Tensão industrial no Japão: 200 V trifásico e 50/60 Hz

A placa de identificação de uma máquina vinda do Japão diz "3φ AC 200 V 50/60 Hz". A rede da sua fábrica no Brasil é 60 Hz, em 220 V, 380 V ou 440 V trifásicos, conforme a planta. Antes de alguém ligar a máquina, é preciso responder a três perguntas: ela precisa de transformador, os motores se comportam do mesmo jeito na sua frequência e quais das tensões internas (200 V, 100 V, 24 V CC) realmente são problema seu?

Resposta curta: fábricas japonesas costumam usar 200 V trifásico nos motores (e a classe de 400 V nas cargas maiores), 100 V monofásico em iluminação e equipamentos pequenos e 24 V CC nos comandos. A rede é de 50 Hz no leste do Japão e de 60 Hz no oeste. Uma máquina feita para 200 V normalmente precisa de um transformador abaixador, ou de outra versão de tensão do fornecedor, para operar em uma rede de 380 V ou 440 V. A frequência é uma verificação separada, porque ela muda a rotação dos motores e a carga dos motores e das bobinas CA. No Brasil a rede é de 60 Hz, mas a máquina pode ter sido ajustada e testada em 50 Hz.

Este guia explica as tensões japonesas que aparecem em desenhos e placas, compara com as tensões típicas de rede no Brasil e mostra por que o mesmo motor puxa metade da corrente em 400 V. No final há uma lista de verificação e um modelo de consulta pronto para enviar ao fornecedor japonês. O texto lista o que confirmar e não é um procedimento de instalação.

As tensões dentro de uma fábrica japonesa

Uma fábrica japonesa não roda tudo em uma só tensão. Ela escolhe a alimentação conforme a carga e o padrão elétrico da própria fábrica. Bombas e ventiladores grandes são candidatos à alimentação trifásica na classe de 400 V, e as cargas de motor em geral também operam em 200 V trifásico. Iluminação, tomadas e equipamentos pequenos usam 100 V monofásico, enquanto sensores, entradas e saídas de CLP e relés costumam operar em 24 V CC.

"Classe de 400 V" não é um número único. Equipamentos dessa classe podem ter tensão nominal de 400 V, 415 V ou 440 V, então dois itens chamados de "400 V" não são necessariamente intercambiáveis. Uma mesma máquina também pode usar várias tensões ao mesmo tempo. Uma válvula motorizada, por exemplo, pode receber 200 V no motor e outra tensão nos sinais de comando de abrir/fechar e de estado.

A alimentação de 24 V CC não é apenas um transformador menor. Eletrônicos como CLPs e computadores funcionam com tensões contínuas baixas e estáveis, o que exige retificação e regulação além da redução da tensão alternada.

Em uma fábrica fora do Japão, essa divisão importa. O circuito de comando de 24 V CC normalmente é gerado por uma fonte de alimentação dentro do painel da máquina, então só a tensão de entrada dessa fonte precisa ser compatível com a sua rede. Já a alimentação trifásica dos motores e tudo o que está ligado em 100 V monofásico dependem diretamente da sua rede. O 100 V japonês é raro fora do Japão: no Brasil as tomadas e cargas monofásicas são de 127 V ou de 220 V, conforme a região e o sistema, e ligar uma carga de 100 V nelas não é opção. Por isso, cada carga de 100 V da máquina precisa ser identificada.

50 Hz no leste, 60 Hz no oeste

A rede do Japão é dividida em duas. O leste, incluindo Tóquio, opera em 50 Hz, e o oeste, incluindo Osaka, opera em 60 Hz. A fronteira vai, aproximadamente, do rio Fuji (província de Shizuoka) até Itoigawa (província de Niigata), e não é uma linha reta. A divisão vem da década de 1890, quando Tóquio instalou geradores alemães de 50 Hz e Osaka instalou geradores americanos de 60 Hz.

