¿Cuáles son los diferentes tipos de convertidores de frecuencia?

Los convertidores de frecuencia cambian con qué frecuencia fluye la electricidad para adaptarse al equipo. Estos dispositivos son muy importantes en fábricas, aviones y barcos. Ayudan a ahorrar energía y admitir sistemas de energía verde. Hay tres tipos principales: rotativo, estado sólido y estático. Las personas también los agrupan por cómo funcionan, cómo se controlan y cómo almacenan energía. Elegir el convertidor de frecuencia adecuado ayuda a las empresas a ahorrar dinero y seguir reglas.

Tecnologías del convertidor de frecuencia

Convertidores de frecuencia giratoria

Los convertidores de frecuencia giratoria utilizan motores y generadores eléctricos juntos. Cambian la frecuencia de la energía eléctrica. Estas máquinas tienen partes móviles que vinculan la entrada y la salida. Los convertidores rotativos pueden manejar mucha energía. Funcionan bien en lugares duros como ferrocarriles y fábricas pesadas. Las personas los usan donde el poder debe ser estable y confiable.

Los convertidores rotativos ayudan a mantener estables los sistemas de energía. Usan energía almacenada en sus piezas giratorias. Los estudios muestran que los convertidores rotativos se descomponen menos que los tipos estáticos. Por ejemplo, en el ferrocarril de Suecia, los convertidores rotativos funcionaron mejor y duraron más. Pero, pueden tener problemas como torcer el eje. Los ingenieros los arreglan con sistemas de control especiales.

Características clave:

• Maneja mucho poder y trabajos difíciles

• Confiable con menos desgloses

• Necesita atención regular debido a piezas móviles

Aplicaciones típicas:

• Ferrocarril

• Fábricas

• Estaciones eléctricas

Convertidores de frecuencia de estado sólido

Los convertidores de frecuencia de estado sólido utilizan piezas electrónicas como transistores y diodos. Cambian la frecuencia de la electricidad. Estos convertidores no tienen partes móviles. Esto los hace más pequeños, más ligeros y más fáciles de cuidar. Los convertidores de estado sólido se hicieron populares en la década de 1980. Ahora, se usan mucho, especialmente para una potencia de 400 Hz en los Estados Unidos.

Los convertidores de frecuencia de estado sólido cuestan menos para comprar y funcionar que los tipos rotativos. No hacen emisiones y necesitan menos espacio. Los nuevos diseños utilizan sistemas de control inteligentes. Pueden conectarse a redes para controles en tiempo real y reparaciones tempranas. Las herramientas de IA ayudan a adivinar cuánto tiempo durarán estos convertidores. Esto los hace buenos para cargadores de automóviles eléctricos y sistemas de energía verde.

Características clave:

• Pequeño y ligero

• Necesita poco cuidado y sin emisiones

• Las herramientas de IA ayudan a predecir cuánto duran

Aplicaciones típicas:

• Aeropuertos y aviones

• Centros de datos

• Sistemas de energía verde

Convertidores de frecuencia estática

Los convertidores de frecuencia estática, a veces agrupados con tipos de estado sólido, usan electrónica de potencia para cambiar las frecuencias. No tienen partes móviles. Estos convertidores son ahora el tipo más común. En 2023, representaron el 68.2% del mercado. Su diseño se centra en ser confiable, eficiente y fácil de cuidar.

Las pruebas muestran que los convertidores de frecuencia estática pueden iniciar máquinas grandes con menos energía. Utilizan filtros especiales para reducir el ruido eléctrico y funcionar mejor. Los convertidores estáticos también le permiten controlar muy bien la fuerza de inicio. Esto ayuda a proteger las máquinas.

