Vol. 1 N° 1, enero-junio 2019, pag. 46-60

ISSN 2618-5520 online - ISSN 2683-7021 impresa

DOI - https://doi.org/10.36995/j.masingenio.2019.01.01.004

 

Estudio de Fallas en Fuentes de Alimentación Conmutadas Debido al Estrés de los Capacitores Electrolíticos

 

 Olsson, Jorge Alberto^a*; Trochez, Oscar Dionisio^b ; López, Jorge Luis^a ;Santiago, Lea Vanessa^a ; Anocibar, Héctor Rolando^a ; Kurtz, Víctor Hugo^a.

^a Universidad Nacional de Misiones (UNaM), Facultad de Ingeniería, Oberá, Misiones, Argentina.

^b Universidad Nacional de Itapuá , Facultad de Ingeniería, Encarnación Paraguay.

e-mails: olsson@fio.unam.edu.ar, oscar.trochez@fiuni.edu.py, lopezj@fio.unam.edu.ar, anocibar@fiobera.unam.edu.ar, kurtzvh@fio.unam.edu.ar

Este trabajo enmarcado en un proyecto de investigación acreditado, tuvo como objetivo determinar las principales causas de fallas en fuentes conmutadas o switching. En un 83% de los casos analizados los resultados empíricos indicaron que las fallas se debieron al estrés que soportan los capacitores utilizados como filtros. Los datos fueron obtenidos a partir de un seguimiento de servicios de mantenimientos electrónicos predictivo, preventivo y de reparación por fuera de servicio, esto fue comparado con la información de las hojas de datos de los fabricantes de capacitores, relacionándolos con sus condiciones de servicios por medio de simulación. La información obtenida permitió establecer la vida útil de los capacitores en las fuentes conmutadas, de a cuerdo a sus condiciones de servicio y a la exigencia a las que son sometidas. Se concluyó que la determinación de la vida útil del capacitor frente al estrés permite aportar datos para un adecuado proceso de fabricación, y utilización de productos, una correcta elección de los mismos de acuerdo a su destino y también facilita los datos necesarios para la implementación de adecuados protocolos de mantenimiento predictivo y correctivo en equipos electrónicos.

Palabras Clave – Estrés en capacitores, Fallas por descargas Electrostáticas, Fuentes conmutadas, Fuentes switching, Vida útil del capacitor.

This work framed in an accredited research project, the objective was to determine the main causes of faults in switching sources. In 83% of the cases analyzed, the empirical results indicated that the failures were due to the stress that the capacitors used as filters. The data was obtained from a follow-up of electronic maintenance services, both predictive, preventive and repair for out of service, this was compared with the information in the data sheets of the capacitor manufacturers, relating them to their service conditions by means of simulation. The information obtained allowed to establish the useful life of the capacitors in the switched sources, according to their service conditions and the requirement to which they are subjected. It was concluded that the determination of the useful life of the capacitor in the face of stress, allows to provide data for an adequate process of manufacturing and using products, a correct choice of them according to their destination and also provides the necessary data for the implementation of adequate predictive and corrective maintenance protocols in electronic equipment.

Keywords –Stress in capacitors, Electrostatic Discharge Failures, Switched sources, Switching fonts, Capacitor service life.

1.      Introducción

El avance de la tecnología llevo a la humanidad a una dependencia de la energía eléctrica. Es prácticamente imposible enumerar la cantidad de equipos que funcionan con energía eléctrica en el uso cotidiano, ya sea como herramientas o maquinas para la industria y el trabajo, para el confort, el esparcimiento, medicina, alimentos, ciencia, generación eléctrica etc. [1] [2]. Estos equipos utilizan distintos tipos de alimentación eléctrica y a la vez internamente suelen funcionar con distintos niveles de tensión. Por otro lado las fuentes de generación energética también son distintas. Todo esto hace necesario adaptar correctamente la conexión de un equipo a la red de suministro o de un generador a la red de trasmisión y o distribución [3]. En la actualidad estos adaptadores son en su gran mayoría con tecnología switching o de conmutación electrónica y son uno de los causantes de fallas. Cuando una fuente de alimentación ha dejado fuera de servicio un determinado equipo [4], el inconveniente y perjuicio que esto causa, sobre todo en la industria, medicina y en las centrales de generación de energía es irreversible, lo que requiere una pronta solución, el remplazo por una nueva no siempre es posible por los siguientes motivos: Falta de información.  No hay proveedores regionales. Cambio de modelos. Requiere múltiples tensiones y potencias. En equipos especiales que forman parte de un equipamiento mayor, más oneroso, el justificativo es económico. La disponibilidad de remplazos en la región de fuentes importadas puede demorar más de un mes. No hay recursos. Etc. Estos problemas requieren solución y justifican este estudio.

