Inversor de frequência: economia em ventiladores e bombas

Alguém na sua fábrica quer instalar um inversor de frequência (em inglês, variable frequency drive ou VFD) em um ventilador ou uma bomba, e a proposta diz que o consumo cai pela metade. Um documento japonês chama o mesmo equipamento de “inverter” (inbata) e sustenta a economia com uma tarifa em ienes e uma premissa de 50 Hz ou 60 Hz. Antes de levar esses números a um pedido de aprovação, você precisa saber quando eles valem.

Resposta curta: em teoria, um ventilador a 80% da rotação reduz a potência no eixo para 51,2% do valor nominal, porque a potência varia com o cubo da rotação. Esse valor supõe que toda a resistência do sistema seja atrito. Altura estática e cargas de conjugado constante reduzem a economia, e uma máquina que opera sempre na rotação nominal pode até consumir mais.

Este guia explica os dois nomes do equipamento, as leis de semelhança, a comparação com damper ou válvula de estrangulamento e o ponto em que a altura estática quebra a lei do cubo. Depois traz três métodos de cálculo, um checklist e uma lista de perguntas para o lado japonês.

Sumário

1. Inversor ou VFD: um equipamento, dois nomes
2. Leis de semelhança: por que a potência cai com o cubo da rotação
3. Inversor x damper ou válvula de estrangulamento
4. Altura estática: onde a lei do cubo deixa de valer
5. Onde o inversor compensa e onde não
6. Cálculo da economia com inversor: três métodos
7. Como ler números e especificações japoneses
8. O que verificar antes da instalação
9. Checklist: antes de apresentar o número
10. Perguntas para o fornecedor japonês
11. Limites deste guia
12. Perguntas frequentes
13. Fontes

Inversor ou VFD: um equipamento, dois nomes

Em desenhos, catálogos e guias públicos de economia de energia do Japão, o equipamento quase sempre aparece como inverter (inbata). No Brasil, o termo de catálogo é inversor de frequência, também chamado de conversor de frequência; em inglês, você verá VFD, variable speed drive (VSD) ou AC drive. Em sentido estrito, o VFD é o tipo mais comum de VSD.

Daqui em diante, este guia usa “inversor”. Quando um documento japonês diz “inverter” no contexto de um motor, trata-se do mesmo equipamento.

Por que o inversor é necessário? A resposta está em uma fórmula. A velocidade síncrona em rpm é 120 × frequência ÷ número de polos, então um motor de 4 polos gira perto de 1.500 rpm em 50 Hz e perto de 1.800 rpm em 60 Hz (o caso da rede brasileira). Com a rede em frequência fixa, um motor de indução gira, na prática, a uma única velocidade.

O inversor remove esse limite ao reconstruir a energia que entrega ao motor, como mostra a Figura 1.

Figura 1: Como o inversor de frequência (VFD) muda a rotação do motor

O inversor converte a energia da rede em corrente contínua, depois gera corrente alternada na frequência necessária e a envia ao motor.

Por dentro, o inversor retifica a corrente alternada em contínua e a filtra com capacitores. Chaves semicondutoras geram então corrente alternada com nova frequência e nova tensão. Baseado em documento da Associação Japonesa dos Fabricantes de Equipamentos Elétricos (JEMA).

Quando a frequência cai, o inversor reduz a tensão na mesma proporção. Esse controle V/f constante mantém estável o fluxo magnético do motor enquanto a rotação muda. Este guia trata do par mais comum nas fábricas: motor de indução trifásico e inversor.

Leis de semelhança: por que a potência cai com o cubo da rotação

As leis de semelhança (affinity laws; sojisoku nos documentos japoneses) descrevem como um ventilador ou uma bomba centrífuga responde a uma mudança de rotação. A vazão varia com a rotação, a pressão com o quadrado da rotação e a potência no eixo com o cubo da rotação. A potência é proporcional à vazão vezes a pressão, então a primeira e a segunda potências se multiplicam e dão uma terceira.

Em fórmulas, uma mudança de rotação de N1 para N2 dá estes resultados:

• Vazão: Q2 = Q1 × (N2/N1)
• Pressão: P2 = P1 × (N2/N1)²
• Potência no eixo: L2 = L1 × (N2/N1)³

A Figura 2 traça as três curvas. O Ministério do Meio Ambiente do Japão (MOE) usa o mesmo exemplo de 80% em sua ficha técnica, e o Departamento de Energia dos EUA (DOE) o descreve como uma redução de 20% na rotação que diminui a potência de entrada em cerca de 50%.