Características clave:

• Sin partes móviles, muy confiables

• Necesita poco cuidado

• Funciona de manera eficiente y controla bien

Aplicaciones típicas:

• Fábricas

• Industrias de procesos

• Grandes motores y bombas

Métrica / segmento	Valor / perspicacia
Convertidores de frecuencia estática	Mayor participación de mercado: 68.2% (2023); confiable con menos partes móviles; Necesita poco cuidado
Convertidores de frecuencia giratoria	Crecimiento más rápido: 10.3%; maneja más poder; fuerte en lugares duros
Convertidores trifásicos	Cuota de mercado: 65.4%; mejor control del motor; usó mucho en fábricas
Convertidores monofásicos	Crecimiento: 8.2%; utilizado en hogares y pequeñas empresas; ahorra dinero
Sector aeroespacial y de defensa	Mayor usuario: 28.6%; Necesita convertidores confiables de alto rendimiento
Industria de procesos	Crecimiento más rápido: 11.0%; Quiere ahorros de energía y automatización
Mercado de América del Norte	Crecimiento: 9.6%; nueva tecnología y más energía verde
Mercado de Asia Pacífico	Mayores ingresos: 35.1%; Más fábricas y actualizaciones
Mercado de Europa	Crecimiento de reglas estrictas y objetivos verdes
Tamaño del mercado global	USD 24.18 mil millones en 2023; crecimiento esperado 9.4% (2024-2030)
IoT e Industry 4.0 Integración	Permite controles en tiempo real, reparaciones tempranas y enlaces de red

Nota: los convertidores de frecuencia estática, incluidos los convertidores de frecuencia de 50 Hz, son muy importantes en la industria actual. Son confiables y fáciles de cuidar, por lo que muchas compañías los eligen.

Tipos de convertidores de frecuencia por método

Convertidor de frecuencia AC-AC

Un convertidor de frecuencia de AC-AC cambia un voltaje de CA y frecuencia a otro. Primero no convierte AC en DC. Este convertidor utiliza interruptores especiales para vincular la entrada y la salida. Los convertidores de matriz son de tipo común. Utilizan una cuadrícula de interruptores para controlar el flujo de electricidad.

Los convertidores AC-AC son buenos para controlar la velocidad del motor. También ayudan a los suministros de alimentación en las fábricas. Estos convertidores pueden ayudar a enviar potencia a distancias medianas.

Un nuevo estudio mostró que un nuevo diseño de convertidor AC-AC funcionaba con una eficiencia del 98%. Tenía un factor de potencia de 0.97. El estudio también encontró una baja distorsión armónica total y menos pérdida de potencia. Esto significa que el convertidor ahorra energía y funciona mejor con los motores.

Ventajas:

• Alta eficiencia y factor de potencia

• Conversión directa, tan menos piezas

• Tamaño compacto

Desventajas:

• Sistema de control complejo

• Necesita un cambio preciso

• Mayor costo para diseños avanzados

Usos comunes:

• Impulso del motor

• Suministros industriales

• Transmisión de potencia de distancia media

Métrico	Valor / descripción
Eficiencia del convertidor	98%
Factor de potencia (PF)	0.97
Distorsión armónica total (THD)	Bajo THD en voltaje de salida y corriente
Ganancia de voltaje (g)	2.13
Recuento de componentes	Menos interruptores y piezas pasivas
Pérdidas de potencia	Más bajo debido al diseño optimizado
Costo	Reducido por menos componentes

Convertidor de frecuencia AC-DC-AC

Un convertidor de frecuencia AC-DC-AC primero cambia la potencia de CA a DC. Luego cambia de DC de regreso a AC a una nueva frecuencia y voltaje. Este proceso utiliza un rectificador y un inversor. Muchos convertidores de frecuencia usan este método, especialmente para unidades de velocidad variable.

Los convertidores AC-DC-AC le permiten controlar el voltaje y la frecuencia fácilmente. Esto ayuda a ejecutar motores a diferentes velocidades. También hacen que la calidad de potencia sea mejor y gotas de menor voltaje.

Los sistemas de CA pueden cambiar el voltaje con transformadores. Los sistemas DC necesitan más pasos y son más difíciles de controlar. Los convertidores AC-DC-AC son más complejos, pero a veces dan un mejor control y eficiencia.

Los estudios muestran que los convertidores AC-DC-AC pueden mejorar la calidad de la potencia y arreglar el factor de potencia. Por ejemplo, un convertidor AC-DC-AC monofásico puede reducir la corriente del transformador y mantener constante el voltaje de salida. Estos convertidores a menudo se usan en fuentes de alimentación ininterrumpidos y reguladores de voltaje.