1.1.            Revisión bibliográfica

1.1.1.      Tipos de corriente eléctrica

En general se puede clasificar a la energía eléctrica en dos presentaciones de uso comercial,  corriente continua (CC) o corriente directa (DC) por sus sigas del inglés “direct current”  y corriente alterna (CA) del inglés (AC) “alternating current”.

1.1.2.      Corriente continua (DC)

Las fuentes de energía de corriente continua (DC) son aquellas cuya tensión de bornes se mantiene constante en amplitud y polaridad. Esta afirmación en la realidad no se cumple en cuanto a la amplitud, ya que todos los generadores poseen una cierta resistencia interna, que puede variar con el tiempo, por lo que la tensión de salida podrá tomar distintas formas dependiendo de la corriente que entrega la fuente [5]-[10], y un valor de tensión caracterizado por su valor medio.

Cada aplicación en DC real tendrá su propia exigencia y está dada por el valor medio de continua (V_med = V_OCC) de la onda y su contenido de contenido  de AC (V_rms,AC), esto se da a través del factor de ripple o factor de rizado (Fr) dado por (1).

La tensión de salida de una fuente de alimentación puede considerarse como la suma de una tensión DC ideal dada por V_med, adicionada a una AC caracterizada como tensión de ripple V_rms,AC. En la Fig.1 se muestra el oscilograma de tensiones de un rectificador de onda completa (para transformador con punto medio y filtro con capacitor linial (del tipo tradicional) en el que puede apreciarse los valores típicos de las componentes AC y DC.

En la Fig.2 se muestra el oscilograma de corrientes del rectificador de la Fig.1. Para uso electrónico las fuentes DC deben contener un Fr ≤ 10%, en general el Fr ≤ 5% [5] - [8].

En las Fig.1 y Fig.2 se aprecian oscilogramas de tensión y corriente sobre diodos y capacitores, estos son componentes básicos de cualquier tipo de fuente de alimentación, los diodos son elementos de conmutación o llaves, para este caso conmutan en forma natural debido a su polarización en directa. Puede observarse que la corriente de pico de cada diodo, para el ejemplo es del orden de cinco veces la corriente media de salida I_OCC = 3A. El capacitor por su parte se carga rápidamente con una corriente de pico del orden de cuatro veces la de salida, para luego descargarse lentamente con una corriente igual a la de salida. Estos procesos de conmutaciones de corrientes impulsivas en las llaves y de cargas abruptas y descarga del capacitor son lo que hacen que estos elementos sean los más susceptibles a fallas en las fuentes de alimentación [11].

1.1.3.      Corriente alterna (AC).

Las fuentes de corriente alternada (AC) son aquellas cuyo modulo de la tensión varían constantemente al igual que su sentido en función del tiempo, siguiendo alguna función periódica en general con forma de onda senoidal, como se muestra en la Fig. 3. Como los generadores reales poseen resistencia interna, además las cargas no son lineales en sus bornes existirá una deformación de la onda senoidal pura llamada contenido armónico [5] - [10], [12] - [16]. Las fuentes de AC se caracterizan por su valor eficaz (2) y su contenido armónico [12] - [17].

La onda senoidal deformada puede descomponerse en una onda fundamental, una componente de DC y los armónicos que la deforman dada por la serie de Fourier múltiplos de la frecuencia fundamental [7], [10],  [12], [14]-[17]. La Fig.3 ilustra la relación de frecuencia de varios armónicos a partir de una fundamental de 60 Hz.

1.2.            Tipos de fuentes conmutadas

La norma [10] las clasifica a todas como convertidores de potencia estática de potencia eléctrica porque pueden convertir corrientes AC a DC, DC a DC, DC a AC, y AC a AC. Por otro lado autores como [8] laman conversor o convertidor a aquellos dispositivos que entregan el mismo tipo de corriente con la que se alimenta, ya sea AC o DC, o sea que adapta niveles de tensión y no el tipo de corriente eléctrica. Quedando el nombre de inversor para el dispositivo que cambia el tipo de corriente eléctrica. El comercio y la industria [19] le dan el nombre principal seguido de la adaptación que realiza  y las engloba a todas como suministro de energía o fuentes de alimentación. Esto de ilustra en Tabla 1.

