Analysis and development of a wireless node for condition monitoring of DC-link capacitors in power converters : hardware/software co-design targeting predictive maintenance in an industrial case study

This thesis focuses on the development of a monitoring platform for power converters and on the introduction, through such tool, of a predictive maintenance system for DC-link capacitors. To this end an inverter present in the laboratory of the research group has been taken as case study, for which a microcontroller-based, Bluetooth-equipped wireless Node, interfacing with the inverter through CAN bus, has been designed and realized. The Node allows bidirectional communication between the inverter on-board microcontroller and a Graphical User Interface developed on a PC, which visualises in real time the power converter status and plots the sensed electrical and thermal variables. Critical analyses regarding the employed protocols, when applied to the power electronics field, and the underlying data semantic choices, are provided. Regarding predictive maintenance, a survey of the existing monitoring methods for electrolytic capacitors is presented, among whose the most promising for generality and applicability has been studied in deep and validated on the inverter at hand, highlighting its strengths and weaknesses. The whole thesis revolves around the target of easing the adoption of such diagnostic and monitoring tools in the industry, by choosing the least invasive and most generalisable solutions, to make them easily adaptable to existing systems.

Questa tesi si concentra sullo sviluppo di una piattaforma di monitoraggio per convertitori di potenza e sull’introduzione, attraverso quest’ultima, di un sistema di diagnostica predittiva per i condensatori impiegati nel DC-link. A tal fine è stato preso come caso studio un inverter già disponibile nel laboratorio del gruppo di ricerca, per il quale viene progettato e realizzato un nodo basato su microcontrollore dotato di connettività Bluetooth, che si interfaccia con l’inverter attraverso un bus CAN. Il nodo permette una comunicazione bidirezionale tra il microcontrollore a bordo convertitore e un’interfaccia grafica sviluppata su PC, che ne visualizza in tempo reale lo stato e mostra su grafici l’andamento delle variabili elettriche e termiche del dispositivo. Vengono esposte infine analisi critiche riguardo le caratteristiche dei protocolli utilizzati e la scelta della semantica dei dati quando si trovano applicati nel monitoraggio dell’elettronica di potenza. Per quanto riguarda la diagnostica predittiva, viene proposta un’analisi dei metodi di monitoraggio dei condensatori elettrolitici presenti in letteratura, tra i quali il più promettente per generalità e applicabilità è stato approfondito nella trattazione teorica e validato sull’inverter a disposizione, mettendone in luce punti di forza e debolezza. Tutta la tesi si sviluppa con l’obiettivo di favorire l’introduzione a livello industriale di tali sistemi di diagnostica e monitoraggio, scegliendo le soluzioni meno invasive e più generali possibile, per essere facilmente adattati a sistemi già esistenti.