Ventajas:

• Control de voltaje y frecuencia flexibles

• Bueno para unidades de velocidad variable

• Puede mejorar la calidad de la potencia

Desventajas:

• Diseño más complejo

• Mayor costo debido a piezas adicionales

• Necesita un enfriamiento y control cuidadoso

Usos comunes:

• Unidades de motor de velocidad variable

• Sistemas UPS

• Reguladores de voltaje

Tipo convertidor	Características de diseño	Métricas de rendimiento	Enfoque de aplicación
Convertidor interinado AC-DC-AC de una sola fase	Aislamiento de alta frecuencia, técnica entrelazada	Corrección del factor de potencia, mitigación de sag de voltaje	UPS, reguladores de voltaje
Cuatro convertidores AC-DC aislados de alta frecuencia	Modo de corriente discontinuo	Mejora de la calidad de la potencia en AC Mains	Suministros de alimentación, unidades industriales

Consejo: Elija el convertidor de frecuencia adecuado para el trabajo. Los convertidores AC-AC son los mejores para cambios simples y directos. Los convertidores AC-DC-AC son mejores cuando necesita más control y una mejor calidad de potencia.

Tipos de almacenamiento de energía de enlace de DC

Convertidor de frecuencia de tipo de voltaje

Un convertidor de frecuencia de tipo de voltaje utiliza un enlace de CC con un gran condensador para mantener la energía. El condensador se encuentra entre el rectificador e inversor. Ayuda a suavizar la corriente y mantiene el voltaje estable. Esto detiene los picos de voltaje que podrían dañar las partes sensibles. Por ejemplo, en los inversores de tracción, el condensador de enlace de CC reduce la onda de voltaje y mantiene el sistema seguro.

El condensador de enlace de DC también hace que el sistema funcione mejor y dure más. En las turbinas eólicas, el enlace de CC suaviza el voltaje de CC antes de que vaya al inversor. Este voltaje constante permite al inversor hacer una salida de CA limpia. El condensador también reduce el ruido eléctrico y mantiene una calidad de potencia alta.

Los ingenieros eligen condensadores de enlace de DC mirando algunas cosas. Estos incluyen la cantidad de carga que puede contener, cuánta corriente de onda puede tomar, su clasificación de voltaje y cuánto dura. A menudo usan diferentes tipos de condensadores juntos para obtener los mejores resultados. La siguiente tabla muestra cosas importantes sobre los condensadores de enlace de DC:

Aspecto	Detalles
Role	Almacena energía, mantiene constante voltaje, maneja la ondulación, corta EMI
Tipos	Película, electrolítica, cerámica
Parámetros de selección	Capacitancia, corriente de ondulación, clasificación de voltaje, ESR, ESL, temperatura, vida útil
Consejos de diseño	Use bancos en paralelo, tipos de mezcla, control de calor

Convertidor de frecuencia de tipo actual

Un convertidor de frecuencia de tipo actual utiliza un inductor en el enlace de CC para almacenar energía como corriente. Este diseño mantiene la corriente estable y controla cómo fluye al inversor. El inductor ayuda a detener la potencia y reducir la ondulación de corriente. Los convertidores de tipo actual son buenos para el uso de gran potencia y fábrica.

Una nueva investigación muestra que los convertidores de tipo de corriente modernos utilizan semiconductores especiales como SIC e interruptores híbridos. Estos cambios los hacen funcionar mejor y empacan más potencia en menos espacio. Por ejemplo, un estudio sobre convertidores de alta frecuencia con interruptores híbridos mostró un mejor enfriamiento y menos pérdida de energía. Los ingenieros también usan inductores especiales para reducir las pérdidas de corriente deult, lo que ayuda al convertidor a mantenerse fresco y a funcionar bien.

Los convertidores de tipo actual pueden funcionar a frecuencias muy altas, a veces hasta cientos de kilohertz. Esto significa piezas más pequeñas y un mejor rendimiento. En los sistemas de energía real, como las conexiones de Ship Shore, los convertidores de tipo actual ayudan a coincidir con las frecuencias de potencia y manejar grandes cargas de manera segura.

