Análisis de Calidad de Energía en Inversores Fotovoltaicos

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁ
POPUESTA TECNOLOGICA
‘’ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA CALIDAD DE ENERGÍA EN INVERSORES
DE ONDA CUADRADA, MODIFICADA Y SENOIDAL PURA EN SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS AISLADOS’’
Propuesta Tecnológica presentado previo a la obtención del Título de Ingeniero en
Electromecánica
Autores:
Edwin Marcelo Guaman Taco
Kevin Fabricio Basantes Guala
Tutor Académico:
Ing. Luis Rolando Cruz Panchi Ms.C
LATACUNGA-ECUADOR
AGOSTO - 2025
1
INDICE
INDICE DE CONTENIDOS.
1. INFORMACIÓN GENERAL ................................................................................................ 4
2. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 4
2.1 Situación Problemática ..................................................................................................... 5
2.2. Formulación del Problema........................................................................................... 6
2.3. OBJETO DE ESTUDIO Y CAMPO DE ACCIÓN ........................................................ 6
2.4. BENEFICIARIOS ........................................................................................................... 6
2.4.1 Beneficiarios Directos: .............................................................................................. 6
2.4.2 Beneficiarios Indirectos: ............................................................................................ 6
2.5 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. 6
2.6.1 Objetivo General........................................................................................................ 7
2.6.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 7
2.7 SISTEMA DE TAREAS .................................................................................................. 7
3.
MARCO TEORICO. ........................................................................................................... 8
3.1.1 INVERSORES PARA PANELES SOLARES” .......................................................... 13
Inversores ............................................................................................................................. 14
3.2 UBICACIÓN GEOGRÁFICA. .................................................................................. 14
3.3 TIPOS DE INVEROSRES. ............................................................................................ 14
4.
METODOLOGIA. ............................................................................................................. 14
4.1.1 Introducción ............................................................................................................. 14
4.2 Declaración de variables ............................................................................................. 14
4.2.1 Variable dependientes.............................................................................................. 14
4.2.2 Variable dependiente ............................................................................................... 14
4.3 Diagrama de metodología ........................................................................................... 14
4.4.1 Establece variables e indicadores ............................................................................ 14
2
4.5 Recopilación de datos ................................................................................................. 15
4.5.1 Equipo empleado ..................................................................................................... 15
4.6Procesamiento de datos ............................................................................................... 15
4.7 Interpretación, evaluación y estudio de datos. ............................................................ 15
5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ................................................ 15
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 15
7. REFERENCIAS ........................................................................................................... 15
INDICE DE TABLAS.
Tabla 1 Campos de la Ciencia y Tecnología UNESCO ............................................................. 4
Tabla 2 Sistema de Tareas del Plan de Titulación. ..................................................................... 7
INDICE DE FIGURAS.
Figura 2. ubicación geográfica. ................................................................................................ 14
3
1. INFORMACIÓN GENERAL
Tema: Análisis comparativo de la calidad de energía en inversores de onda cuadrada,
modificada y senoidal pura en sistemas fotovoltaicos aislados.
Modalidad de Titulación:
Propuestas Tecnológicas
x
Proyectos de Investigación
Trabajo de Titulación Vinculado al Proyecto:
Desarrollo de tecnologías de eficiencia energética en el sector de producción de San Felipe.
Equipo de Trabajo de Titulación:
Basantes Guala Kevin Fabricio
Guaman Taco Edwin Marcelo
Ing. Cruz Panchi Luis Rolando
Área de Conocimiento:
Basándonos en la norma CINE-UNESCO, se describen a continuación las áreas de
conocimiento:
Tabla 1. Campos de la Ciencia y Tecnología UNESCO.
33000. Ciencias
Tecnológicas
3306. Ingeniería y
Tecnología
eléctricas
3306.02 Aplicaciones eléctricas
3311.05 Equipos eléctricos de control
3311.06 Instrumentos eléctricos
Línea de investigación:
Eficiencia Energética en Sistemas Electromecánicos y Uso de Fuentes Renovables.
Sub líneas de investigación de la Carrera:
Energética en sistemas electromecánicos y uso de fuentes renovables de energía.