 

1.2.1.      Topologías de las fuentes conmutadas

Las fuentes conmutadas pueden clasificarse como reductores, elevadoras, reductoras elevadoras y de acuerdo a su topología reciben su nombre básico. Por otra parte pueden o no ser aisladas galvánicamente entre la entrada y la salida. Estas fuentes tienen tres elementos fundamentales, semiconductores trabajando como llaves o conmutadores y elementos pasivos como capacitores e inductores; en conjunto controlan el flujo de energía de la entrada para obtener la salida deseada [8]. En [9], [19], [20] se estudian las principales ventajas de las fuentes conmutadas y en la Fig. 4 se ilustran los componentes disponibles para la construcción o diseño de la etapa de potencia. De estos se evitan los resistores y los semiconductores operando en su zona lineal, ya que disipan potencia que se pierde en forma de calor. Los condensadores y los dispositivos magnéticos son elementos que idealmente no consumen energía. Los dispositivos semiconductores en modo conmutado se emplean en estado apagado (off), su corriente es cero y, por lo tanto, su disipación de potencia es nula. Cuando el semiconductor funciona en estado encendido (on), su caída de tensión es pequeña y, por lo tanto, su disipación de potencia también es pequeña. Una forma de evaluar sus desempeños se trató en [21],[22].

1.3.            Fallas en los dispositivos

Se describen a continuación brevemente las fallas en los principales componentes de las fuentes de alimentación.

1.3.1.      Fallas en semiconductores

Los semiconductores cuando fallan suelen quedar en circuito abierto cuando por el circula una corriente mucho mayor a la que opera normalmente o está diseñado. También puede ponerse en corto circuito. Estas fallas pueden deberse a sobre tensiones, sobre temperatura, mala disipación térmica, fallas de conmutación o control, pérdidas de potencia de conmutación, fallas de soldaduras, etc. [5] - [6], [11], [21] - [23].

1.3.2.      Fallas en inductores

Los componentes magnéticos rara vez son los causantes de falla, cuando esta ocurre es debido a una falla de aislación que puede provenir de una sobre temperatura o sobretensión.

1.3.3.      Fallas en Capacitores

Los capacitores están limitados por su vida útil que es un dato del fabricante dado en horas, bajo ciertas condiciones de funcionamiento, cuando estas condiciones se cambian su vida puede variar drásticamente. Existen distintas tecnologías de fabricación y autores estudiaron las causas de sus fallas como ser: cerámicos de baja tensión [23]-[24]; cerámicos de alta tensión [23], [25]; de poliéster [24]; capacitores electrolíticos de aluminio [26]- [28]; el factor de estrés de componentes y estimación de eficiencia se estudio en [22].

1.4.            Objetivos

Analizar las fallas y sus causas en fuentes de alimentación mediante el seguimiento y estudio de casos de mantenimiento y reparación de equipos electrónicos cuantificando y calificando cada una de ellas.

1.4.1.      Objetivos específicos

Determinar la vida útil de los capacitores electrolíticos sometidos a estrés de carga y descarga en fuentes conmutadas, de esta manera poder recomendar lineamientos para el mantenimiento preventivo, correctivo y de reparación por fuera de servicio.

2.      Desarrollo

2.1.            Estudio de casos - Estadístico de fallas de fuentes de alimentación

Esta parte del trabajo se basó en la clasificación de los registros de los servicios electrónicos realizados por una firma local dedicada al rubro electrónico [29]. Para esto solicitamos acceso a los datos de la firma, la que nos facilito su registro de servicios de los últimos cuatro años, desde junio de 2014 a junio de 2018, esto totalizó 3120 trabajos. De este total se descartaron 856 servicios que no involucraban fuentes de alimentación, por ejemplo instalaciones o puesta a punto de equipamientos. Quedando una muestra de 2264 trabajos que involucran fuentes de alimentación, de los cuales el 51,59% se corresponde con fallas en las mismas y el 48,41% es otro tipo de falla. Estos datos se muestran en la Tabla 2.

A continuación, se caracterizaron las fallas en fuente por su tipo. El 69,89% le correspondió a tipo de fuentes conmutadas y el 30, 14% a fuentes estándar.  Se indica en Tabla 3.

Luego se discriminaron las fallas de acuerdo al componente causante o encontrado dañado durante el servicio realizado. Los resultados se muestran en la Tabla 4.

En la Tabla 5 se tomo el total de fallas debido al capacitor en fuentes conmutadas y se lo discriminó de acuerdo a la causa de su falla en estrés, sobretensión y descargas atmosféricas (rayos y otros).