Un inversor de frecuencia de CC puede usar el almacenamiento de energía de voltaje o tipo de corriente, dependiendo de lo que necesita hacer. La elección cambia el tamaño del convertidor, qué tan bien funciona y cuánto dura.

Métodos de control del convertidor de frecuencia

Control v/f

El control V/F también se llama control Volts-Per-Hertz. Mantiene el voltaje y la frecuencia en la misma relación. Este método es bueno para trabajos de motor simples. La gente lo usa en fanáticos, bombas y transportadores. Los ingenieros como V/F controlan porque es fácil de usar. No necesita sensores especiales. Ayuda a los motores a funcionar a diferentes velocidades. Pero no puede controlar muy bien el par. Por lo tanto, no es mejor para trabajos difíciles.

Control vectorial

El control vectorial a veces se llama control orientado al campo. Utiliza matemáticas para controlar la velocidad y el par. Este método verifica la posición y la corriente del motor. El control de vectores ofrece resultados rápidos y precisos. Funciona incluso si la carga cambia rápidamente. Las fábricas lo usan para robots, grúas y ascensores. Es bueno cuando necesitas un control de motor fuerte y exacto.

Control de frecuencia diferencial

El control de frecuencia diferencial cambia la frecuencia de salida según sea necesario. Mira la diferencia entre lo que quieres y lo que obtienes. Esto ayuda a mantener el sistema estable cuando las cosas cambian rápidamente. Las centrales eléctricas y las grandes cuadrículas usan este método. Ayuda a equilibrar el suministro de energía y la demanda. Los ingenieros verifican cuánto cambian la frecuencia y el voltaje. También miran qué tan rápido reacciona el sistema. También verifican la energía de reserva.

PWM y métodos relacionados

La modulación de ancho de pulso (PWM) utiliza interruptores rápidos para controlar el voltaje y la frecuencia. Otros métodos como SPWM, SVPWM y PAM funcionan de manera similar. PWM cambia cuán ancho es cada pulso de voltaje. Esto ayuda a controlar la potencia. Los estudios muestran que elegir la frecuencia PWM correcta ahorra energía. También hace que el sistema funcione mejor. Por ejemplo, un nuevo controlador hizo que el sistema reaccione mucho más rápido. También bajó la ondulación de corriente. PWM sincrónico hizo mejor el torque y los motores más tranquilos. Los ingenieros encontraron que una frecuencia PWM cerca de 1 kHz funciona mejor para muchas unidades.

Consejo: PWM y sus tipos avanzados ayudan a los convertidores a funcionar en silencio y frescos. También hacen que sea más fácil controlar la velocidad y el par en los motores eléctricos.

Tipos de inversor de frecuencia por aplicación

Bajo voltaje y alto voltaje

Los inversores de frecuencia de bajo voltaje se utilizan en hogares y pequeñas empresas. También trabajan en la industria ligera. Estos inversores se conectan a las redes de bajo voltaje. Por lo general, manejan cargas de menos de 6 kW. Deben seguir reglas estrictas para el control de voltaje. A menudo usan potencia reactiva para mantener la red estable. La eficiencia es mejor en niveles de voltaje de CC más bajos. Esto se ajusta a lo que la mayoría de las casas y pequeñas empresas necesitan. Los inversores de frecuencia de alto voltaje son para grandes fábricas y centrales eléctricas. También se utilizan en la industria pesada. Estos inversores administran cargas más grandes. Deben lidiar con cambios de voltaje y factor de potencia más complejos. Ambos tipos ayudan a coincidir con la fuente de alimentación con lo que cada lugar necesita.

Consejo: elija inversores de bajo voltaje o alto voltaje según el tamaño de la carga y el tipo de cuadrícula.