Por isso as placas e fichas técnicas japonesas tão frequentemente trazem as duas frequências. Um fornecedor em Nagoia ou Osaka pode testar a máquina em 60 Hz, enquanto outro perto de Tóquio testa em 50 Hz. Não presuma que "fabricado no Japão" indique para qual frequência a máquina foi ajustada e testada. Pergunte.

"Teiatsu" (baixa tensão) não significa seguro

Os documentos japoneses usam três categorias legais de tensão, definidas no artigo 2 da portaria ministerial sobre normas técnicas de equipamentos elétricos. Tanto 200 V quanto 400 V em CA estão em teiatsu (baixa tensão). Já 3.300 V e 6.600 V em CA, por exemplo, estão na categoria koatsu (a "alta tensão" da lei japonesa) e recebem tratamento diferente da força em baixa tensão de 200 V e 400 V. Portanto, quando um documento japonês fala em "alta tensão", ele não está falando de 400 V.

Atenção ao falso amigo: a "alta tensão" japonesa não coincide com a classificação brasileira. Na prática brasileira, tensões como 3,3 kV e 6,6 kV costumam ser tratadas como média tensão.

O nome legal não é uma classificação de segurança. Em uma carga resistiva, a lei de Ohm (V = RI) diz que a corrente sobe com a tensão quando a resistência é constante, mas o corpo humano não se reduz a uma resistência fixa nem a um limite único de corrente que separe o seguro do perigoso. A gravidade do choque depende de onde a pessoa toca, do caminho da corrente, do tempo de contato e da umidade, e até 100 V traz risco real de choque. Tensão menor não elimina a necessidade de proteção das partes vivas, aterramento e proteção adequados e procedimentos de desenergização, bloqueio e etiquetagem, que no Brasil seguem a NR-10.

Japão e a sua fábrica: tensões e frequências típicas

A tabela abaixo coloca o Japão ao lado dos sistemas de alimentação que você provavelmente encontra no Brasil. Use-a como ponto de partida. Os valores nominais publicados e o que se mede na planta podem diferir, e a tensão disponível depende da distribuidora e da instalação da fábrica. Meça e confirme no ponto de ligação.

Dois pontos chamam a atenção. Primeiro, uma máquina japonesa de 200 V não combina com 380 V nem com 440 V, e em 220 V ela fica perto do nominal, mas 10% acima. Por isso é preciso confirmar a faixa de tensão da máquina e de cada motor, inversor e fonte; alguns motores japoneses trazem uma linha própria de 220 V em 60 Hz na placa, mas isso deve ser lido na placa de cada equipamento. Segundo, a frequência é de 60 Hz em todo o Brasil, enquanto o Japão tem as duas. A pergunta certa, portanto, depende de onde o fornecedor está e de como ele testou a máquina.

Por que a tensão muda a corrente e as perdas no cabo

Para a mesma potência, uma tensão de alimentação maior significa corrente menor. É por isso que as fábricas usam motores grandes em 380 V, 440 V ou na classe de 400 V, e não em 200 V. Potência é a taxa com que a energia elétrica é usada, medida em watts (W) ou quilowatts (kW). Em CC, ela é a tensão vezes a corrente. Em CA, também entram o número de fases e o fator de potência.

Com a mesma potência ativa e o mesmo fator de potência, dobrar a tensão reduz a corrente à metade. Isso compara dois motores, cada um projetado para a sua tensão. Não significa que se possa aplicar 400 V a um motor de 200 V.

Exemplo: corrente de linha de um motor de 7,5 kW em várias tensões

Os kW da placa de um motor normalmente são a potência nominal no eixo, e não a entrada elétrica. O rendimento é a potência no eixo dividida pela entrada elétrica, e o fator de potência é a potência ativa dividida pela potência aparente. Para obter a corrente a partir da potência no eixo, são necessários os dois.