2.2.            Determinación de la vida útil del capacitor

Se estudiaron los procesos de carga y descarga del capacitor de acuerdo a su ubicación en las fuentes conmutadas, independientemente de su topología y clasificación mediante simulación en “PSIM” de una fuente conmutada tipo Boost. Esta clase de convertidor entrega una tensión continua de valor más elevado que la tensión de entrada [8, cap. 3]-[9], [20]. La llave S indicada en la Fig. 5, toma estado abierto o cerrado, controlando el funcionamiento del convertidor.

2.2.1.      Comportamiento del capacitor de entrada 

En las fuentes comerciales la fuente E de la entrada del convertidor es reemplazada por un rectificador de onda completa y filtro con capacitor como el descripto en el punto 1.1.2., para analizar las tensiones y corrientes sobre este capacitor se reprodujo uno de los diseños y simulación de una fuente Boost realizado por [30] cuyos requisitos de diseño fueron modificados para una mejor  apreciación de los efectos de carga y descarga del capacitor C₃. Se muestran en la Tabla 6.

El circuito se ilustra en la Fig. 6, con esto se logra obtener un inversor de CA a CC y conversor CC a CC

La tensión sobre el capacitor C₃ a la salida del rectificador V_CR que se obtuvo de la simulación se muestra en la Fig. 7, al igual que la corriente I_C3 de carga del capacitor al doble de la frecuencia de red de 50 Hz y de descarga a frecuencia de conmutación f_s = 2kHz. También puedo apreciarse la no linealidad de la corriente de entrada a la fuente I_AC con la tensión de alimentación V_in.

 

2.2.2.      Comportamiento del capacitor de salida

La corriente I_C2 de carga y descarga del capacitor de salida y su tensión coincidente con la de salida del convertidor, obtenidas a partir de la simulación, se muestran en la Fig. 8. También se ha superpuesto al gráfico, en otra escala, la tensión V_CR sobre el capacitor C₃ a la salida del rectificador, para apreciar los efectos  de su variación. De manera similar se muestra la corriente de salida dada por la suma de las corrientes sobre la carga simulada I_o =I_R1+I_Ro2.

 

2.2.3.      Corrientes del capacitor de salida

La corriente I_C2P e I_C2rms,AC de carga y descarga del capacitor de salida C₂, cambia de acuerdo al estado de funcionamiento de la fuente. En la Fig. 9a se muestra el oscilograma que se obtuvo del simulador para una tensión de entrada de 110 V, con carga nominal, donde la corriente del capacitor I_C2rms,AC=1,785A, con una I_C2P = 5,422A. En la Fig. 9b se muestra el oscilograma obtenido para una tensión de entrada de 220 V, manteniendo la carga nominal, donde la corriente del capacitor fue I_C2rms,AC=1,583A, con una  I_C2P = 4,378A.

2.2.4.      Hoja de datos  del capacitor de salida

A partir de las hojas de datos de [31] se seleccionó un capacitor electrolítico de aluminio estándar de propósitos generales de la serie UVR de 47 µF y 450 V, con una máxima tan δ_max = 0,25 y una típica tan δ_tip = 0,10, de código UVR2W470MHD, su vida útil es de 2000 horas a 85 ºC, de capsula cilíndrica radial con diámetro D = 18 mm y longitud L = 40 mm. A partir de estos se obtuvieron datos auxiliares del catalogo general para determinar la vida útil esperada de los condensadores electrolíticos de aluminio, esto se analizó a continuación.

2.2.5.      Vida esperada del capacitor de salida

Los factores que más afectan la vida de los condensadores electrolíticos de aluminio [28], [31] son la temperatura ambiente dada por el factor de temperatura (FT), la corriente de ondulación o de rizado dada por el factor de corriente (FI) y la tensión aplicada (FU). La vida útil esperada se calcula multiplicando el tiempo de vida (L₀) especificado en el catálogo del fabricante, por estos tres factores principales, de los cuales el más preponderante es FT. Este se basa en la teoría y en la ecuación de Arrhenius [26], [28], [31], conocida como la regla de "poder de dos" para la dependencia de la vida con la temperatura del núcleo del capacitor, esta relación duplica la vida útil por cada 10 ºC que el núcleo del condensador trabaja por debajo de su temperatura nominal. Expresado matemáticamente como (3)

Donde: L_e es la vida esperada; L₀ es la vida nominal; T₀ es la temperatura nominal y T_n es la temperatura del núcleo.

Como la temperatura del núcleo depende de la temperatura ambiente y de su auto calentamiento debido a las corrientes que circulan por el capacitor y disipan potencia sobre la resistencia serie equivalente (ERS) [28], [31], podemos incluir FI dentro de (3), calculando su aporte de calor a la temperatura del capacitor. Para esto se debió determinar la potencia sobre la ESR del capacitor P_C mediante (4), en la que se despreció la corriente de fuga I_L,OCC por ser muy  pequeña.