Figura 2: Vazão, pressão e potência no eixo em função da rotação (leis de semelhança)

Com 80% da rotação, a vazão é 80%, a pressão é 64% e a potência no eixo é 51,2% do valor nominal.

Vazão (1ª potência)Pressão (quadrado)Potência no eixo (cubo)

Essas leis supõem o mesmo impelidor (ou rotor do ventilador), densidade do fluido constante, rendimento aproximadamente igual em cada ponto de operação e resistência apenas de atrito em tubulação ou duto (resistência zero com vazão zero). Se há altura estática ou contrapressão fixa, a pressão não consegue cair tanto e a potência cai mais devagar que o cubo.

A Figura 2 mostra curvas ideais. Um medidor de energia real também registra as perdas do motor e do inversor, e o rendimento cai em baixa rotação, então a potência medida fica um pouco acima do cálculo. O DOE observa que o rendimento do inversor cai quando a carga diminui, principalmente em inversores pequenos.

Essas perdas pesam menos do que parece. Em um exemplo do DOE, um exaustor de 20 hp (cerca de 15 kW) a meia rotação, com rendimento do motor de 77,8% e do inversor de 86%, consome apenas 2,8 kW em vez de 16,4 kW.

Cargas de conjugado variável e de conjugado constante

Ventiladores, bombas e sopradores são cargas de conjugado variável: o conjugado cai com o quadrado da rotação, então a potência cai com o cubo. Os documentos japoneses chamam isso de nijo teigen toruku (carga de conjugado quadrático decrescente).

Cargas de conjugado constante se comportam de outro modo. O conjugado fica quase igual em qualquer rotação, então a potência cai apenas em proporção à rotação. Transportadores, extrusoras, misturadores, bombas de deslocamento positivo e compressores de parafuso pertencem a esse grupo, e a lei do cubo não vale para eles.

Inversor x damper ou válvula de estrangulamento

Sem inversor, a vazão costuma ser reduzida fechando um damper na saída do ventilador ou uma válvula no recalque da bomba. O motor continua em rotação quase plena, e a resistência adicional reduz a vazão. A energia dissipada na válvula continua fazendo parte da energia que você paga.

O inversor abaixa a própria curva da bomba ou do ventilador, então não é preciso acrescentar resistência. O guia do DOE afirma que o controle de rotação é sempre mais eficiente que uma válvula de controle para regular vazão. A Figura 3 mostra o tamanho da diferença para um ventilador centrífugo.

Figura 3: Controle por damper ou válvula x controle por inversor

Com a mesma vazão de ar de 80%, a potência no eixo é 95% com damper e 51% com redução de rotação.

Controle por damper ou válvulaO motor continua em rotação plena. Um damper ou uma válvula acrescenta resistência para reduzir a vazão. A pressão sobe, e a perda por estrangulamento vira calor e ruído. A potência no eixo é de cerca de 95% com 80% da vazão de ar

Controle por inversorA rotação menor reduz a vazão. Sem resistência adicional, a pressão também cai, e a potência cai com o cubo da rotação. A potência no eixo é de cerca de 51% com 80% da vazão de ar, sem contar as perdas do inversor

Valores para um ventilador centrífugo, conforme a ficha do MOE, com base em um gráfico de uma folha de dados do Energy Conservation Center, Japan (ECCJ).

O damper economiza um pouco porque a potência no eixo de um ventilador centrífugo cai um pouco com a vazão. A mesma folha de dados traz curvas para damper de entrada, palhetas de entrada e acoplamento hidráulico. O método de controle existente muda a economia, então identifique-o primeiro.

A tabela resume as diferenças.

Ponto de comparação	Controle por damper ou válvula	Controle por inversor
Como a vazão é reduzida	Resistência adicional	Rotação menor
Rotação do motor	Perto da rotação plena	Cai para acompanhar a vazão necessária
Pressão	Sobe à medida que se estrangula	Cai com o quadrado da rotação
Potência no eixo com 80% da vazão de ar (exemplo de ventilador centrífugo)	Cerca de 95%	Cerca de 51%
Custo do equipamento	Baixo: apenas o damper ou a válvula	Exige o inversor e o serviço de instalação

A mesma comparação na curva da bomba

Uma bomba opera onde sua curva característica cruza a curva do sistema. Fechar uma válvula torna a curva do sistema mais inclinada, então o ponto de operação sobe e vai para a esquerda: a vazão cai, mas a altura manométrica sobe. Reduzir a rotação abaixa a curva da bomba, e por isso a mesma vazão é entregue com uma altura manométrica bem menor.

