Inversor de frequência: o equipamento discreto que pode cortar pela metade o consumo de motores
Bombas e ventiladores girando a toda contra válvulas fechadas desperdiçam energia. O inversor de frequência resolve ajustando a rotação, e a lei do cubo explica por que reduzir 20% da velocidade quase corta a potência pela metade.
Inversor de frequência (VFD) usado no controle de motores elétricos. Foto: Suyash Dwivedi / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
Nível básico
Enquanto o mundo discute novas usinas, linhas de transmissão e baterias para dar conta da demanda dos data centers, um equipamento bem menos chamativo volta ao centro da conversa: o inversor de frequência, também chamado de VFD (sigla em inglês para variable frequency drive). Uma reportagem publicada no sábado (17) pelo IEEE Spectrum, a revista do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), lembra que ele pode cortar pela metade o consumo de muitos motores elétricos. E motor é o que não falta: só nos Estados Unidos, são cerca de 50 milhões deles movendo ventiladores, bombas e compressores, consumindo juntos o equivalente a quase um terço de toda a demanda de eletricidade do país.
Ainda assim, a adoção é baixa. Segundo um relatório de 2021 do Lawrence Berkeley National Laboratory, citado pela revista, só 16% dos sistemas de motores na indústria americana e 4% no comércio usam inversor. A seguir, explicamos o que esse aparelho faz e por que a economia é tão grande.
O problema: motor sempre a toda velocidade
A maioria dos motores de indução ligados direto na rede gira praticamente numa velocidade só, determinada pela frequência da rede (60 Hz no Brasil). Só que a necessidade real quase nunca é constante. Um sistema de ar-condicionado de prédio comercial precisa de muito menos vazão à noite; uma bomba de abastecimento varia com o consumo ao longo do dia.
Sem inversor, o ajuste costuma ser feito no “braço”: o motor continua girando a toda e uma válvula ou um damper estrangula o fluxo. É como dirigir com o pé cravado no acelerador e controlar a velocidade no freio. A energia gasta para empurrar o fluido contra a válvula fechada vira perda.
Inversor de frequência de pequeno porte: o visor mostra a frequência de saída, 60,0 Hz. Baixar esse número reduz a rotação do motor. Foto: C J Cowie / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
Como o inversor resolve
O inversor fica entre a rede e o motor e muda a frequência da energia que chega a ele. Por dentro, faz isso em três etapas:
- Retificação: a tensão alternada da rede é convertida em contínua;
- Barramento CC: capacitores estabilizam essa tensão contínua;
- Inversão: transistores de potência (em geral IGBTs) chaveiam milhares de vezes por segundo, com modulação por largura de pulso (PWM), e “montam” uma nova tensão alternada, com a frequência que o processo pede.
Como a velocidade do motor de indução acompanha a frequência, controlar a frequência é controlar a rotação. E aí entra a física que explica a economia.
A lei do cubo: por que reduzir um pouco economiza muito
A rotação síncrona de um motor depende da frequência (f) e do número de polos (p):
n = 120 · f / p
Um motor de 4 polos em 60 Hz tem rotação síncrona de 1.800 rpm. Em 48 Hz, cai para 1.440 rpm, ou 80% da velocidade.
Em bombas e ventiladores centrífugos, as chamadas leis de afinidade dizem que a vazão acompanha a rotação, a pressão cresce com o quadrado dela e a potência cresce com o cubo:
P₂ / P₁ = (n₂ / n₁)³
Rodando a 80% da velocidade, a potência cai para 0,8³ ≈ 51%. A 50%, cai para 0,5³ = 12,5%. Na prática a economia é menor que a ideal, por causa das perdas do próprio inversor e de sistemas em que parte da pressão é fixa (como bombear água para uma caixa elevada), mas a ordem de grandeza explica os números do setor.
É daí que vem a estimativa citada pelo IEEE Spectrum: segundo Neal Elliott, diretor emérito do American Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE), o inversor pode reduzir o consumo de um motor em algo entre 40% e 60%. Um caso real contado pela revista: a Toyota instalou inversores em mais de 200 motores do sistema de climatização da fábrica de Georgetown, no Kentucky, num projeto-piloto de US$ 1,25 milhão em 2015, e passou a economizar mais de US$ 700 mil por ano em eletricidade, segundo a própria montadora.
Se é tão bom, por que não está em todo lugar?
A tecnologia existe desde o fim dos anos 1960, e por décadas medir vazão e controlar o motor com precisão era caro e complicado. Segundo a reportagem, sensores mais baratos, algoritmos melhores e a produção em massa de semicondutores de potência (os mesmos usados em carros elétricos e inversores solares) mudaram essa conta. O que ainda pesa é a lógica do investimento: quem constrói costuma priorizar o menor custo inicial, e reformar um sistema que já funciona raramente entra na lista de prioridades.
Nos Estados Unidos, a associação de fabricantes NEMA lançou um programa-piloto com fabricantes, distribuidoras e grupos de eficiência para medir a economia real dos inversores e convencer as distribuidoras a oferecer incentivos. O argumento novo é de rede: cada megawatt economizado na indústria é um megawatt a menos para gerar e transportar, num momento em que data centers disputam capacidade.
E no Brasil?
Por aqui, a eficiência do motor já é regulada. A Portaria Interministerial nº 1/2017 (MME, MCTIC e MDIC) estabelece índices mínimos de eficiência para motores elétricos trifásicos de indução de até 500 cv, e os motores de até 250 cv fazem parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem do Inmetro, segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE).
Só que um motor de alto rendimento girando a toda contra uma válvula estrangulada continua desperdiçando energia. A eficiência que o inversor ataca é a do sistema, não a do motor. E o potencial é grande: num estudo de 2010, a EPE estimou que a força motriz (os motores) concentrava o maior potencial de conservação de eletricidade da indústria brasileira, cerca de 23.640 GWh por ano, à frente de refrigeração, fornos elétricos e eletrólise. O número é antigo e não mede só inversores, mas mostra onde está a maior fatia da economia possível.
O ponto de partida foi a reportagem do IEEE Spectrum, publicação do IEEE; os números americanos (50 milhões de motores, adoção de 16% e 4%, economia de 40% a 60%, o caso da Toyota) vêm dela e das fontes que ela entrevistou. Os dados brasileiros foram conferidos em documentos da EPE: o caderno “Roadmap de Ações de Eficiência Energética na Indústria” (2020), que cita a Portaria Interministerial nº 1/2017 e a etiquetagem do Inmetro, e o estudo de eficiência energética na indústria de 2010, de onde sai o potencial de 23.640 GWh. Um número muito repetido na internet, o de que os motores consomem 68% da energia elétrica das fábricas, ficou de fora: não localizamos o documento original que o sustenta. As fórmulas do quadro “Explicando” são princípios de engenharia, e o resultado de 51% é o caso ideal.
Fontes: IEEE Spectrum, Lawrence Berkeley National Laboratory, EPE, Roadmap de Eficiência Energética na Indústria e EPE, Eficiência energética na indústria e nas residências (2010).