Tome um motor trifásico hipotético: 7,5 kW no eixo, rendimento de 90% e fator de potência de 0,80. Para ilustrar, suponha o mesmo rendimento e o mesmo fator de potência em todas as versões de tensão. As correntes nominais reais vêm da ficha técnica de cada produto.

Com rendimento de 90%, os dois motores absorvem cerca de 8,33 kW de entrada elétrica. Passar para 400 V não reduz o consumo de energia à metade, e sim a corrente. A mesma fórmula dá os valores abaixo para as tensões que você provavelmente vai encontrar:

Corrente menor reduz as perdas resistivas no cabo

O calor perdido em um cabo é proporcional ao quadrado da corrente. Com o mesmo material condutor, o mesmo comprimento e a mesma seção, reduzir a corrente à metade leva a perda resistiva no cabo a um quarto.

Corrente menor pode permitir um cabo mais fino, mas depois da redução a perda não é necessariamente um quarto da original. Escolha a seção que atenda à capacidade de condução de corrente, à queda de tensão, à suportabilidade a curto-circuito e às condições de instalação, e reavalie com esse cabo. A queda de tensão também depende da corrente e da resistência e reatância do cabo, então tensão maior ajuda nesse ponto também. Não reduza a seção do cabo à metade só pela razão entre as tensões sem verificar o tipo de circuito, o fator de potência e o comprimento do trecho.

O que muda entre 50 Hz e 60 Hz

Acertar a tensão é só metade do trabalho. A rotação de um motor de indução acompanha a frequência da rede: a rotação síncrona é 120 × f / polos, então um motor de 4 polos gira a 1.500 rpm síncronas em 50 Hz e a 1.800 rpm em 60 Hz. A rotação real é um pouco menor por causa do escorregamento.

Um catálogo japonês mostra como isso aparece em uma placa de identificação. O motor SF-PR da Mitsubishi Electric, classe de 400 V, 4 polos, 5,5 kW, tem quatro combinações de tensão e frequência, cada uma com a sua corrente e a sua rotação:

Duas coisas decorrem daí. Uma bomba, um ventilador ou uma esteira acionados diretamente pelo motor giram cerca de 20% mais rápido em 60 Hz do que em 50 Hz, o que muda o seu rendimento e a carga sobre o motor. Pergunte se o fornecedor dimensionou e testou a máquina na sua frequência. E um motor com valores nominais só em 50 Hz não está automaticamente adequado para 60 Hz na mesma tensão: a relação entre tensão e frequência cai cerca de 17%, e a rotação e a carga mudam. Já um motor só de 60 Hz usado em 50 Hz na mesma tensão tem a relação tensão/frequência subindo cerca de 20%, o que aumenta o fluxo magnético e pode superaquecê-lo. Qualquer redução de potência ou ajuste de tensão deve vir do fabricante do motor.

Outras peças sensíveis à frequência

Motores não são as únicas peças a verificar. Bobinas CA de contatores, relés e válvulas solenoides têm tensão e frequência nominais específicas, e bobinas CA e CC não são intercambiáveis. Também merecem atenção os ventiladores CA dos painéis e tudo que seja temporizado pela frequência da rede. Muitas peças trazem "50/60 Hz", mas confirme item por item na lista de peças, sem presumir.

Inversores de frequência

Um inversor de frequência (nos documentos japoneses, "inverter") muda o quadro. A frequência de saída é definida por parâmetros, então o motor atrás do inversor não vê diretamente a frequência da sua rede. Mesmo assim, valem duas verificações separadas.

