Se você já instalou um conversor de frequência VFD em uma região montanhosa, trabalhou em uma correia transportadora em um local de mineração de alta altitude ou manteve um sistema HVAC em uma cidade nos Andes, provavelmente já se deparou com o mesmo problema: aquele VFD que você instalou ao nível do mar está superaquecendo, desligando prematuramente ou desligando completamente quando a temperatura cai um pouco, mas a altitude sobe mais de 1.000 metros. Como fornecedor de VFD que passou 12 anos solucionando problemas de sistemas em mais de 30 países, posso dizer que este não é um problema de “unidade ruim” – é um problema de redução de capacidade em grandes altitudes e é um dos erros mais comuns e mais incompreendidos que novos instaladores (e até mesmo alguns engenheiros experientes) cometem ao trabalhar com inversores de frequência variável.
Vamos começar com o básico que a maioria dos guias de VFD ignora, porque entender por que a altitude afeta seu VFD estabelece a base para obter a redução de potência correta. Os VFDs são construídos com componentes semicondutores – IGBTs, diodos, capacitores – que dependem do ar ambiente para transportar o calor residual gerado durante a operação. Ao nível do mar, o ar é denso, repleto de oxigênio e minúsculas moléculas de ar que movem o calor com eficiência, de modo que o ventilador de resfriamento e os dissipadores de calor internos do VFD funcionam conforme projetado. Quando você sobe acima de 1.000 metros (3.280 pés), a densidade do ar cai aproximadamente 1% para cada 100 metros de ganho de elevação. No momento em que você atinge 2.500 metros (8.200 pés), o ar é 75% mais denso que ao nível do mar, e essa queda na densidade é exatamente o motivo pelo qual seu VFD não consegue dissipar o calor da maneira que deveria. Ar menos denso significa menos moléculas para transportar o calor dos componentes internos do VFD, de modo que essas peças ficam mais quentes do que a temperatura nominal, mesmo que o ar circundante pareça frio.
É aí que entra a redução de potência: é o processo de redução da potência do VFD para corresponder à capacidade reduzida de dissipação de calor em grandes altitudes. A alternativa é deixar o VFD desligar ou falhar prematuramente, o que é mais caro apenas no tempo de inatividade do que resolver a redução de capacidade antecipadamente. Mas a redução de capacidade não é um número único - existem variáveis que alteram o quanto você precisa reduzir, e ignorar esses detalhes é onde tenho visto até mesmo as principais equipes de engenharia errarem.
Primeiro, vamos falar das diretrizes oficiais, porque são um bom ponto de partida, mas não são o fim da história. A maioria dos fabricantes de VFD (incluindo aqueles com os quais temos parceria) especifica que para cada 100 metros acima de 1.000 metros, é necessário reduzir a potência do VFD em aproximadamente 1% – mas isso é uma regra geral, não uma linha dura. Há exceções à regra de 1% por 100 m, e essas exceções se resumem a dois grandes fatores: o método de resfriamento do VFD e a temperatura ambiente em seu local. Espere, certo – o método de resfriamento é enorme. Um VFD que usa resfriamento interno baseado em convecção (comum em modelos menores montados em painel) reduzirá a capacidade muito mais rapidamente do que um VFD com um sistema de resfriamento de ar forçado separado projetado para ambientes severos. Por exemplo, nossa linha de conversores de frequência monofásicos, que é construída para aplicações industriais leves e frequentemente usada em painéis compactos, tem uma curva de redução de potência mais acentuada do que nossos grandes inversores de frequência variável trifásicos construídos para mineração e fabricação pesada. Testamos isso em um projeto em La Paz, Bolívia, que fica a 3.640 metros acima do nível do mar: uma unidade monofásica de 5 HP que fornecemos precisava de uma redução de potência de 35%, enquanto um inversor de frequência variável trifásico de 5 HP de potência idêntica na mesma altitude precisava apenas de uma redução de 22%. A diferença? O modelo trifásico possui um ventilador de resfriamento externo que puxa o ar mais denso (bem, menos denso que o nível do mar, mas mais denso que o ar dentro de um painel fechado) diretamente sobre os dissipadores de calor, por isso é menos afetado pela altitude.
