Milano, 25 novembre 2015

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1 Milano, 25 novembre 2015 Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Alimentatori in ridondanza: dall esperienza sul campo un nuovo approccio per una maggiore affidabilità Milano, 25 Novembre 2015

3 Sommario - vita media degli alimentatori switching - collegamento in parallelo ridondante fino ad oggi, con il diodo di isolamento e separazione, detto diodo di ORing - modalità di guasto degli alimentatori switching per invecchiamento - un nuovo approccio tecnico alla ridondanza - modalità di guasto negli alimentatori switching in generale

4 Durata media degli alimentatori la ridondanza degli alimentatori si usa in applicazioni con alta esigenza di affidabilità in queste applicazioni, oggi è possibile monitorare lo stato di efficienza degli alimentatori in ridondanza, per effettuare manutenzione preventiva e garantire la continuità del servizio

5 Guasto per invecchiamento degli alimentatori la durata media reale di alimentatori di buona qualità con ingresso a tensione nominale e uscita a potenza nominale e 25 C ambiente, è compresa tra e ore la durata dipende in gran parte dalla temperatura di lavoro, a sua volta legata alla corrente erogata e alla temperatura ambiente in applicazioni ad alta affidabilità, la temperatura di lavoro dell aria circostante l alimentatore non dovrebbe superare 45 C

6 Durata media degli alimentatori se non sono guastati da sovratensioni da fulmini o dalle meno potenti ma molto più frequenti sovratensioni causate da guasti e/o commutazioni di carichi sulle linee AC di potenza e da guasti su linee DC o da altri eventi esterni anomali gli alimentatori switching si guastano in prevalenza per invecchiamento dei condensatori elettrolitici di uscita

7 Durata teorica condensatori elettrolitici da 105 C in funzione di T misurata sul componente 45 C temp. sul condensatore ore 55 C ore 65 C ore 75 C ore 85 C ore 95 C ore 105 C ore in alimentatori di buona qualità, alla corrente nominale e con Tamb. 25 C, gli elettrolitici lavorano tra ~ 50 e 60 C

8 Schema di alimentatore switching elettrolitici di uscita, diodo ORing, contatto DC OK

9 Condensatori elettrolitici

10 Effetti della temperatura sui condensatori il processo di invecchiamento è inevitabile e avviene in tempi variabili in funzione della T di lavoro, e in tempi diversi tra gli alimentatori in ridondanza a lato si vedono condensatori con segni di sovrappressione causati dal forte aumento di T nel componente, che ha fatto sviluppare gas all elettrolita

11 Condensatori elettrolitici guasti

12 Effetti dell invecchiamento sui condensatori condensatore da µf ridotto a 19µF dall invecchiamento gli elettrolitici perdono qualche % di capacità ogni anno anche se non lavorano più alta è la T di lavoro, più rapida è la riduzione della capacità, perché l elettrolita evapora più velocemente la diminuzione della capacità fa aumentare il ripple di corrente che aumenta ancora di più la temperatura nel condensatore accelerandone il degrado fino al guasto

13 Conseguenze degli elettrolitici deteriorati con elettrolitici deteriorati l alimentatore eroga una minima frazione della corrente nominale, ma eroga ancora tensione e corrente sufficienti a tenere attratto il relè interno che attua il contatto di allarme «DC OK» quindi in un alimentatore non più in grado di erogare corrente, il contatto resta in stato «DC OK» e non da il segnale di allarme al controllo la corrente al sistema è tutta erogata dal secondo alimentatore, la cui temperatura di lavoro aumenta, accelerandone il processo di invecchiamento quando anche gli elettrolitici del 2 alimentatore sono deteriorati, esso non eroga più corrente, il sistema non è più alimentato e si ha l allarme contemporaneo dai contatti DC OK dei due alimentatori, ormai tardi

14 Una soluzione del problema l alimentatore con elettrolitici deteriorati eroga ancora tensione e i pochi ma sufficienti a tenere attratto il suo relè e il contatto «DC OK», ma è possibile sapere che non è più in grado di erogare corrente. misurando la corrente erogata e non solo la tensione, come in pratica fa il relè del contatto «DC OK» fin qui usato la soluzione è misurare la corrente erogata da ciascuno degli alimentatori in ridondanza in questo modo è possibile segnalare se la corrente erogata da uno dei due è inferiore alla soglia che indica che è vicino il guasto dell alimentatore con elettrolitici esauriti ciò consente la manutenzione preventiva e evita il fermo del sistema

15 Ridondanza con diodi ORing in caso di corto circuito nello stadio di uscita di uno dei due alimentatori, i diodi ORing sul positivo di uscita evitano che l altro lo «veda» e intervenga la sua protezione da corto circuito che spegnerebbe l uscita togliendo alimentazione al sistema questo è il solo caso in cui i diodi ORing assicurano la ridondanza L N L N AC GND AC AC GND AC