Donde: P_C es la potencia absorbida por el capacitor; I_Crms,AC es la corriente de ripple; R_S es la ESR; I_L,OCC es la corriente de fuga y V_C,OCC es la tensión aplicada.

Se determinó el valor de ESR R_S a partir de la hoja de datos del capacitor para frecuencia f = 120 Hz con (5).

Donde: R_S0 es la ESR; tanδ es el factor de perdida; f  es la frecuencia de prueba y C el valor de la capacidad.

 Se refirió la ESR a la frecuencia de trabajo por el coeficiente de frecuencia K_f = 1,6 de la corriente de ripple nominal [28], con (6).

Remplazando (4) la corriente del capacitor I_C2rms,AC=1,583A que se obtuvo en la simulación en el punto 2.2.2 y el valor de ESR R_S= 1,1 Ω calculado en (6) se calculo la potencia disipada por el capacitor en (7) .

La temperatura externa del capacitor aumenta hasta un punto donde la generación interna de calor se equilibra con la radiación de calor [5], [25], [28]. Esto depende de la potencia P_C disipada por el capacitor que se calculo en (7), del coeficiente de radiación térmica de la carcasa del capacitor  [31], del área  de disipación de la carcasa cilíndrica del capacitor dadas por su diámetro D y longitud L,

El aumento de temperatura de la superficie del capacitor en el equilibrio con la temperatura ambiente t_a se calculó con (8).

Donde: Dt_sa es el incremento de temperatura en la superficie del capacitor; t_a es la temperatura ambiente; t_sc es la temperatura en el cuerpo del capacitor; β es el coeficiente de radiación térmica y A es la superficie de radiación.

La temperatura del núcleo del capacitor se determino con el coeficiente de aumento de temperatura en el núcleo[31], esto se calculó en (9).

 

Donde: t_n es la temperatura en núcleo del capacitor Dt_na es el incremento de temperatura en núcleo del capacitor; a es el coeficiente de aumento de temperatura.

La vida esperada del capacitor que se obtuvo para una temperatura ambiente en el entorno al capacitor de 20 ºC aplicando (3) en (10) fue menor que la nominal, no alcanzando a dos meses.

Se agregó ventilación forzada con un cooler estándar de 0,01274 m³/s de caudal de aire, con esto se logró cambiar la resistencia térmica natural del capacitor  en una resistencia térmica forzada  donde β  se convierte en , que es el nuevo coeficiente térmico debido a la ventilación, por simplicidad lo consideramos constante y A_e es el área efectiva del capacitor que se corresponde con la mitad del área A de la cuba del mismo. El incremento de temperatura para las nuevas condiciones se da en (11)

Donde: t_nf es la temperatura en núcleo del capacitor con ventilación forzada Dt_naf es el incremento de temperatura en núcleo del capacitor; h es el coeficiente térmico.

La vida esperada del capacitor que se obtuvo para una temperatura ambiente en el entorno al capacitor de 20 ºC aplicando ventilación forzada se calculo con (12).

Donde: L_ef  es la vida esperada del capacitor con ventilación forzada.

Se pudo apreciar el gran cambio de vida esperada del capacitor elegido obtenido en (10) con equivalente a 1,8 meses, en comparación con el que se obtuvo en (12)  con equivalente a 29 meses o 2,4 años.

3.      Conclusiones

Este trabajo permite confirmar a través de un seguimiento estadístico de casos durante cuatro años que el principal causante de fallas en equipos electrónicos es la fuente de alimentación del mismo, además el 70% de estas son del tipo de conmutación electrónica o fuentes swiching, donde el componente responsable mayoritario de las fallas con un 61% es el capacitor y el 83% de estos casos es debido a su estrés o corta vida. La simulación nos permite obtener la exigencia eléctrica a la que son sometidos los capacitores y su relación con los datos del fabricante, establecer su vida útil esperada de acuerdo a su condición de servicio, que puede variar de unos pocos mese a varios años. Esto nos permite recomendar que se realice una evaluación de la vida esperada del capacitor durante el diseño para una correcta elección de los mismos de acuerdo a su destino y condiciones reales de trabajo permitiendo un adecuado proceso de fabricación. Como el factor preponderante en la vida del capacitor es la temperatura, la medición de la misma durante el mantenimiento predictivo y o correctivo en equipos electrónicos en funcionamiento facilita los datos necesarios para la implementación de adecuados protocolos que permitan determinar el tiempo de remplazo del capacitor antes que ocurra la falla.

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