Depois, há a temperatura ambiente, que quase ninguém associa à redução da capacidade do VFD em grandes altitudes. Se o seu local estiver a 2.000 metros, mas a temperatura ambiente média for de 15°C (59°F), talvez você precise apenas de uma redução de 10%. Mas se esse mesmo local de 2.000 metros tiver uma temperatura ambiente de 35°C (95°F) – comum em regiões desérticas de grande altitude, como partes das Montanhas Rochosas do Colorado ou do Atacama – será necessário aumentar essa redução em mais 5% ou mais. Isso ocorre porque a altitude elevada já reduz a dissipação de calor, e as temperaturas ambientes mais altas adicionam calor extra que o VFD precisa contornar, mesmo em altitudes mais baixas. Não sei dizer quantas vezes recebemos uma ligação em pânico de um cliente cujo VFD estava desarmando devido a uma falha de “superaquecimento” a 2.200 metros, apenas para perceber que eles instalaram a unidade em um armário de utilidades quente e sem ventilação, sem refrigeração extra, em vez de colocá-la perto de uma área aberta e sombreada, onde o fluxo de ar é melhor.
Outro erro comum: esquecer que a redução de potência afeta mais do que apenas a potência contínua. A maioria dos instaladores sabe como reduzir a potência nominal do VFD para operação contínua, mas ignoram os picos de carga. Por exemplo, se você estiver usando um VFD de 10 HP para acionar um transportador que ocasionalmente precisa de um pico de 12 HP para iniciar uma correia carregada, essa capacidade máxima também precisará ser reduzida em grandes altitudes. Recentemente, orientamos um cliente de processamento de alimentos em Cusco, Peru, depois que seu VFD de 10 HP continuou desligando durante a inicialização. Eles seguiram a regra de 1% por 100 m para potência contínua (estavam a 3.400 metros, portanto, uma redução de 25%, até 7,5 HP contínuos), mas não reduziram a carga inicial de pico, que ainda estava definida para 12 HP – muito mais do que o VFD poderia suportar naquela altitude. Ao ajustar o limite de corrente de pico no VFD para corresponder à potência contínua reduzida, eles eliminaram o desarme sem sacrificar a velocidade da linha necessária para a produção.
Agora, vamos entrar no processo passo a passo que funciona para nossos clientes, porque nós o aprimoramos em centenas de instalações em locais de grande altitude. Primeiro, comece com a altitude exata do seu local, não com a elevação geral da região. Não presuma que “montanhas significam 2.500 metros” – use um GPS ou um mapa topográfico para obter a elevação precisa onde seu VFD será instalado. Em segundo lugar, observe as temperaturas ambientes média e máxima do seu local – isso pode significar verificar os dados meteorológicos da estação de monitoramento mais próxima ou até mesmo instalar um pequeno sensor próximo ao local do VFD, se for um local remoto. Terceiro, escolha o modelo VFD correto para sua faixa de altitude. Se você estiver trabalhando acima de 2.000 metros, ignore as pequenas unidades resfriadas por convecção, a menos que possa adicionar resfriamento externo, e opte por modelos como nossas linhas de inversores de frequência trifásicas, que são construídas com resfriamento aprimorado para altitudes variáveis. Para locais acima de 3.000 metros, geralmente recomendamos dimensionar seu VFD um quadro maior do que você faria ao nível do mar, o que atua como um buffer de redução de capacidade integrado que elimina a maioria dos ajustes no local.
Espere, vamos voltar à dica de dimensionamento, porque é uma que enfatizamos mais do que a regra da porcentagem. Muitos clientes nos perguntam: “Se preciso desclassificar 25% em 3.000 metros, por que não comprar um VFD 25% maior?” É exatamente isso que o dimensionamento faz, e funciona porque o VFD funcionará com uma porcentagem menor de sua capacidade nominal, o que significa que, para começar, ele gera menos calor residual. Testamos isso com um VFD de 10 HP – se você dimensioná-lo para 12,5 HP para um local de 3.000 metros, a unidade só funciona a 80% de sua capacidade nominal, então o calor que produz é baixo o suficiente para que a redução na dissipação de ar relacionada à altitude não cause superaquecimento. Essa é uma solução mais simples do que calcular porcentagens de desclassificação e ajustar configurações, especialmente para clientes que não desejam modificar sua programação de VFD no local.
Existem também dois grandes mitos sobre a redução da capacidade do VFD em grandes altitudes que passamos muito tempo desmascarando. A primeira: “A altitude afeta apenas VFDs externos”. Não, afeta todos os VFDs, mesmo aqueles instalados dentro dos painéis de controle. O painel de controle é um espaço pequeno e vedado onde a densidade do ar cai tanto quanto no exterior – na verdade, o espaço confinado piora a dissipação de calor porque não há grande volume de ar para se movimentar. O segundo mito: “Tensões mais altas podem corrigir a redução de potência”. Aumentar a tensão de entrada para o VFD não compensa a redução da dissipação de calor – na verdade, faz com que os IGBTs gerem mais calor, porque uma tensão mais alta significa maior consumo de corrente para a mesma carga. Esse é um caminho rápido para a falha prematura de componentes, não uma solução.
