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Theses Year : 2020

Aging analysis, lifetime estimation and health monitoring method of electrolytic capacitors

Analyse de vieillissement, estimation de la durée de vie et méthode de surveillance de l’état de santé des condensateurs électrolytiques

Antoine El Hayek
  • Function : Author

Abstract

With the emergence of new technologies, we are witnessing the development of techniques to improve dependability and in particular the maintainability of static energy converters and their components. In these conversion systems, the electrolytic capacitors, ensuring a stable DC network, represent an important element in the AC / DC and / or DC / AC electrical energy conversion chain. In operation, they are subject to electrical and environmental constraints (ambient temperature, current ripple, applied voltage, humidity, vibrations, etc.). These capacitors undergo redox reactions, which consume and evaporate electrolyte. The lifetime of the capacitor is thus affected. Therefore, it is interesting to estimate the state of health of these components in order to be able to schedule maintenance operations. It is therefore useful to develop tools for applying conditional monitoring. In the context of this work, the objective is to propose a system for monitoring the state of health of the electrolytic capacitors. We have therefore developed evolution models of their aging indicators which are the variations of the equivalent series resistance ESR and equivalent capacity C. The prediction algorithm is based on the evolution of these indicators to estimate the state remaining life of the capacitor module. The real-time monitoring system developed does not include additional sensors to those already existing in the energy converters considered and does not require prior accelerated aging tests. In this manuscript, we first detail the experimental procedure for accelerated aging, the different stages of characterization, the aging process and the associated results. We propose a simple and effective method to identify ESR and C aging indicators in real time. The proposed algorithm is based on time scaling and on a reference frame of temperature and voltage constraints. Subsequently, the results of the simulation of the surveillance system and the forecast of the selected state of health are presented. Experimental tests have been carried out on capacitors integrated into an industrial speed controller with a power of 15 kW. The algorithms implemented and their respective implementation constraints, for a real-time application, are detailed
Avec l’émergence de nouvelles technologies, nous assistons au développement de techniques permettant d’améliorer la sûreté de fonctionnement et notamment la maintenabilité des convertisseurs statiques d’énergie et de leurs composants. Dans ces systèmes de conversion, les condensateurs électrolytiques, assurant un réseau DC stable, représentent un élément important de la chaine de conversion de l’énergie électrique AC/DC et/ou DC/AC. En fonctionnement, ils sont sujets à des contraintes électriques et environnementales (température ambiante, ondulation de courant, tension appliquée, humidité, vibrations, etc.). Ces condensateurs subissent des réactions d’oxydo-réductions, qui consomment et évaporent de l’électrolyte. La durée de vie du condensateur en est alors affectée. Dès lors, il est intéressant d’estimer l’état de santé de ces composants afin de pouvoir programmer des opérations de maintenance. Il est donc utile d’élaborer des outils permettant d’appliquer une maintenance préventive conditionnelle. C’est dans ce cadre que nous avons effectué ces travaux dont l’objectif est de proposer un système de surveillance de l’état de santé des condensateurs électrolytiques. Nous avons donc développé des modèles d’évolution de leurs indicateurs de vieillissement qui sont les variations de la résistance équivalente série ESR et de la capacité équivalente C. L’algorithme de prédiction se base sur l’évolution de ces indicateurs pour estimer l’état de santé et la durée de vie restante du module de condensateurs. Le système de surveillance en temps réel développé ne comporte pas de capteurs supplémentaires à ceux déjà existants dans les convertisseurs d’énergie considérés et ne nécessite pas d’essais de vieillissement accéléré préalables. Dans ce manuscrit, nous détaillons d’abord la procédure expérimentale de vieillissement accéléré, les différentes étapes de la caractérisation, le processus de vieillissement et les résultats associés. Nous proposons une méthode simple et efficace pour identifier les indicateurs de vieillissement ESR et C en temps réel. L’algorithme proposé est basé sur une mise à l’échelle temporelle et sur un référentiel de contraintes en température et en tension. Par la suite, les résultats de la simulation du système de surveillance et de la prévision de l’état de santé retenu sont présentés. Des essais expérimentaux ont été menés sur des condensateurs intégrés au sein d’un variateur de vitesse industriel de puissance 15 kW. Les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d'implémentation respectives, pour une application temps réel, sont détaillés
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tel-02524999 , version 1 (30-03-2020)

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Cite

Antoine El Hayek. Analyse de vieillissement, estimation de la durée de vie et méthode de surveillance de l’état de santé des condensateurs électrolytiques. Energie électrique. Université de Lyon, 2020. Français. ⟨NNT : 2020LYSE1037⟩. ⟨tel-02524999⟩
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