A Figura 4 usa um exemplo resolvido do J-Net21, site japonês de apoio a pequenas e médias empresas, ligado ao governo. A bomba do exemplo tem altura de shut-off de 1,4 vez a altura nominal e altura estática de 0,3 vez a altura nominal, e a vazão é reduzida à metade da nominal.

Figura 4: Pontos de operação com estrangulamento e com rotação reduzida

Com metade da vazão, o controle por válvula opera com altura manométrica de 1,3 e o controle por inversor com 0,475 (altura nominal = 1,0).

Curva da bomba (rotação nominal)Curva da bomba (rotação reduzida)Curva do sistemaCurva do sistema (estrangulada)

Esquema desenhado com as mesmas condições do exemplo do J-Net21: altura de shut-off de 1,4 vez a nominal, altura estática de 0,3 vez a nominal e vazão reduzida à metade da nominal.

Nesse exemplo, o controle por válvula exige 65% da potência nominal e o controle por rotação exige 24%, o que o J-Net21 apresenta como economia de 63%. Esses 63% são medidos em relação ao caso estrangulado, não à potência nominal. Ao ler um percentual de economia japonês, confira sempre a base de comparação.

Altura estática: onde a lei do cubo deixa de valer

A altura manométrica total tem duas partes. A altura estática (jitsu-yotei, nos documentos japoneses) é a altura que o líquido precisa vencer, ou uma contrapressão fixa no destino, e a perda de carga por atrito varia com o quadrado da vazão. Um sistema fechado de circulação tem apenas perda de carga por atrito, e resistência só de atrito é a condição que a lei do cubo supõe.

A altura estática permanece a mesma por mais que se reduza a vazão, então essa parte da altura manométrica não pode ser reduzida. Os ventiladores têm o mesmo limite quando o fim do duto precisa manter uma pressão estática fixa.

O guia do DOE chama de erro comum, capaz de causar grandes desvios, usar as leis de semelhança para estimar economia em sistemas com altura estática. A Figura 5 mostra o tamanho da diferença com metade da vazão.

Figura 5: Potência necessária com vazão reduzida, com e sem altura estática

Com 50% da vazão, a potência necessária é 12,5% pela lei do cubo ideal, cerca de 24% com altura estática de 30% da altura nominal e 65% com controle por válvula.

Controle por válvulaControle por rotação (altura estática 0,3)Controle por rotação (altura estática 0, lei do cubo ideal)

Esquema com as condições do exemplo do J-Net21 (altura de shut-off 1,4; altura estática 0,3), com rendimento da bomba constante. Na prática, o rendimento cai com vazão baixa, e a potência fica acima da mostrada.

O controle por rotação ainda vence a válvula, mas a curva fica longe da linha do cubo. O J-Net21 diz que o controle por rotação funciona melhor quando a altura estática é pequena e a relação de vazão fica em cerca de 30–80%. Em seu exemplo, a maior economia ocorre perto de 60% da vazão.

Rotação mínima: a bomba ainda precisa vencer a altura estática

A altura de shut-off cai com o quadrado da rotação. Quando fica abaixo da altura estática, a bomba deixa de entregar vazão e, sem válvula de retenção, o líquido pode voltar. Uma primeira estimativa desse piso é a raiz quadrada da altura estática dividida pela altura de shut-off.

Com a altura de shut-off de 1,4 acima, o piso fica em cerca de 46% da rotação para altura estática de 0,3 e em cerca de 65% para 0,6. Esses são cálculos nossos, e o mínimo real fica mais alto. O fornecedor da bomba deve defini-lo a partir das curvas em rotação reduzida e da vazão mínima contínua.

Havendo altura estática, a vazão também cai mais rápido que a rotação. No mesmo modelo, meia vazão exige cerca de 64% da rotação com altura estática de 0,3 e cerca de 76% com 0,6. Portanto, não suponha que a relação de vazão seja igual à relação de rotação nesses sistemas.

Para abastecimento de água que exige altura manométrica total grande, o MOE do Japão recomenda controlar a vazão pelo número de bombas em operação (daisu seigyo), e não pela rotação, porque a altura pode faltar em rotação reduzida. Combinar o controle do número de bombas, para o ajuste grosso, com um inversor, para o ajuste fino, também merece avaliação.

Onde o inversor compensa e onde não

Três fatores decidem quase todo o resultado: o tipo de carga, quanto a vazão varia e de que é feita a resistência. Os melhores candidatos são máquinas de conjugado variável que operam estranguladas por muitas horas, contra perdas principalmente de atrito. A Figura 6 classifica equipamentos comuns.

