¿Por qué fallan los convertidores de frecuencia y cómo los probamos?

Un frío glacial, un calor intenso, vibraciones, productos químicos corrosivos... los convertidores pueden acabar trabajando en entornos durísimos. Es imposible saber a qué tipo de peligros se enfrentarán después de salir de fábrica.

Sin embargo, lo que sí puede hacer un fabricante es diseñarlos para que duren y luego probarlos para asegurarse de que funcionarán de acuerdo con sus especificaciones durante toda su vida útil. En ABB, creemos que la fiabilidad es valiosa para nuestros clientes, por lo que nos esforzamos al máximo para garantizar que cada convertidor esté a la altura de estándares de fiabilidad muy exigentes. En este artículo, Kari Tikkanen, director de ingeniería de fiabilidad de ABB, describe cómo ABB Drives lleva a cabo las pruebas de fiabilidad.

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La física que produce el fallo de los productos

Antes de pasar a examinar cómo se prueban los convertidores, tenemos que pensar cuáles son los factores que podrían hacer que fallen. Como vimos en un artículo anterior, la física de fallos (PoF) divide los productos en dos tipos y proporciona dos razones por las que los productos fallan.

Estas dos razones por las que los productos fallan son el sobreesfuerzo y el desgaste, y ambas están relacionadas con la resistencia y la durabilidad del producto, respectivamente. El fallo por sobreesfuerzo se produce cuando un producto se somete a un estrés que supera su resistencia. El desgaste es un proceso de fallo a más largo plazo: cada vez que un producto se expone a un estrés sufre algún daño y ese efecto se acumula y acaba provocando un fallo si supera la durabilidad del producto.

Imagen 1. Cosas que fallan cuando el estrés supera la resistencia. Los productos defectuosos tienen un estrés inferior al nominal y fallan incluso con el estrés nominal.

Kari Tikkanen, director de ingeniería de fiabilidad de ABB, describe cómo ABB Drives lleva a cabo las pruebas de fiabilidad.

Según la física de fallos, los productos pueden ser nominales o defectuosos. Los productos nominales soportan el estrés nominal, por lo que llegarán al final de su vida útil de diseño siempre que no se expongan a un estrés que supere los niveles especificados. Los productos defectuosos, por el contrario, fallan cuando se aplica el estrés nominal en el punto del defecto. Esto podría llevar a pensar que los productos defectuosos no duran mucho tiempo después de empezar a usarlos, pero, en realidad, muchos de ellos siguen funcionando. El motivo es que los niveles de estrés a los que se someten en la mayoría de las aplicaciones están por debajo de los límites nominales de diseño, por lo que esos defectos no se convierten en fallos y los productos funcionan sin problemas.

El estrés que puede afectar a la fiabilidad de los convertidores es de tipo mecánico, térmico, eléctrico, de radiación y químico. La imagen 2 muestra algunas de las formas en que este estrés puede provocar fallos por sobreesfuerzo y desgaste.

Imagen 2. Mecanismos de fallo típicos de los equipos electrónicos.

Cómo decidir qué probar y cómo hacerlo

Los programas de pruebas de los convertidores de ABB se elaboran de acuerdo con el enfoque de la física de fallos. Los métodos de prueba se seleccionan en función del tipo de muestra del producto y del mecanismo de fallo que se investiga (véase la imagen 3). Las pruebas se llevan a cabo en todas las etapas. En I+D, el objetivo es verificar que el diseño y la selección de componentes cumplen tanto las especificaciones como las expectativas del cliente. En la producción, el propósito es verificar la calidad del producto y asegurarse de que sigue funcionando de la forma en que se diseñó. Al final, cuando el producto acaba fallando, se puede realizar un análisis de fallos para identificar qué ha fallado o si ese fallo se debe al desgaste natural.

Imagen 3. Los métodos de prueba se seleccionan en función del tipo de muestra y del mecanismo de fallo.

Las pruebas de tipo que se realizan en I+D se centran en muestras nominales, por lo que pueden utilizarse tamaños de muestras relativamente pequeños. Dado que las muestras de la prueba son productos nominales, todas deberían fallar de la misma manera. Un paso importante al final del proceso de prueba consiste en analizar el fallo para asegurarse de que efectivamente se trata de un producto nominal y de que el fallo no se debe a un componente defectuoso o a un error de producción. Si fuera así, cuando se encuentra un defecto en una muestra tan pequeña, eso indicaría que es muy probable que haya un problema de calidad grave en la producción.