• Entrada: a classe de tensão do inversor (classe de 200 V ou de 400 V) precisa cobrir a sua tensão de alimentação. Um inversor da classe de 200 V não pode ser ligado em 380 V nem em 440 V. Para a classe de 400 V, confirme com o fabricante se a faixa de entrada inclui 380 V ou 440 V.
• Saída para o motor: o inversor e o motor precisam ser compatíveis em tensão. A Mitsubishi Electric informa que um inversor de 400 V não deve acionar um motor de 200 V, porque a tensão de pico na saída do inversor pode superar a tensão suportável do motor, mesmo que a tensão de saída seja ajustada para baixo. Use um inversor de 200 V para um motor de 200 V e, em qualquer outra combinação, pergunte ao fabricante sobre a tensão de pico de saída e o isolamento do motor.

Se a máquina tiver inversores, liste cada um com modelo e classe de tensão e pergunte ao fornecedor se existe uma versão da classe de 400 V para a sua planta.

Precisa de transformador?

Combinar a máquina com a alimentação evita equipamentos de conversão. Se a sua planta tem alimentação de 200 V e a máquina é um modelo de 200 V, pode não ser preciso nenhum transformador abaixador na alimentação principal. A mesma lógica vale para cargas pequenas: escolher um dispositivo de 200 V CA onde já há 200 V CA por perto pode dispensar um transformador exclusivo para chegar a 100 V CA. Na maioria das plantas fora do Japão, porém, é preciso escolher entre duas opções: pedir a máquina em uma versão compatível com a sua alimentação ou manter a versão de 200 V e acrescentar um transformador abaixador.

Mesmo quando o transformador parece mais simples, ele não é o único fator. Peças de reposição, uma tensão de comando comum em toda a planta, a troca em caso de falha, a proteção contra choque e o comportamento em queda de energia apontam para seguir o padrão elétrico da sua própria fábrica. Ao trocar uma peça, compare tensão, CA ou CC, número de fases, frequência, potência, corrente admissível, isolamento e proteção, e não só a tensão. Alguns produtos podem ser comutados entre 200 V e 400 V, mas as ligações nos bornes e as condições de uso são definidas pelo manual do produto, e não apenas pela placa.

A escolha da tensão também não resolve todo o resto. A continuidade durante uma queda de energia exige uma análise própria de nobreak (UPS), e o isolamento de sinais exige uma análise própria de isoladores. Quando um dispositivo existe em versões de 100 V e de 200 V, como algumas válvulas motorizadas, compare também os sinais de comando, a corrente de partida, a necessidade de conversão de energia e as peças de reposição, além da alimentação principal.

Verifique o circuito de 24 V CC na ponta

O comando em 24 V CC não depende da sua rede, mas tem um limite próprio: a queda de tensão. Quando uma máquina japonesa é instalada com cabeamento de campo mais longo do que na fábrica do fornecedor, uma pequena queda pode deixar um dispositivo abaixo da sua entrada mínima. Verifique não só o regime permanente, mas também a corrente quando válvulas solenoides e cargas semelhantes comutam ao mesmo tempo, e conte o laço completo (ida e volta) da fonte até o dispositivo.

Por exemplo, suponha uma fonte de 24 V, corrente de carga de 2 A e resistência total do laço de 1 Ω. A fiação provoca uma queda de 2 V, e o dispositivo vê 22 V. Compare esse valor com a tensão mínima de entrada na ficha técnica do dispositivo.

Uma fonte com muita folga de capacidade ainda pode deixar a ponta com tensão insuficiente por causa da resistência da fiação ou da corrente de partida. Antes de aumentar a tensão de saída da fonte, verifique a seção e a distância dos cabos, a faixa de entrada permitida de cada dispositivo e se algum deles passaria a ver sobretensão.

24 V CA e 24 V CC são alimentações diferentes, e alguns dispositivos CC têm polaridade, então confirme no diagrama de bornes tanto o tipo de tensão quanto a polaridade. Um contato seco (sem tensão) não fornece tensão por si só, então consulte o diagrama de bornes para ver o circuito de entrada que o recebe e qualquer alimentação externa de que ele precise. Os 200 V da alimentação principal da máquina não dizem nada sobre as condições dos sinais, por isso analise separadamente a especificação de alimentação e a especificação de entradas e saídas.