2. INTRODUCCIÓN
4
En la actualidad la creciente demanda de energía eléctrica y la necesidad de reducir las
emisiones qué contaminan han impulsado en desarrollo de fuentes d energía renovables, entre
ellas la energía solar fotovoltaica. Particularmente en regiones rurales y zonas aisladas, los
sistemas fotovoltaicos aislados representan una solución viable para garantizar el acceso a la
electricidad sin te depender de redes convencionales.[1]Sin embargo, el desempeño de estos
sistemas no solo depende de la generación solar, si no también de la calidad de energía
suministrada, aspecto estrechamente relacionado con la tecnología de los inversores empleados.
[2]
El presente estudio titulado análisis de calidad de la energía eléctrica en inversores de onda
cuadrada, modificada y senoidal pura en sistemas fotovoltaicos aislados tiene como objetivo
conocer el grado de cumplimiento de cada tipo de inversor con la normativa vigente y sus
implicaciones en el rendimiento y compatibilidad con diversos tipos de carga en el contexto de
los sistemas fotovoltaicos aislados de Ecuador.
2.1 Situación Problemática
El uso de energías renovables como sistemas fotovoltaicos aislados como parte de iniciativas
ambientales y proyectos académicos donde se ha observado que el desempeño de estos sistemas
varía considerablemente dependiendo del tipo de inversor utilizado. Los inversores de onda
cuadrada, modificada y senoidal pura presentan diferencias notables en la calidad de energía
que entregan, lo que puede afectar tanto la eficiencia del sistema como la vida útil de los equipos
eléctricos conectados.
Espacios que dependen de estos sistemas fotovoltaicos si hay mala calidad de energía puede
causar fallas en computadoras, sobrecalentamiento en motores o errores en equipos de
medición. A pesar de estas implicaciones, no se cuenta con un estudio técnico que permita
comparar objetivamente la calidad de energía entregada por cada tipo de inversor. Esto dificulta
la toma de decisiones informadas para futuras adquisiciones e implementaciones.
En los sistemas de energía solar aislada, la transformación de energía de corriente continua
(DC) a corriente alterna (AC) se basa principalmente en el tipo de inversor empleado. Hay una
variedad de inversores, incluyendo los de onda cuadrada, onda sinusoidal modificada y onda
5
sinusoidal pura, todos ellos con distintas propiedades de eficiencia, calidad energética y
compatibilidad con cargas. No obstante, la correcta elección del tipo de inversor no siempre se
fundamenta en un análisis técnico comparativo, lo que podría resultar en un rendimiento inferior
del sistema, impactando la durabilidad de los dispositivos conectados, el consumo energético y
el beneficio-costo global del sistema.
2.2. Formulación del Problema
La calidad energía al emplear tres distintos tipos de inversores en sistemas fotovoltaicos,
detectando las fluctuaciones en parámetros eléctricos, analizando cómo influyen estas
fluctuaciones en el desempeño y eficacia de los equipos eléctricos.
2.3. OBJETO DE ESTUDIO Y CAMPO DE ACCIÓN
2.3.1. Objeto de Investigación:
Inversores de onda cuadrada, modificada y senoidal pura en sistemas fotovoltaicos aislados.
2.3.2. Campo de acción:
3322.05 Fuentes no convencionales de energía
2.4. BENEFICIARIOS
2.4.1 Beneficiarios Directos:
Investigadores del proyecto, Docentes universitarios
2.4.2 Beneficiarios Indirectos:
Comunidad Universitaria
2.5 JUSTIFICACIÓN
Los sistemas fotovoltaicos aislados son esenciales para llevar energía eléctrica a zonas lejanas
no conectadas a la red eléctrica convencional. Debido a que estos sistemas dependen de
inversores para transformar la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), la selección
del tipo de inversor impacta directamente en la eficiencia, confiabilidad y vida útil de los
equipos conectados.
La calidad de la energía eléctrica suministrada por los inversores afecta el rendimiento de los
dispositivos electrónicos y electrodomésticos.