En el caso de que se realicen pruebas para buscar productos defectuosos, la primera decisión que hay que tomar es cuál va a ser el índice de muestreo. En la mayoría de los casos, solo hay defectos en un pequeño porcentaje de los productos, por lo que hay que probar un gran número para verificar la verdadera proporción del problema. Según la teoría estadística, si el 99 % de los productos están bien y el nivel de confianza requerido es del 99 %, por ejemplo, será necesario probar 459 unidades sin un solo fallo para confirmar que la proporción de productos defectuosos es realmente inferior al 1 %.

Métodos de prueba

Prueba de vida altamente acelerada (HALT)
La finalidad de las pruebas HALT es sondear los puntos débiles del producto y determinar cuánto sobreesfuerzo puede soportar; es decir, verificar los márgenes de sobreesfuerzo. Las pruebas HALT suelen centrarse en la temperatura y la vibración, tanto por separado como en combinación, con temperaturas de prueba típicas de entre -55°C y 150°C y niveles de vibración de hasta 50 G. Otros tipos de estrés que se suelen utilizar en las pruebas HALT son la tensión, la corriente, el choque mecánico, el exceso de par en las bornas, la humedad, etc. La imagen 4 muestra un ejemplo de perfil de estrés para las pruebas HALT con temperatura y vibración.

Imagen 4. Perfil de estrés típico en las pruebas de vida altamente acelerada.

Las pruebas HALT suelen realizarse en componentes y en subconjuntos. Cuando el producto falla, se analizan las causas raíz para determinar si es posible que se produzca un fallo similar en una situación de la vida real. En muchos casos, se descubre que ese mismo tipo de fallo podría producirse en una aplicación real si se dieran ciertas condiciones anormales, como un accidente durante el transporte o una avería de un sistema de refrigeración. Si es necesario, se mejora el diseño y se repiten las pruebas HALT para verificar que las mejoras han tenido el efecto deseado.

Pruebas de demostración de fiabilidad (RDT)
El objetivo de las pruebas RDT es confirmar que la vida útil esperada del producto cumple o supera lo previsto y, generalmente, se llevan a cabo como parte del trabajo de I+D.

Los factores que hay que conocer o determinar para diseñar las pruebas ALT/RDT son la fiabilidad esperada del producto al final de su vida útil, el perfil de misión durante su vida útil, el nivel de confianza requerido y los niveles de estrés permitidos que se han identificado en las pruebas HALT.

Las pruebas exponen al producto al estrés al que se verá sometido durante toda su vida útil. La fuente de estrés más común de los convertidores son la temperatura y los ciclos de temperatura. Para reducir el tiempo necesario para las pruebas, se utilizan niveles de estrés que superan las condiciones de funcionamiento especificadas.

Dependiendo del nivel de confianza requerido y de los niveles de fiabilidad esperados, normalmente se necesitan entre 7 y 20 muestras para realizar las pruebas RDT. El producto puede lanzarse al mercado después de pasar las pruebas RDT, pero aun así, tras el lanzamiento también se realizan las pruebas ALT. Estas pruebas de seguimiento confirman la validez del modelo y pueden ser una buena oportunidad para reducir el coste total del ciclo de vida si la vida útil que se ha determinado en las pruebas es demasiado larga.

En ABB, los convertidores completos pueden someterse a pruebas RDT en un contenedor de fiabilidad especial donde se exponen a niveles de estrés drásticos. Se utilizan varios modelos de fiabilidad para determinar el tiempo de prueba que se corresponde al estrés al que se verá sometido el convertidor durante toda su vida útil. Normalmente, 10 años de vida útil pueden probarse en tan solo unos pocos meses.

Prueba de vida acelerada (ALT)
Las pruebas ALT sirven para determinar la vida útil esperada del producto. Son muy similares a las pruebas RDT, salvo que aquí se utilizan varios niveles de estrés y se realizan hasta que el producto falle.

La diferencia entre la prueba RDT y la prueba ALT es que, al final de la prueba RDT, no sabemos cuál es la vida útil esperada real de las unidades, porque se supone que no deben fallar. Solo sabemos que duran x años o más. Las pruebas ALT sí que nos dan una estimación de la vida útil real. En las pruebas RDT, además, se asumen ciertos modelos de fallo y constantes del material. Las pruebas ALT, en cambio, nos indican el modelo y las constantes del material.

Las pruebas ALT suelen requerir entre 7 y 60 muestras, dependiendo de los niveles de confianza y fiabilidad esperados. Con frecuencia, se necesitan tamaños de muestras grandes y un tiempo de prueba importante, especialmente si no se conoce la energía de activación u otros coeficientes que utiliza el modelo.