Figura 6: Onde o inversor economiza mais e onde economiza menos

Mesmo entre ventiladores e bombas, o resultado depende de como a máquina opera e de que é feita a resistência.

Maior economia

Ventiladores de climatização e ventilaçãoA vazão de ar necessária muda com a estação e o horário

Bombas de circulação em circuito fechadoÁgua de resfriamento ou água gelada e quente. A maior parte da resistência é atrito na tubulação

Exaustores de fornos e caldeirasA vazão de ar pode acompanhar a carga de combustão

Máquinas estranguladasDamper ou válvula meio aberto, ou menos, por muitas horas

Menor economia

Recalque com grande altura estáticaPoços profundos ou abastecimento de andares altos. A altura necessária para a elevação não diminui

Sempre na rotação nominalSem margem para reduzir a rotação, só se somam as perdas de conversão

Cargas de conjugado constanteTransportadores e extrusoras. A potência cai apenas em proporção à rotação

Pressão fixa exigidaPor exemplo, abastecimento que mantém a pressão no fim da linha. Pouca margem para reduzir a rotação

Máquinas que ficam perto da vazão nominal não têm margem para reduzir a rotação, e as perdas de conversão do próprio inversor entram na conta. Por isso, o MOE do Japão sugere passar para a rede elétrica (shoyo dengen) quando a bomba opera na vazão nominal. Esse arranjo é comumente chamado de bypass do inversor e deve ser projetado por um engenheiro eletricista habilitado.

Cálculo da economia com inversor: três métodos

Comece pelo que a máquina consome hoje, não pela placa de identificação. Os motores costumam operar abaixo da carga nominal, então usar o kW nominal como consumo real superestima a economia. Por isso o J-Net21 aplica um fator de carregamento (fukaritsu) de 90%, e a leitura de um medidor de energia é ainda melhor.

A Figura 7 mostra a sequência geral. A fórmula certa para a etapa 3 depende de como a máquina é controlada hoje e de sua altura estática.

Figura 7: Cinco etapas para estimar a economia do inversor

Transforme os dados registrados no local em kWh, com a relação de rotação ou de potência correta e o rendimento, e depois aplique a tarifa.

01Registre a situação atualPosição do damper ou da válvula, variação de vazão e pressão e leituras de corrente ou do medidor de energia

02Defina as horas de operaçãoDias por ano × horas por dia. Se souber as horas em cada vazão, calcule cada uma separadamente

03Aplique a relação de potênciaUse o Método A, B ou C abaixo. Relação de vazão = relação de rotação só vale sem altura estática

04Divida pelo rendimentoDivida pelo rendimento do motor, quando necessário, e pelo do inversor (90–95% nos exemplos públicos)

05Aplique a tarifaMultiplique a diferença em kWh pela tarifa por kWh

ConferirMeça após a instalaçãoCompare o kWh nas mesmas condições e use a diferença para melhorar a próxima estimativa

Com altura estática ou contrapressão fixa, a economia é menor que a prevista pela lei do cubo.

Método A: válvula totalmente aberta, só atrito

Use este método quando a válvula ou o damper já está totalmente aberto, a altura estática é próxima de zero e você só quer menos vazão.

Novo kWh = kWh atual × (relação de rotação)³ ÷ rendimento do inversor

O J-Net21 desenvolve o caso de uma bomba de água de resfriamento de 37 kW (cerca de 50 cv), com rendimento de 92,5% (lido aqui como rendimento do motor) e fator de carregamento de 90%, operando 24 horas por dia durante 310 dias por ano. O consumo atual é de cerca de 267.800 kWh. Com 85% da rotação e rendimento do inversor de 95%, isso vira 267.800 × 0,85³ ÷ 0,95, ou cerca de 173.100 kWh.

A economia é de cerca de 94.700 kWh por ano, ou cerca de 35%. A JPY 22,0/kWh, o J-Net21 chega a cerca de JPY 2,08 milhões. O exemplo supõe 0 m de altura estática, então trate-o como o melhor caso.

Método B: hoje estrangulada com damper ou válvula

A leitura de hoje já inclui as perdas por estrangulamento, então não a multiplique simplesmente pelo cubo da rotação. Use a razão entre os dois métodos de controle na mesma vazão, tirada de uma curva do ventilador ou de uma folha de dados.