Monofásico y trifásico

Los inversores monofásicos dan energía a pequeñas cargas. Se usan para cosas como electrodomésticos y máquinas pequeñas. Usan una entrada de CA de fase monofásica. Esto los hace simples y baratos. Los inversores trifásicos alimentan máquinas más grandes y equipos de fábrica. Usan AC trifásico. Esto le da una carrera más suave y un mejor manejo de carga. La siguiente tabla muestra las principales diferencias:

Aspecto	Inversores monofásicos	Inversores trifásicos
Fuente de alimentación	CA de fase monofásica (120V/230V)	AC trifásico (estándar industrial)
Aplicaciones típicas	Hogares, oficinas pequeñas	Fábricas, grandes motores
Eficiencia	Más bajo	Operación más suave y más suave
Manejo de carga	Limitado, menos adecuado para un alto par	Maneja un alto torque y desequilibrios de carga
Características de control	Simple	Avanzado (PID, Droop-Control, Protection)

Propósito general y alto rendimiento

Los inversores de propósito general están hechos para trabajos normales de fábrica. Dan control básico. Funcionan bien para bombas, fanáticos y transportadores. Los inversores de alto rendimiento son para trabajos difíciles en aviones, militares y una industria pesada. Estos inversores dan control avanzado y más poder. También funcionan a rangos de frecuencia más amplios. Por ejemplo, los modelos de alto rendimiento pueden subir a 400 Hz o más. Los inversores de propósito general generalmente permanecen cerca de 50-60 Hz. Las fábricas eligen a los inversores de alto rendimiento para la velocidad exacta y el control de torque.

Alta frecuencia, IGBT, MOSFET

Las piezas dentro de los inversores afectan cómo funcionan. Los inversores basados ​​en IGBT son buenos para voltajes superiores a 400 V. Funcionan mejor a frecuencias inferiores a 100 kHz. Pueden manejar mucha potencia y mantenerse frescos. Los inversores basados ​​en MOSFET son mejores con altas frecuencias y voltajes más bajos. Esto los hace excelentes para cambiar de alimentación y electrónica rápida. Los inversores de alta frecuencia usan estas piezas para brindar potencia limpia y constante en laboratorios e investigaciones. También se usan en aeroespacial. Los ingenieros eligen la parte correcta según el voltaje, la frecuencia y el trabajo.

Nota: Los estudios muestran que cosas como el voltaje, la corriente y la temperatura ayudan a clasificar y mejorar el rendimiento del inversor. El aprendizaje automático ahora ayuda a ver y hacer que los inversores funcionen mejor en plantas solares y otros lugares.

Conocer los tipos de convertidores de frecuencia ayuda a las personas a elegir el correcto. Cada tipo es mejor para ciertos trabajos. Las personas deberían pensar en lo que necesitan y las reglas locales antes de comprar. Los expertos pueden ayudar con proyectos difíciles. La nueva tecnología hace que estos dispositivos sean mejores y más fáciles de usar.

Preguntas frecuentes

¿Qué hace un convertidor de frecuencia?

Un convertidor de frecuencia cambia con qué frecuencia fluye la electricidad. Esto permite que las máquinas funcionen a la velocidad o potencia correcta. Las fábricas y las casas los usan para ahorrar energía. También ayudan a proteger el equipo de daños.

¿Cómo difiere un convertidor de frecuencia rotativa de un tipo de estado sólido?

Un convertidor de frecuencia giratoria tiene partes móviles como motores y generadores. Un convertidor de estado sólido usa piezas electrónicas y no tiene piezas móviles. Los tipos rotativos pueden manejar más potencia. Los tipos de estado sólido son más pequeños y más fáciles de cuidar.

¿Dónde usan las personas convertidores de frecuencia con más frecuencia?

Las personas usan convertidores de frecuencia en fábricas, trenes, barcos y aviones. También ayudan en los centros de datos y los sistemas de energía verde. Estos dispositivos mantienen las máquinas funcionando bien y ayudan a ahorrar energía.

¿Pueden los convertidores de frecuencia ayudar a ahorrar energía?

Sí, los convertidores de frecuencia ayudan a ahorrar energía. Dejan que los motores y las máquinas funcionen solo tan rápido como sea necesario. Esto reduce la energía desperdiciada y reduce las facturas eléctricas.