Lista de verificação antes de pedir ou ligar

• Alimentação da planta: tensão medida, frequência, número de fases e tipo de sistema no ponto de ligação
• Alimentação principal da máquina: tensão, frequência, fases e corrente a plena carga, conforme a placa e os desenhos elétricos
• Cada motor: combinações de tensão e frequência listadas, e corrente e rotação na linha que corresponde à sua alimentação
• Cada inversor de frequência: classe de tensão de entrada versus a sua alimentação, e tensão do motor versus classe de saída do inversor
• Cargas de 100 V monofásico: quais são e como serão alimentadas
• Transformador de comando: derivações do primário disponíveis e se alguma corresponde à sua tensão
• Bobinas CA, ventiladores do painel e peças sensíveis à frequência: valor de 50/60 Hz na lista de peças
• Fonte de alimentação de 24 V CC: tensão de entrada, capacidade e tensão no dispositivo mais distante
• Condições do ensaio: tensão e frequência em que o fornecedor fez o teste de aceitação em fábrica (FAT)
• Transformador (se necessário): quem fornece, kVA incluindo a partida dos motores e proteção
• Normas locais: quais normas e aprovações a instalação deve cumprir (por exemplo NR-10, NR-12 e ABNT NBR 5410) e quem assina

Perguntas para o fornecedor japonês

• A máquina foi construída e testada para 50 Hz ou 60 Hz? Foi testada também na nossa frequência (60 Hz)?
• Vocês podem fornecer uma versão da classe de 400 V (ou 380 V / 440 V, 60 Hz) no lugar de 200 V? Quais peças mudariam?
• Listem todos os motores e inversores com modelo, classe de tensão e combinações nominais de tensão e frequência.
• Quais cargas funcionam em 100 V monofásico e qual é a corrente total?
• O transformador de comando tem derivação no primário para a nossa tensão de alimentação?
• Se usarmos um transformador abaixador, que kVA e que tensão vocês recomendam, incluindo a corrente de partida?
• Há peças com valores nominais para uma só frequência (bobinas, ventiladores, temporizadores)?
• Qual é a faixa de tensão de alimentação permitida para a máquina inteira?

Modelo de consulta (em inglês)

Copie, preencha os colchetes e envie. Perguntas curtas e numeradas são mais fáceis de um engenheiro japonês responder e traduzir, por isso o modelo está em inglês.

Até onde vai este guia

• A tabela de tensões se baseia em valores nominais publicados e em referências gerais. As tensões reais da planta, as tolerâncias e os tipos de sistema (aterramento, estrela ou triângulo) variam conforme o local e a distribuidora, e este guia não os cobre.
• Os valores de corrente e perda são de um motor hipotético com rendimento e fator de potência fixos. Motores reais diferem conforme a versão de tensão e o fabricante.
• Os dados do motor da Mitsubishi são um exemplo de catálogo. Outros fabricantes e modelos listam combinações diferentes.
• Redução de potência do motor em frequência fora da nominal, dimensionamento de transformador e de cabos e ajustes de proteção são decisões de projeto do seu engenheiro eletricista e do fabricante do equipamento.
• Os requisitos brasileiros (NR-10, NR-12, ABNT NBR 5410, ABNT NBR IEC 60204-1) são citados apenas como referência. Consulte o texto vigente de cada norma e o responsável técnico da sua planta.
• Inspeção e troca devem seguir os procedimentos definidos pelo responsável do seu local para desenergização, impedimento de reenergização e verificação de ausência de tensão, além das normas elétricas aplicáveis. Fique atento a alimentações separadas, saídas de nobreak e energia armazenada dentro dos equipamentos, e identifique todas as alimentações que chegam à área de trabalho.

Perguntas frequentes

Que tensão as fábricas japonesas usam?