Novo kWh = kWh atual × (relação de potência no eixo com inversor ÷ relação de potência no eixo com estrangulamento) ÷ rendimento do inversor

O MOE do Japão modela um exaustor de 22 kW (cerca de 30 cv) com 80% da vazão de ar, operando 6.480 horas por ano, com rendimento do motor de 95% e do inversor de 90%. Ele calcula o consumo atual em 142.600 kWh. Com relações de potência no eixo de 51% e 95%, o resultado é 142.600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, ou cerca de 85.000 kWh.

A economia é de cerca de 57.600 kWh por ano, ou cerca de 40%. Os valores de 95% e 51% vêm de um único gráfico, para um damper em ventilador centrífugo. Outros tipos de controle têm curvas próprias.

Método C: sistema com altura estática

Com altura estática, estime a potência a partir da vazão e da altura, e não da rotação. Sendo hs a parcela estática da altura nominal e Q a relação de vazão, a altura na curva do sistema é hs + (1 − hs) × Q².

Relação de potência ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), dividida depois pelo rendimento do inversor.

A tabela aplica essa fórmula. Com 50% da vazão, os valores da válvula e de hs = 0,3 coincidem com o exemplo do J-Net21, que arredonda 23,8% para 24%. Os demais valores são cálculos nossos com o mesmo modelo.

Vazão	Controle por válvula	Inversor, hs = 0 (lei do cubo)	Inversor, hs = 0,3	Inversor, hs = 0,6
90%	96,8%	72,9%	78,0%	83,2%
80%	91,5%	51,2%	59,8%	68,5%
70%	84,3%	34,3%	45,0%	55,7%
60%	75,4%	21,6%	33,1%	44,6%
50%	65,0%	12,5%	23,8%	35,0%

Trate as colunas do inversor como otimistas. O guia do DOE alerta que, em sistemas com grande altura estática, uma pequena redução de rotação reduz muito tanto a vazão quanto o rendimento da bomba. Para um número que você vá defender em um pedido de aprovação, peça ao fornecedor as curvas da bomba em rotação reduzida, com o rendimento indicado.

Converta kWh em reais

Mantenha o kWh como resultado principal, porque os valores em ienes dos exemplos japoneses não se transferem. O exemplo do exaustor do MOE usa JPY 22,76/kWh.

A tabela aplica outras tarifas aos mesmos 57.600 kWh. Esses valores são apenas de exemplo, não preços de mercado, então substitua-os pela tarifa da sua própria fatura.

Tarifa por kWh	Economia anual sobre 57.600 kWh
JPY 22,76 (exemplo do MOE)	Cerca de JPY 1,31 milhão
R$ 0,50 (valor de exemplo)	R$ 28.800
R$ 0,80 (valor de exemplo)	R$ 46.080
Sua tarifa: ____	57.600 × sua tarifa

No Brasil, a fatura de consumidores do Grupo A separa a energia (kWh) da demanda (kW) e aplica tarifas por posto horário, como ponta e fora de ponta. Por isso, um kWh economizado vale diferente conforme o horário em que a máquina opera, e a demanda contratada pode não cair na mesma proporção.

Pergunte ao financeiro e à área de energia qual tarifa o pedido de aprovação deve usar. O J-Net21 usa uma tarifa composta que inclui a cobrança básica, mas encargos fixos podem não cair no mesmo ritmo do kWh.

Para o payback simples, divida o custo instalado pela economia anual. Inclua o inversor, a instalação, eventuais reatores ou filtros e a troca de motor, e obtenha esses custos em uma cotação.

Após a instalação, compare o kWh medido nas mesmas condições. A diferença entre a estimativa e a medição melhora a próxima estimativa.

Como ler números e especificações japoneses

O Japão opera em duas frequências: 50 Hz no leste, incluindo Tóquio, e 60 Hz no oeste, incluindo Osaka. O Brasil usa 60 Hz, então um equipamento especificado para o leste do Japão, ou para a Europa, pode chegar com placa de 50 Hz.

A lei do cubo torna isso um problema real. Uma máquina centrífuga projetada para 50 Hz e operada a 60 Hz gira 20% mais rápido e precisa de cerca de 73% mais potência no eixo (1,2³ = 1,73). Uma máquina de 60 Hz operada a 50 Hz gira cerca de 17% mais devagar, com cerca de 58% da potência e cerca de 69% da pressão.

Confirme a frequência nominal antes de comparar qualquer número. Essas razões são aritmética nossa, a partir das leis de semelhança. Pergunte ao fornecedor se a máquina e o motor podem operar na sua frequência.

Use esta tabela como ponto de partida para as diferenças entre países.