Por eso, se sugiere revisar la calidad del suministro eléctrico en estos sistemas para verificar si
parámetros como sobretensiones, cambios en la frecuencia, flickers, interrupciones y armónicos
están dentro de los límites establecidos por las normativas eléctricas vigentes. Para cada sistema
fotovoltaico, se definirán las condiciones de tensión, corriente y distorsión armónica. Toda esta
información se recopila durante una semana. Con estos datos, se evalúan los valores medidos
comparándolos con los límites definidos con la normativa vigente.
Este estudio proporciona una visión sobre la calidad del suministro eléctrico en diferentes tipos
de inversores que afectan la calidad de la energía en sistemas fotovoltaicos, Además, se busca
comparar la normativa actual vigente, para ver si los límites y características que establece son
suficientes para evaluar la calidad del sistema fotovoltaico.
2.6 OBJETIVOS
6
2.6.1 Objetivo General
Comparar la calidad de energía eléctrica entregada por inversores de onda cuadrada, modificada
y sinusoidal pura en sistemas fotovoltaicos aislados, evaluando su cumplimiento con la
normativa vigente en el país.
2.6.2 Objetivos Específicos

Definir las variables a medir para determinar la calidad de energía eléctrica tomando
como referencia la regulación ARCERNNR 003/23.
Diseñar un módulo de prueba que permita conectar con seguridad eléctrica los
inversores con la carga y el analizador analizador de redes.
Realizar mediciones de la calidad de energía eléctrica de los inversores de onda
cuadrada, modificada y sinusoidal pura considerando el tiempo de muestreo y periodo
de medición recomendado por la regulación ARCERNNR 003/23.
Evaluar la calidad de energía (nivel, flicker, distorsión armónica, desequilibrio)
verificando que se encuentren dentro de los límites de regulación ARCERNNR-003.



2.7 SISTEMA DE TAREAS
Se realiza varias actividades para poder cumplir cada objetivo específico durante el tiempo que
se realiza la medición para el proceso de obtención de datos como se muestra en la siguiente
tabla 2.
Tabla 2 Sistema de Tareas del Plan de Titulación.
OBJETIVOS
ESPECÍFICOS
ACTIVIDADES
RESULTADOS
Analizar la demanda
energética actual de la
sala
de
control
referente al consumo
promedio y máximo.
Listado de
los
equipos
eléctricos en la sala
de control.
Registro
del consumo
energético con un
analizador
de
calidad de energía.
Cálculo del
consumo
diario
total.
- Documento con los
datos del consumo
energético
y
la
actividad
de
los
equipos.
7
TÉCNICAS,
MEDIOS E
INSTRUMENTOS
Analizador
de calidad de
energía (Fluke
Analyze).
Reportes
de consumo
eléctrico. - Hojas de
datos en Excel.
Recopilación
solar pico en la de la información
de irradiancia de
ubicación del Proyecto
una
DIRGI-CP2021-008
estación
mediante el análisis de meteorológica.
Aplicación
datos meteorológicos.
de fórmulas
para la Hora Solar
Pico (HSP) anual.
Diseñar un sistema - Elección de los
fotovoltaico
aislado componentes
del
que
satisfaga
la sistema
como
demanda energética de paneles, baterías,
la sala de control.
inversor y regulador
de
carga.
Definición de los
valores para un
funcionamiento con
eficiencia
y
autonomía.
Determinar
3.
la
hora
- Base de datos con
valores de irradiancia
y HSP durante el año.
- Gráficos con las
variaciones de la
irradiación en el año.
Datos de la
estación
meteorológica.
Programas
de
análisis como Excel
- Documento con el Normas y
diseño del sistema reglas para
fotovoltaico.
sistemas
eléctricos.
Hojas de
cálculo con las
fórmulas necesarias.
Diagrama
unifilar
eléctrico
MARCO TEORICO.
