Methodology to increase reliability of circuit boards applied to medium voltage circuit breakers

Many companies across various industries are increasingly embedding electronic components into their products, transforming both the products and how consumers interact with them. However, by adding electronic components, the elements that could break and bring the device to fault also increase, reducing the total reliability of the device. This topic is particularly important for those applications where each fault can cost the company a large sum of money and can cause severe problems to infrastructures. This case can be applied to power distribution and to the devices that regulate the emergency shut down of such systems such as circuit breakers. Circuit breakers for safety reasons should be of high reliability and they should never stop functioning for an internal problem as in case of circuit board fault. The idea of this thesis work is to create a methodology to increase the reliability of circuit boards by monitoring critical components and introduce predictive maintenance. First, an analysis on previous faults is conducted to ascertain the critical sections of the circuit board. Subsequently a system hazard analysis on the possible faults is made using the failure modes and effect analysis method (FMEA). Since the analysis of fault effects on a complex circuit is very difficult to understand only by experience and by "hand-made" calculation, a digital twin is created using specialized simulations software for circuit boards. Based on the FMEA results, detect the components that are critical for the correct functionality of the device and design a fault detection controller. The controller checks the parameters of those components and when they reach the condition of failure it will report them. By doing so, an increase in reliability is obtained and no large alterations to the original product are made, making it a great solution where changing the original scheme of the product is not a valid option.

Molte aziende di diversi settori stanno sempre più integrando componenti elettronici nei loro prodotti, trasformando sia i prodotti stessi sia il modo in cui i consumatori interagiscono con essi. Tuttavia, aggiungendo componenti elettronici, aumentano anche gli elementi che potrebbero guastarsi e portare il dispositivo a un malfunzionamento, riducendo l'affidabilità complessiva del dispositivo. Questo argomento è particolarmente importante per quelle applicazioni in cui ogni guasto può costare all'azienda una somma considerevole e causare gravi problemi alle infrastrutture. Questo caso può essere applicato alla distribuzione di energia elettrica e ai dispositivi che regolano lo spegnimento di emergenza di tali sistemi, come gli interruttori automatici. Gli interruttori automatici, per ragioni di sicurezza, devono avere un'elevata affidabilità e non dovrebbero mai smettere di funzionare per un problema interno come un guasto del circuito stampato. L'idea di questo lavoro di tesi è creare una metodologia per aumentare l'affidabilità dei circuiti stampati monitorando i componenti critici e introducendo la manutenzione predittiva. Innanzitutto, viene condotta un'analisi dei guasti precedenti per identificare le sezioni critiche del circuito stampato. Successivamente, viene effettuata un'analisi dei rischi del sistema sui possibili guasti utilizzando il metodo di analisi dei modi e degli effetti di guasto (FMEA). Poiché l'analisi degli effetti dei guasti su un circuito complesso è molto difficile da comprendere solo attraverso l'esperienza e calcoli "fatti a mano", viene creato un gemello digitale utilizzando software di simulazione specializzato per circuiti stampati. Basandosi sui risultati della FMEA, si individuano i componenti critici per il corretto funzionamento del dispositivo e si progetta un controllore per la rilevazione dei guasti. Il controllore verifica i parametri di questi componenti e, quando raggiungono la condizione di guasto, li segnala. In questo modo, si ottiene un aumento dell'affidabilità senza apportare grandi modifiche al prodotto originale, rendendola una soluzione ottimale nei casi in cui cambiare lo schema originale del prodotto non è un'opzione valida.