Local	Frequência da rede	Referência de harmônicas para começar
Japão	50 Hz (leste), 60 Hz (oeste)	Diretriz de 1994 para consumidores de alta tensão, com a diretriz técnica JEAG 9702
Brasil	60 Hz	PRODIST Módulo 8 da ANEEL (qualidade da energia); a IEEE 519 também é usada como referência. Confirme com a distribuidora
EUA	60 Hz	IEEE 519-2022; confirme o requisito da concessionária
Europa	50 Hz	Confirme com o fornecedor e com a concessionária local

Estes termos aparecem com frequência em documentos e especificações japoneses de economia de energia.

Japonês	Romaji	Português
—	sho-ene	Economia de energia
軸動力	jiku-doryoku	Potência no eixo
回転数制御	kaitensu seigyo	Controle de rotação
実揚程 / 全揚程	jitsu-yotei / zen-yotei	Altura estática / altura manométrica total
風量	furyo	Vazão de ar
商用電源	shoyo dengen	Rede elétrica (alimentação direta)
高調波	kochoha	Harmônicas

Motores Top Runner, IR3 e ajuste de frequência

Desde abril de 2015, o Japão exige que a maioria dos motores de indução trifásicos industriais atenda ao padrão Top Runner, que a Agência Internacional de Energia (IEA) descreve como nível IE3. No Brasil, a regulamentação de eficiência energética de motores (Lei nº 10.295/2001 e portarias interministeriais) fixa níveis mínimos de rendimento chamados IR, e o IR3 costuma ser tratado como comparável ao IE3. Confirme o rendimento na folha de dados do motor, em vez de tratar os rótulos como idênticos.

A Associação de Equipamentos de Semicondutores do Japão (SEAJ) observa que esses motores têm menos escorregamento e giram um pouco mais rápido. Ela recomenda verificar ou alterar os ajustes de qualquer inversor usado com eles. Como a potência sobe com o cubo da rotação, peça ao fornecedor ou a um engenheiro habilitado que revise o ajuste de frequência sempre que um motor for trocado e um inversor for instalado juntos.

O que verificar antes da instalação

Um inversor não se paga sozinho. Na máquina errada, pode causar vazão insuficiente, superaquecimento do motor ou vibração. Percorra as verificações em ordem: dados de operação, limites do processo, limites do motor e mecânicos e, por fim, o sistema elétrico.

Dados de operação e limites do processo

Registre a posição do damper ou da válvula, a variação de vazão e pressão e as horas de operação por uma semana a um mês. Uma máquina que fica quase sempre totalmente aberta oferece pouca economia. O guia do DOE sugere um diagrama de duração, que mostra as horas por ano em cada vazão, para calcular cada condição de operação e somá-las.

Depois, confirme a vazão e a pressão mínimas que o processo exige. A pressão cai com o quadrado da rotação: o MOE aponta que 90% da vazão significa 19% menos pressão de recalque. A pressão exigida no fim da linha define até onde a rotação pode baixar.

Rotação mínima, resfriamento e vibração

A maioria dos motores de indução se resfria com um ventilador montado no próprio eixo, então longos períodos em baixa rotação reduzem o ar de resfriamento. Pergunte ao fabricante qual é a faixa de rotação contínua permitida e se é necessário um ventilador de resfriamento acionado separadamente.

A rotação variável também aumenta a chance de atingir uma ressonância estrutural dentro da faixa de operação. Muitos inversores permitem pular uma faixa de frequência, então verifique vibração e ruído no comissionamento.

Os ventiladores têm ainda o risco de operação instável, como o surge, em algumas faixas de rotação.

Isolação do motor e local do inversor

Segundo o guia do DOE, os inversores servem para a maioria dos motores existentes em redes de 400 V. Em geral isso não vale nos EUA nem em outras áreas acima de 440 V, onde costumam ser necessários motores com isolação reforçada (“inverter duty”). Cabos longos podem elevar a tensão nos terminais do motor, e motores maiores podem sofrer danos nos rolamentos por tensão no eixo.

Na indústria brasileira são comuns redes de 380 V e 440 V. Confirme com o fabricante do motor se a isolação serve para a tensão da sua rede e para o comprimento do cabo.

Duas normas são úteis para citar ao perguntar sobre isso: a NEMA MG 1 Parte 31, para motores adequados a inversor, e a IEC TS 60034-25:2022, como guia para máquinas alimentadas por conversor. Verifique também o local do inversor. A eletrônica tolera mal áreas corrosivas e úmidas, e o guia do DOE diz que operar um inversor em atmosfera potencialmente explosiva normalmente não é possível.