3.1.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS
Las instalaciones fotovoltaicas aisladas son sistemas de generación eléctrica autónomos qué
operan sin conexión eléctrica. Están equipados con dispositivos de almacenamiento (batería) y
sistema de regulación qué permite garantizar el suministro continúa d energía incluso durante
periodos sin radiación solar. Generalmente estas instalaciones resultan adecuadas para zonas
rurales o de regiones remotas donde no existe infraestructura eléctrica desarrollada.[3]
3.1.2 INVERSORES
El inversor solar es un componente fundamental en cualquier sistema de energía fotovoltaica,
tanto en configuraciones conectadas a la red (Grid on) cómo en sistemas aislados (Grid off). su
función es convertir la corriente continua (DC) generado por paneles solares en corriente alterna
(AC) que se utiliza en la mayoría de los dispositivos eléctricos. Los inversores se clasifican
según la forma de onda de su salida en tres tipos principales: onda cuadrada, onda senoidal
modificada y onda senoidal pura cada una con distintas aplicaciones, niveles de eficiencia y
compatibilidad con los equipos electrónicos.[4]
8
3.1.3 Inversor de onda cuadrada
La onda cuadrada es la forma más simple y más económico, pero presenta una calidad de
energía bajo debido a su alto contenido de armónico, en comparación con las otras dos.
3.1.4 Inversor de onda modificada
La onda senoidal modificada se genera a partir de la superposición de 2 señales cuadradas, una
de las cuales están desfasadas un cuarto de periodo respecto al otro. El resultado es una forma
de onda escalonada que alterna entre niveles de voltaje en el siguiente orden cero, pico positivo,
cero, coma pico negativo y nuevamente cero, repitiéndose de manera continua. Esta secuencia
produce una señal que se asemeja a una onda senoidal qué una onda cuadrada simple, aunque
todavía presenta un alto contenido no de armónico. Debido a su simplicidad y bajo costo de
implementación, la mayoría de los inversores económicos para consumo doméstico generan
este tipo de señal en lugar de una onda senoidal pura.
3.1.5 Inversor de onda pura
El inversor de onda senoidal pura proporciona la forma de onda de mayor calidad, idéntica a la
red eléctrica convencional con una distorsión armónica total (THD) típicamente inferior al 3%.
Esta señal produce con gran precisión una onda senoidal real, lo que hace ideal para
aplicaciones sensibles o de alta exigencia. Debido a su complejidad el diseño y componentes
de mayor costo este tipo de inversor es el más caro del mercado. Se utilice en equipos que
requieren una fuente de energía estable y libre de distorsiones, como dispositivos médicos,
sistemas de audio de alta fidelidad, impresoras láser y otros equipos electrónicos delicados.
Además, los inversores de onda senoidal pura son esenciales en sistemas conectados a la red
eléctrica y también a los sistemas aislados garantizando compatibilidad y eficiencia a la
transferencia de energía
3.1.3 CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA
3.1.2 NORMATIVA NACIONAL
9
En el Ecuador, se ha implementado un conjunto de regulaciones con el propósito fundamental
de asegurar que los consumidores reciban un suministro de energía eléctrica de alta calidad. La
meta principal detrás de la creación de estas normativas es la definición y la restricción de
ciertos parámetros técnicos para garantizar que el servicio eléctrico sea fiable y de la calidad.
La normativa ecuatoriana analiza los siguientes índices:

Nivel de voltaje.

Flicker.

Distorsión armónica de voltaje.

Desequilibrio de voltaje.
Estos parámetros pueden aplicarse a cualquier sistema eléctrico, incluidos los sistemas
fotovoltaicos aislados, y se miden en un punto común de integración.
3.1.3 ARCERNNR-003/2023 CALIDAD DEL SERVICIO DE DISTRIBUCIÓN Y
COMERCIALIZACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Esta normativa se encuentra vigente y fue publicada en el Registro Oficial No. 285 el 6 de abril
de 2023 y tiene como objetivo establecer los indicadores, índices y límites de calidad que deben
cumplir las empresas distribuidoras y comercializadoras de energía eléctrica en el país. Además,
define los procedimientos para la medición, registro y reporte de estos indicadores.
Nivel de voltaje
Este indicador se basa en una combinación de varios factores importantes que influyen en la
calidad de la tensión en un punto concreto de la red de distribución.
El siguiente indicador se utilizará para determinar la calidad del nivel de tensión en un punto
de la red de distribución:
Donde:
Δ𝑽𝒌 :Variación de la tensión de alimentación con respecto a la tensión nominal en el punto 𝑘.
𝑽𝒌 : Estabilidad del voltaje de suministro en un punto específico (k) basándose en la variación
del promedio de las mediciones registradas durante intervalos de 10 minutos.