16 Per aumentare l affidabilità dei sistemi Cabur ha progettato due moduli di ridondanza con controllo attivo della corrente erogata : XCSR10X2 per due alimentatori da 10A, e XCSR20X2 per due alimentatori da 20A i moduli sono gestiti da µp, misurano la corrente erogata dai due alimentatori, controllano il bilanciamento e danno un segnale con un contatto pulito per ogni ramo di alimentazione se lo sbilanciamento supera il valore impostato 70/30 il contatto del ramo che eroga il 30% commuta e da l allarme e i led lo segnalano è quindi possibile intervenire prima che la ridondanza sia messa in crisi dall invecchiamento degli elettrolitici nei moduli XCSR i diodi ORing sono sostituiti da mosfet che dissipano meno di 2W contro oltre 20W dissipati da diodi bipolari (con I = 20A), riducendo i consumi di corrente e il riscaldamento nel quadro

17 Modulo di ridondanza attivo con misura di corrente sui due rami Ingresso Alimentatore 1 CARICO DC OK Alim 1 DC OK Alim 2 Ingresso Alimentatore 2 Porta Modbus

18 Moduli di ridondanza attivi XCSR10X2 ( A) XCSR20X2 ( A)

19 Per aumentare l affidabilità dei sistemi caratteristiche dei moduli di ridondanza attivi Cabur : tensione di funzionamento : 10.30VDC precisione di misura della corrente sui due rami : ± 2% porta di comunicazione di stato e allarmi : Modbus RTU- RS485 contatto pulito di stato / allarme su ciascuno dei due rami di alimentazione display bilanciamento/sbilanciamento : a led sul pannello frontale soglia di allarme: con sbilanciamento oltre 70/30, il contatto del ramo che eroga il 30% dà l allarme e indica l alimentatore da sostituire funzione di «diodi ORing» attiva con mosfet potenza dissipata totale : 2W

20 Alimentatori, affidabilità e cause di guasto non tutti gli alimentatori hanno la «fortuna» di morire di vecchiaia presentiamo una breve analisi delle cause di guasto più frequenti degli alimentatori switching molti si guastano a causa di eventi anomali e traumatici sulle reti di alimentazione AC e sulle reti di terra le slides seguenti illustrano le cause più frequenti di guasto

21 Alimentazione 230Vac monofase ricavata da linea 3F +N schema con un alimentatore monofase e carico alimentati tra il Neutro e fasi diverse se il carico alimentato dalla fase diversa va in corto, la tensione del N sale a tensione di fase fino all apertura delle protezioni, quindi per alcune decine o spesso centinaia di ms

22 Alimentazione 230Vac monofase ricavata da linea 3F +N schema con un alimentatore monofase e carico alimentati ciascuno tra il Neutro e una fase diversa se il Neutro della linea viene isolato dal neutro del quadro, per manovre, errori o guasti, il N del quadro sale a tensione di fase

23 Le conseguenze all ingresso di alimentatori monofase 120/230Vac tra L e N è collegato il varistor di protezione dai surge, con tensione nominale 275V, con Isc 4 ka 8/20µs il varistor da 275V sottoposto a 400Vac va in conduzione e diventa un «corto», quindi è attraversato per decine di ms dalla corrente di guasto di linea, brucia e salta il fusibile di protezione interno le conseguenze sono visibili nelle foto l alimentatore guasto spesso non è riparabile questa è la causa di guasto più frequente negli alimentatori monofase

24 Guasto causato da sovratensione sulla terra in circuiti con negativo della 24V collegato a massa e a terra, in caso di corto tra una fase a terra, il negativo sale a tensione di fase fino all intervento delle protezioni e spesso ciò provoca il guasto nei componenti dello stadio di uscita dell alimentatore

25 Guasto causato da sovratensione sulla terra a lato si vede il diodo Transil (35V-150A, 1.2/50µs), di protezione dell uscita da sovratensioni bruciato e gli elettrolitici da 35 Volt esplosi per avere ricevuto più di 50 Vac succede quando una fase va in corto a terra e il tempo di intervento delle protezioni sulle linee AC non è così rapido da evitare il guasto

26 Alimentatori, affidabilità e cause di guasto sulle reti di alimentazione AC e sulle reti di terra di impianti industriali, specie se di grandi dimensioni e con apparati di grande potenza, sono frequenti forti abbassamenti di tensione e picchi di tensione causati da accensione e spegnimento di carichi o da guasti sebbene un singolo evento possa non essere distruttivo per gli stadi di ingresso o di uscita degli alimentatori, il ripetersi di questi fenomeni causa il deterioramento dei componenti e ne abbrevia la durata il deterioramento avviene in tempi dipendenti dalla frequenza, dalla durata e dai valori raggiunti da questi fenomeni, che non sempre sono eliminabili

27 Grazie per la Vostra attenzione