magnético, mesmo tendo espessura de alguns décimos de milímetro. Um exemplo numérico, a seguir, dá apenas uma ideia de como isso ocorre:  abaixo se mostra um circuito magnético simples, contendo material ferromagnético saturável tem comprimento médio, lm, de 10 cm, área da seção transversal, A, de 1 cm2, e número de espiras, N, igual a 5000.

Ao lado do circuito se mostram as curvas de magnetização para os casos em que o entreferro, d, não exista e, também, para o caso em que valha 0,6 mm.

Neste exemplo simples se nota como o gap permite um ganho em linearidade, na curva de magnetização, mas com a contrapartida da redução do valor de indução para um mesmo valor de corrente elétrica nos enrolamentos, representado pelo valor de campo magnético, H. Este compromisso é a base de um projeto bem elaborado de um reator com entreferro.

Outras possibilidades

Apesar da simplicidade com que o exemplo ilustra a influência do gap, existe uma variedade bastante significativa de tipos projetos de circuitos magnéticos. Alguns bem sofisticados e complexos.

Por exemplo, com pequenos entreferros intercalados com peças de material ferromagnético.

Mas, sem dúvidas, é um tipo de projeto que difere bastante daqueles de transformadores, por exemplo. Em tamanho, o reator pode variar, segundo a potência envolvida, que pode ser de alguns Var´s, em aplicações de baixa-tensão, até chegar a vários MVAr´s, em redes de Extra Alta-Tensão. Em alguns casos, o tamanho do gap pode até ser ajustável, externamente, permitindo o ajuste de valores de reatância dentro de determinada faixa.

Entretanto, é muito importante ainda considerar que a opção pelo meio-termo, através da adoção predominante de material ferromagnético e do entreferro, apresenta uma característica que possui efeitos significativos: As perdas no material ferromagnético.

Perdas

Essencialmente, perdas por efeito Foucault e perdas por histerese. Por isso, um reator com entreferro tipo jamais poderá deixar de ter considerada uma resistência elétrica que represente essas perdas, além da resistência elétrica do condutor que compõe os enrolamentos.

Essa resistência adicional é frequentemente representada como estando em paralelo com a associação série entre a indutância propriamente obtida e a resistência dos enrolamentos.

Dentre os efeitos dessas perdas, que impedem que o reator seja uma indutância pura, citam-se os principais como sendo a perda de sintonia em filtros de harmônicos e o aquecimento excessivo de reatores. Esses efeitos tornam-se problemas incontornáveis tão somente quanto o projetista não considera a relevância dessas perdas no material ferromagnético.

Cabe, portanto, ao projetista estar a par de todos esses elementos, a fim de elaborar um projeto de qualidade de um reator, segundo sua aplicação.

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