Harmônicas e o sistema elétrico

A carga do capacitor de filtro do inversor distorce a corrente de entrada, o que cria harmônicas em múltiplos inteiros da frequência da rede. Nos EUA, a IEEE 519-2022 é uma referência comum. Ela aplica seus limites no ponto de acoplamento comum (PCC), a interface entre a concessionária e o cliente, e não em cada inversor.

Um resumo publicado da edição de 2022 indica limites de distorção harmônica total de tensão (DHT) de 8% até 1 kV e de 5% acima de 1 kV até 69 kV. Os limites de corrente dependem da relação entre a corrente de curto-circuito e a corrente de carga. Confirme esses valores na própria norma.

No Brasil, o PRODIST Módulo 8 da ANEEL trata da qualidade da energia elétrica, inclusive da distorção harmônica. Confirme os limites vigentes para o seu ponto de conexão com a distribuidora. No Japão, vale a diretriz de 1994 para consumidores de alta e extra-alta tensão, junto com a JEAG 9702, e os catálogos japoneses de inversores trazem um fator de conversão para o cálculo.

As medidas de mitigação incluem reatores CA ou CC e conversores com modulação por largura de pulso (PWM). Peça que o seu engenheiro eletricista e a distribuidora revisem esses pontos, porque as harmônicas também afetam os capacitores de correção do fator de potência. Intervenções no inversor e nos reatores seguem a NR-10 e cabem a trabalhador autorizado.

Checklist: antes de apresentar o número

Use esta lista para revisar uma proposta de inversor, seja sua ou de um fornecedor.

• Tipo de carga: ventilador de conjugado variável ou bomba centrífuga, não uma máquina de conjugado constante
• Controle atual: damper de saída, damper de entrada, palhetas, válvula ou totalmente aberto
• Base de comparação: kW ou kWh medidos, não o kW da placa
• Perfil de vazão: horas por ano em cada vazão, a partir de dados registrados
• Altura estática: parcela da altura nominal e o método de cálculo que corresponde a ela (A, B ou C)
• Limites do processo: vazão mínima, pressão mínima e altura exigida no fim da linha
• Rendimento: do inversor e do motor na carga parcial real, não apenas em plena carga
• Frequência nominal: 50 Hz ou 60 Hz para a máquina, o motor e a sua fábrica
• Motor: adequado para uso com inversor, resfriamento em baixa rotação e proteção dos rolamentos em motores maiores
• Elétrica e segurança: análise de harmônicas, capacitores, comprimento do cabo e local do inversor; NR-10 para as intervenções e, se o comando de partida e parada da máquina for alterado, revisão da segurança conforme a NR-12
• Dinheiro: sua própria tarifa por kWh (ponta e fora de ponta, se for o caso), custo total instalado e payback simples
• Verificação: um plano para comparar o kWh medido antes e depois

Perguntas para o fornecedor japonês

Se o equipamento ou o número de economia vem do Japão, envie estas perguntas logo no início. Estão escritas para você colar em um e-mail, traduzindo-as para o idioma de trabalho com o fornecedor.

• Qual é a frequência nominal da máquina e do motor? Envie as curvas de desempenho para 50 Hz e para 60 Hz.
• Envie as curvas de desempenho em rotação reduzida, com o rendimento e a vazão mínima contínua indicados.
• Qual é a faixa de rotação contínua permitida? Em baixa rotação, é preciso resfriamento separado do motor?
• O motor é adequado para uso com inversor? Conforme qual norma (por exemplo, NEMA MG 1 Parte 31 ou IEC TS 60034-25)?
• Qual é o rendimento do inversor em carga parcial? O inversor tem reator CA ou CC embutido? Que dados de harmônicas podem fornecer?
• Quais faixas de rotação devemos evitar por causa de ressonância ou operação instável?
• Sobre o número de economia de energia de vocês: qual é o método de controle de referência, a altura estática, o rendimento do inversor, as horas de operação e a tarifa de energia?
• A instalação de um inversor afeta a garantia desta máquina?

Limites deste guia

• Os exemplos resolvidos vêm de guias públicos japoneses e usam valores supostos. Não são resultados medidos nem garantias.
• O Método C supõe rendimento da bomba constante. A economia real é menor quando o rendimento cai em vazão baixa.
• Os cálculos de rotação mínima são estimativas iniciais. As curvas do fornecedor têm prioridade.
• Bombas de deslocamento positivo, compressores e outras máquinas de conjugado constante exigem outra análise.
• Os limites de harmônicas e as normas de motores estão resumidos a partir de fontes secundárias. Confirme-os nas normas vigentes e nas regras da sua distribuidora.
• Tarifas de energia e incentivos variam por país e por local, e este guia não os cobre.