10
𝑽𝑵 : Tensión nominal en el punto especifico k.
Las tolerancias permitidas por la normativa nacional vigente son de ± 5,0% de tensión nominal
y 6% de varianza común. Las tolerancias indican un límite de ±8% para las redes secundarias
en zonas clasificadas como rurales o urbano-rurales.
En la tabla 2.1. se resumen los rangos de tensiones aceptables con respecto a la tensión en
cualquier punto y el valor nominal:
Tabla 2.1: límites para índice de nivel de tensión
3.1.4 DISTORSION ARMONICA DE TENSION
Este índice evalúa tanto las distorsiones de tensión individual y también la total.
Las siguientes expresiones se utilizarán para evaluar las distorsiones armónicas individuales y
totales de la tensión:
Donde
𝑽𝒉,𝒌 : armónica de tensión h en el intervalo k en 10 minutos.
En la Tabla 2.2. Se especifican los límites máximos de distorsión armónica (THD) de tensión
individual y total:
11
Tabla 2.2: límites máximos de armónicos de voltaje
3.1.5 DESEQUILIBRIO DE TENSION
El valor límite de desequilibro de voltaje para un sistema en un punto de medición será de 2%
para todos los niveles de tensión.
3.1.6 IEEE 519
Aprobada en 2014, la norma IEEE 519 establece límites máximos permitidos para los
armónicos en las ondas de voltaje y corriente, con el fin de garantizar un funcionamiento
confiable y de calidad en los sistemas eléctricos.
Dado que cierto nivel de distorsión armónica es inevitable, tanto las empresas distribuidoras
como los usuarios deben colaborar para mantener estas distorsiones dentro de los rangos
permitidos por la norma.
La medición de armónicos se realiza en el Punto de Acoplamiento Común (PCC, por sus siglas
en inglés), es decir, la conexión entre la red de distribución y la instalación del usuario. Esto se
debe a que, si se midieran en equipos individuales, las distorsiones podrían superar fácilmente
los límites recomendados debido a la contribución acumulativa de múltiples cargas no lineales.
En la tabla 2.3 se observa los límites de detorsión de tensión definidos por esta norma.
Tabla 2.3 limite de distorsión de bajo voltaje
12
En la tabla 2.4 se presenta los límites de distorsión de la corriente fijados por esta norma
Tabla 2.4: límite de distorsión de corriente
Isc corriente máxima de cortocircuito
Il Corriente máxima de la carga de la demanda (un componente fundamental)
13
Inversores
3.2 UBICACIÓN GEOGRÁFICA.
El lugar donde se va a implementar la automatización del proceso
Figura 2. ubicación geográfica.
3.3 TIPOS DE INVEROSRES.
4.
METODOLOGIA.
4.1.1 Introducción
4.2 Declaración de variables
4.2.1 Variable dependientes
4.2.2 Variable dependiente
4.3 Diagrama de metodología
La Figura 11 muestra los parámetros a tener en cuenta en la estructura del contenido para el
análisis de los resultados y datos adquiridos durante la realización de este trabajo.
4.4 Recolección de reglas y normativas
ARCERNNR-003/2023
4.4.1 Establece variables e indicadores
Nivel de voltaje
Desequilibrio de voltaje y corriente
Armónicos
14
Frecuencia
4.5 Recopilación de datos
4.5.1 Equipo empleado
Fluke 1777
4.6Procesamiento de datos
4.7 Interpretación, evaluación y estudio de datos.
5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7. REFERENCIAS
[1]
“Energía solar fotovoltaica: ¿Cómo se genera la electricidad?” Accessed: May 18, 2025.
[Online]. Available: https://solar-energia.net/energia-solar-fotovoltaica
[2]
E. F. . Fuchs and M. A. S. . Masoum, Power quality in power systems and electrical
machines. Academic Press/Elsevier, 2008.
[3]
M. Serrano Hernandez, “Dimensionado de Sistemas FOTOVOLTAICOS Aislados,”
2018. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/330141118
[4]
“Clasificación del inversor en función de las formas de onda de salida.” Accessed: May
18, 2025. [Online]. Available: https://es.everexceed.com/blog/classification-of-inverterbased-of-output-waveforms_b357
15