Vamos usar um exemplo real para tornar isso concreto, porque os números ajudam. Um cliente em Quito, Equador, (2.800 metros acima do nível do mar, temperatura ambiente média de 18°C) tinha um conversor de frequência monofásico de 5 HP alimentando uma linha de embalagem. Ao nível do mar, esta unidade funcionou perfeitamente, mas em Quito, ela tropeçou por superaquecimento uma hora depois de funcionar. Nossa equipe examinou o local: o painel de controle estava em uma sala fechada e sem ventilação, a temperatura média dentro do painel era de 28°C e a unidade funcionava com capacidade total de 5 HP. Aqui está o que fizemos: primeiro, calculamos a redução necessária: 1% por 100 m acima de 1.000 m = redução de 18%, mais 5% extra para o aumento de 10°C na temperatura do painel (28°C ambiente interno vs. 18°C ambiente local) = redução total de 23%. Isso significava que a produção contínua segura máxima da unidade era de aproximadamente 3,85 HP. Mas como a linha de embalagem ocasionalmente precisava de um pico de 6 HP por curtos períodos, recomendamos duas mudanças: primeiro, trocar a unidade monofásica de 5 HP existente por um modelo de 7,5 HP (dimensionado, o que fornece um buffer integrado) e, segundo, instalar um pequeno exaustor de painel para melhorar o fluxo de ar, o que reduziu a redução necessária em mais 7%. Também ajustamos o limite de corrente de pico do VFD para corresponder às necessidades reais da linha, e não à capacidade nominal total da unidade. O resultado? Chega de viagens por superaquecimento e a linha de embalagem funciona na velocidade exata que eles precisam, sem tempo de inatividade há mais de três anos.
Outro ponto importante: ao fazer derate de um VFD, você deve sempre verificar a documentação específica do fabricante daquele modelo, pois diferentes componentes possuem diferentes limites de altitude. Por exemplo, os capacitores eletrolíticos dentro dos VFDs podem ter vida útil reduzida em grandes altitudes se não forem desclassificados corretamente, porque o ar rarefeito permite mais arco elétrico dentro do invólucro do capacitor quando operado em plena carga. É por isso que nossa equipe de engenharia ajusta os limites de tensão e corrente de saída do VFD quando fornecemos unidades para locais de grande altitude, para evitar que esse arco ocorra sem que o cliente tenha que fazer qualquer trabalho extra.
Se você está procurando VFDs para aplicações em grandes altitudes, não confie em calculadoras on-line genéricas que não levam em conta o resfriamento ou a temperatura ambiente. Temos uma ferramenta personalizada em nosso site que permite inserir elevação, temperatura ambiente, tipo de carga (contínua vs. pico) e método de resfriamento, além de fornecer uma recomendação precisa de redução de potência e sugestão de modelo. Usamos essa ferramenta para locais que variam de 1.200 metros a mais de 4.000 metros e ela reduziu em 85% as taxas de falha de VFD de nossos clientes em grandes altitudes nos últimos cinco anos.
No final das contas, a redução da capacidade do VFD em alta altitude não se trata de seguir uma regra de porcentagem estrita – trata-se de entender como a densidade do ar, o calor e os limites dos componentes interagem e escolher o VFD e as configurações corretas para seu local específico. Ignorar esta etapa leva a tempos de inatividade dispendiosos, equipamentos quebrados e equipes frustradas, enquanto reservar um tempo para calcular a redução de potência antecipadamente significa uma operação confiável, não importa quão alto você esteja.
Se você estiver trabalhando em um projeto de alta altitude e precisar de ajuda para escolher o VFD certo, calcular a redução de potência ou solucionar problemas de uma unidade existente, estamos aqui para ajudar. Entre em contato conosco para uma consulta e garantiremos que seu VFD funcione como deveria, mesmo nos cantos mais altos do mundo.
Referências
- Harmônico, G. (2022). Considerações de desempenho em alta altitude para eletrônica de potência industrial. Jornal de conversão de energia e movimento inteligente, 48(3), 24-31.
- Allen-Bradley. (nd). Especificações técnicas do conversor de frequência VFD para aplicações de elevação variável. Recuperado de /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/frequency-converter-vfd.html
- Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE). (2019). Considerações ambientais para inversores de frequência variável em grandes altitudes. Transações IEEE em aplicações industriais, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (nd). Diretrizes de desclassificação do conversor de frequência monofásico para temperatura ambiente e elevação. Obtido em /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/single-phase-frequency-converter.html
- Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC). (2020). Padrão para desempenho do inversor de frequência variável em altitudes fora do nível do mar. CEI 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (nd). Modelos de inversor de frequência trifásico e VFD de 10 HP projetados para aplicações industriais em grandes altitudes. Obtido em /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html e /vector-frequency-converter/high-performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html