Perguntas frequentes

Quanta energia um inversor economiza em um ventilador ou uma bomba?

Não existe um único percentual. Exemplos públicos japoneses mostram cerca de 40% para um exaustor de 22 kW que passa do controle por damper ao inversor com os mesmos 80% da vazão de ar, e cerca de 35% para uma bomba de 37 kW a 85% da rotação. O seu resultado depende do método de controle atual, do perfil de vazão e da altura estática.

As leis de semelhança valem quando a bomba tem altura estática?

Não para a economia do sistema. Elas ainda descrevem como a curva da bomba se desloca com a rotação, mas a curva do sistema não parte mais de zero, então a vazão não cai na mesma proporção da rotação. Com 50% da vazão no exemplo do J-Net21, a potência é de cerca de 24% da nominal, e não os 12,5% que a lei do cubo prevê.

Um inversor economiza energia em um ventilador que opera sempre em plena rotação?

Não. Sem margem para reduzir a rotação, as perdas de conversão do próprio inversor aumentam o consumo. O MOE do Japão sugere operar a bomba na vazão nominal com alimentação direta da rede, uma mudança que deve ser projetada pelo seu engenheiro eletricista.

Quanta energia o próprio inversor perde?

Os exemplos públicos japoneses supõem rendimento do inversor de 90–95%. O DOE observa que o rendimento cai quando a carga diminui, principalmente em inversores menores, então peça ao fornecedor os valores em carga parcial.

Devo usar inversor ou controle do número de bombas?

O inversor serve para sistemas com baixa altura estática, em que a maior parte da resistência é atrito. Para uma altura manométrica total grande, como no abastecimento de água a um ponto alto, o MOE do Japão recomenda o controle do número de bombas em operação. Usar esse controle para o ajuste grosso e um inversor para o ajuste fino também é uma opção.

Fontes

• Leis de semelhança de ventiladores, comparação com damper e exemplo do exaustor de 22 kW: Ministério do Meio Ambiente do Japão, “Introdução de exaustores de vazão variável” (em japonês), com base em uma folha de dados do ECCJ
• Vazão, pressão e potência de bombas; altura estática; controle do número de bombas; rede elétrica na vazão nominal: Ministério do Meio Ambiente do Japão, “Otimização da vazão e da pressão de bombas de abastecimento e drenagem” (em japonês)
• Controle por válvula e exemplo da bomba de água de resfriamento de 37 kW: J-Net21, controle de rotação de bombas e sopradores, parte 2 (em japonês)
• Bomba com altura estática, exemplo numérico e faixa de eficácia: J-Net21, por que inversores economizam pouco em bombas com grande altura estática (em japonês)
• Altura estática e perda de carga, erros com as leis de semelhança, ressonância, isolação do motor e diagramas de duração: DOE dos EUA, Hydraulic Institute e Europump, “Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary” (em inglês)
• Cargas de conjugado variável e constante, rendimento do inversor em carga parcial e exemplo de 20 hp: DOE dos EUA, Motor Systems Tip Sheet #11, “Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency” (em inglês)
• Cargas de conjugado variável: Mitsubishi Electric, série FREQROL-F800 (em japonês)
• Motores Top Runner e ajustes do inversor: Associação de Equipamentos de Semicondutores do Japão, rendimento de motores (em japonês)
• Exigência IE3 do Japão: Agência Internacional de Energia, “Minimum Energy Efficiency of Motors” (em inglês)
• NEMA Premium e IE3: WEG, “Energy Efficiency Directives Around the World” (em inglês)
• Diretriz de harmônicas do Japão, JEAG 9702 e reatores: Associação Japonesa dos Fabricantes de Equipamentos Elétricos, supressão de harmônicas em inversores de uso geral e servoamplificadores, abril de 2022 (em japonês)
• Limites da IEEE 519-2022 e PCC: Comsys, “Power Quality: IEEE 519-2022” (em inglês); IEEE Xplore, IEEE 519-2022
• NEMA MG 1 Partes 30 e 31: dV/dt Filter, “NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives” (em inglês)
• IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
• Frequência da rede por país: Miki Pulley, “Power Supply Situations Around the World” (em inglês)
• Rotação mínima e altura estática: Pump Industry Magazine, “Pump Curves 16: How Low Can You Go?” (em inglês)
• Limite entre 50 e 60 Hz no Japão: KEK, “Japanese Electricity” (em inglês)