O mais comum é 200 V trifásico nos motores, a classe de 400 V (400, 415 ou 440 V) nas cargas maiores, 100 V monofásico em iluminação e equipamentos pequenos e 24 V CC nos comandos. A frequência é de 50 Hz no leste do Japão e de 60 Hz no oeste.

Posso ligar uma máquina japonesa de 200 V em 380 V?

Não diretamente. Nunca aplique uma tensão acima do valor nominal, a menos que a máquina seja explicitamente especificada para ela. Use um transformador abaixador dimensionado pelo seu engenheiro ou peça ao fornecedor uma versão da classe de 400 V (380 V ou 440 V, 60 Hz), e confirme ligações, frequência e ajustes de proteção nos documentos do fabricante.

Um motor japonês de 50 Hz funciona em 60 Hz?

Só se tiver valores nominais para 60 Hz. Muitos motores japoneses trazem as duas frequências, com valores de corrente e rotação separados. Um motor só de 50 Hz gira cerca de 20% mais rápido em 60 Hz, a carga de bombas e ventiladores muda bastante e, na mesma tensão, o fluxo cai, então peça a orientação do fabricante antes de usá-lo.

400 V é "alta tensão" no Japão?

Não. Pela portaria japonesa sobre equipamentos elétricos, 600 V CA ou menos é teiatsu (baixa tensão), então 400 V é baixa tensão. No Brasil também: a NR-10 e a NBR 5410 tratam como baixa tensão até 1.000 V em CA. O rótulo não significa que seja seguro tocar, e a proteção das partes vivas e o bloqueio continuam valendo.

24 V CC está livre de choque e de incêndio?

Não automaticamente. Tensão baixa tem vantagens, mas não torna um circuito seguro por si só. Um curto-circuito ainda pode causar corrente alta, então verifique as características de proteção da fonte de alimentação e a proteção de cada circuito derivado.

Fontes

• Categorias legais de tensão no Japão (artigo 2): e-Gov, Portaria ministerial sobre normas técnicas de equipamentos elétricos (em japonês)
• Divisão de 50/60 Hz no Japão e sua origem: Wikipedia, "Fuji River" (em inglês); IEEE Milestone, Sakuma Frequency Converter Station (em inglês)
• Fronteira Fuji–Itoigawa: Jackery Japan, áreas mistas de 50 Hz/60 Hz (em japonês); Joshin, frequência por região (em japonês)
• Tensão e frequência trifásicas por país: WorldStandards, "Three-phase electric power" (em inglês)
• Tensões de sistema nos EUA e tensões de placa de motor: NEMA, "NEMA Motor Standards vs. IEC Motor Standards" (em inglês); Power Transmission Engineering, Baldor Basics (em inglês)
• Exemplo de valores nominais de motor (SF-PR classe de 400 V, 4 polos, 5,5 kW): Mitsubishi Electric, especificações do SF-PR (em japonês)
• Inversor de 400 V com motor de 200 V: Mitsubishi Electric FA FAQ (em japonês)
• Equações de potência e fator de potência: HIOKI, equações de medição do PW4001 (em japonês); Associação Japonesa de Engenheiros Eletricistas, método dos dois wattímetros (em japonês)
• Fontes de alimentação CA-CC, valores nominais e proteção: OMRON, glossário de fontes de alimentação (em japonês); OMRON, valores nominais do S8VK-WA (em japonês)
• Bobinas de relé CA/CC e polaridade: OMRON, guia técnico de relés gerais (em japonês)
• Alimentação versus entradas de contato seco: OMRON, especificações de entradas e saídas do WT21 (em japonês)
• Fatores do choque elétrico e acidentes em baixa tensão: Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar do Japão, "Choque elétrico" (em japonês); MHLW, caso de acidente em trabalho em baixa tensão (em japonês)
• Medidas para trabalho em circuitos desenergizados (regulamento separado da portaria de categorias de tensão): MHLW, regulamento de segurança e saúde no trabalho (em japonês)