Examen de estrés altamente acelerado (HASS)
El examen HASS se realiza como parte del proceso de producción. La idea es exponer los productos a mayores niveles de estrés para provocar el fallo de las unidades defectuosas durante este proceso y no en el periodo inicial de su ciclo de vida. La imagen 5 es una "curva de bañera" del producto, que muestra cómo varían las tasas de fallo a lo largo de su vida útil. Las máquinas son como los seres humanos: a mayor estrés, mayor mortalidad prematura, mayor tasa de enfermedades y menos tiempo de vida.

Imagen 5. El examen HASS desplaza la curva de la bañera con el fin de inducir fallos de mortalidad prematura entre las unidades defectuosas y, por lo tanto, reducir los índices de fallo durante su uso real.

El examen HASS implica un sacrificio: aunque el objetivo es reducir los fallos durante el uso real, el propio proceso de examen acorta ligeramente la vida útil del producto, porque la aplicación de estrés contribuye al desgaste. Por lo tanto, es importante sopesar cuidadosamente los beneficios y los inconvenientes a la hora de planificar el examen HASS. ¿Merece la pena agotar la vida útil de un producto de diez años en dos meses, por ejemplo, si con ello se elimina un x % de los fallos de mortalidad prematura del producto? Naturalmente, el examen HASS es más beneficioso para los productos con altos índices de fallos de mortalidad prematura. Las desventajas de este examen son que los costes son elevados y los tiempos de producción aumentan.

Como ejemplo práctico de cómo se utiliza HASS en los procesos de producción de ABB Drives, se emplean armarios de prueba para examinar las placas de circuitos principales y las placas de control de los controladores de puerta. Las placas están conectadas a una fuente de alimentación que se enciende y apaga durante el examen. Se prueban varios días a temperaturas que superan las máximas de funcionamiento. Este estrés equivale al de unas cuantas semanas de funcionamiento normal.

Pruebas de fiabilidad continua (ORT)
La finalidad de la prueba ORT es garantizar que no se hayan producido cambios en los componentes o en los procesos de producción que tengan un impacto sistemático en la fiabilidad. La metodología es similar a la de las pruebas RDT/ALT, pero las unidades de muestra se seleccionan aleatoriamente entre la producción real. En el caso de los convertidores de ABB, las pruebas pueden realizarse en módulos de convertidores, paquetes de IGBT, placas PCB e incluso convertidores completos. Se toman muestras de la producción cada semana o cada mes, dependiendo del nivel de riesgo que se haya establecido.

Si se produce un fallo durante las pruebas, se lleva a cabo un análisis exhaustivo de la causa raíz para comprobar si el fallo ha sido un caso fortuito o se debe a un cambio en el producto o en uno de los componentes.

Prueba de convertidores con motores

Cuando los fabricantes de equipos originales adquieren un convertidor nuevo, quieren saber cómo funcionará con sus motores. Una instalación de ABB Drives —el Laboratorio para Clientes de Convertidores— permite probar los convertidores con los propios motores del cliente o con cualquier motor de ABB. Las pruebas se preparan para que las condiciones de carga simulen la aplicación real y el objetivo es encontrar el sistema de convertidor óptimo para la aplicación. Por lo tanto, estas pruebas se centran en el rendimiento del sistema motor/convertidor más que en la fiabilidad.

El equipo de pruebas mide el rendimiento dinámico del convertidor/motor, la capacidad de carga y la eficiencia. Estos datos se utilizan para optimizar la combinación de convertidor/motor, lo que puede ayudar a reducir los costes, las necesidades de espacio y el consumo de energía. También pueden evitar el sobredimensionamiento que suele producirse cuando se eligen convertidores sin tener los datos de rendimiento exactos.

Los niveles de estrés del producto también pueden medirse con precisión durante las pruebas. Esta información puede utilizarse para predecir la fiabilidad del producto en esta aplicación y, para optimizar los costes totales del ciclo de vida, se puede seleccionar el tamaño adecuado del producto y diseñar un programa de servicio óptimo.

Análisis de fallos

Cuando se produce un fallo, el siguiente paso es, naturalmente, preguntarse qué es lo que ha fallado y si se puede hacer algo para evitar fallos similares en el futuro. El laboratorio de análisis de fallos de los convertidores analiza la causa raíz utilizando equipos y técnicas como rayos X 3D, escáneres acústicos, microscopios SAM y cortes transversales de los componentes. El objetivo es determinar si el producto era nominal o defectuoso y qué ha causado el estrés que provocó el fallo. El análisis de fallos moderno es un tema muy interesante que se examinará con más detalle en un próximo artículo.