Os capacitores são componentes essenciais em um Sistema UPS (Fonte de Alimentação Ininterrupta), desempenhando funções vitais como suavização, filtragem e armazenamento de energia. Uma UPS típica contém vários tipos de capacitores, tanto na seção de alimentação principal quanto nas placas de circuito impresso (PCBs).

Capacitores são geralmente encapsulados em cilindros revestidos de alumínio ou cromo e consistem em duas superfícies condutoras — geralmente placas ou eletrodos metálicos — separadas e isoladas por um meio dielétrico. A quantidade de carga que um capacitor pode armazenar é medida em farads e determinada pela espessura da camada dielétrica e pela área da superfície das placas condutoras.

Os capacitores na seção de energia de um sistema UPS podem ser classificados da seguinte forma:

Capacitores de entrada CA: Fazem parte do filtro de entrada do UPS e/ou do estágio de correção do fator de potência. Eles controlam a alimentação da rede elétrica de entrada e desempenham um papel crucial na suavização de transientes de entrada, reduzindo o ruído de comutação refletido e minimizando a distorção harmônica.
Capacitores de saída CA: Esses capacitores fazem parte dos filtros de saída do UPS. Eles ajudam a controlar a forma de onda da tensão de saída fornecida à carga crítica e fornecem potência reativa.
Capacitores DC: Esses capacitores são uma parte essencial do sistema de retificação e armazenamento de energia. Eles suavizam as flutuações de tensão (também conhecidas como filtragem da tensão de alimentação) e armazenam energia por breves períodos durante as transições entre a rede elétrica e a bateria, garantindo um fornecimento ininterrupto à carga crítica.

Todos os capacitores no sistema UPS são expostos a comutações de alta frequência, cargas do UPS e estresse físico/elétrico do ambiente operacional.

Quanto tempo duram os capacitores?

Os capacitores, juntamente com as baterias, estão entre os componentes mais vulneráveis em um Sistema UPS e são propensos a falhas com o tempo. Eles se degradam à medida que o eletrólito, o papel e a folha de alumínio em seu interior se decompõem física e quimicamente. Fatores como calor excessivo ou corrente alta podem acelerar essa degradação.

Embora um capacitor bem avaliado possa durar até 10 anos em condições favoráveis, as melhores práticas do setor recomendam a substituição de capacitores dentro de 4 a 8 anos para evitar o risco de uma falha grave. Em certas situações, os capacitores podem precisar ser substituídos já após 4 anos, especialmente em funções ou ambientes exigentes.

Fatores que afetam a vida útil do capacitor

Vários fatores podem reduzir a vida útil de um capacitor:

Corrente excessivaCapacitores expostos a correntes superiores à sua capacidade nominal sofrerão danos. Embora surtos curtos de alta corrente de ondulação possam ser inofensivos, a exposição prolongada pode causar superaquecimento e falha prematura.
Uso excessivoQuanto mais um capacitor trabalha, mais rápido ele se degrada. Se ele filtra frequentemente altos níveis de ruído de tensão ou transientes, o desgaste do capacitor será mais rápido.
Calor excessivo: O calor pode fazer com que o eletrólito dentro do capacitor evapore, resultando em uma pressão interna perigosa. Esse calor pode vir de fatores internos, como um filtro de ar bloqueado, ou de fatores externos, como altas temperaturas ambientes no local do nobreak.

Sinais de falha do capacitor

Os engenheiros de serviço podem identificar possíveis falhas de capacitores por meio de vários indicadores durante a manutenção de rotina do UPS:

Vazamento de óleo: Vazamento de óleo aumenta a temperatura e a impedância dentro do capacitor.
Deformação: Causado por calor excessivo ou vazamentos de fluidos internos.
Fios Queimados: A sobrecorrente pode danificar os fios conectados ao capacitor, o que pode ser detectado por meio de imagens térmicas.
Protrusão da tampa da válvula queimada: Isso indica estresse interno e pode levar à falha se a saliência quebrar.
Aumento de temperatura: Monitorar a temperatura é fundamental. Um aumento na temperatura interna, detectável com um termômetro ou termovisor, sugere um capacitor com defeito.
Queda de capacitânciaCom o tempo, a estrutura interna de um capacitor se degrada, fazendo com que sua capacitância caia fora da tolerância. Isso pode ser medido usando um medidor de capacitância, disponível na maioria dos multímetros digitais de qualidade.

O que acontece quando um capacitor falha?

Falhas de capacitores geralmente se enquadram em duas categorias:

Falha aberta: O capacitor para de funcionar, mas apresenta poucos sinais visíveis de falha. Esse tipo de falha pode passar despercebido, mas ainda afeta o desempenho do nobreak.
Falha de curto-circuito: O capacitor apresenta vazamento de material dielétrico, o que pode causar danos visíveis e até mesmo produzir um estalo. Essa falha é ainda mais catastrófica, pois o eletrólito é condutivo e corrosivo, podendo danificar os componentes ao redor.

Em alguns casos, um capacitor pode falhar gradualmente, perdendo sua tolerância sem nenhum sinal óbvio.

Alguns capacitores, especialmente os eletrolíticos, possuem válvulas de alívio de pressão ou tampas integradas para permitir a liberação controlada da pressão interna em caso de falha. No entanto, isso ainda pode levar ao aumento da temperatura e ao risco de vazamento do eletrólito.

Consequências da falha do capacitor em um nobreak

Os efeitos da falha de um capacitor em uma UPS dependem do tipo de falha e da configuração dos capacitores (sejam em série ou paralelo). Em sistemas com múltiplos capacitores, uma única falha pode não afetar imediatamente o desempenho, pois os capacitores restantes podem compensar a perda de funcionalidade. No entanto, mesmo uma única falha de capacitor pode degradar o desempenho da UPS, reduzindo a capacidade de filtragem, aumentando o ruído e a distorção harmônica, diminuindo o armazenamento de energia e até mesmo danificando as cadeias de baterias.

Em casos extremos, uma falha grave no capacitor pode forçar o UPS a entrar no modo bypass, o que deixa a carga crítica desprotegida.

As consequências específicas da deterioração de capacitores CA incluem:

Aumento da distorção do inversor
Instabilidade do sistema, especialmente em configurações paralelas
Quebras repentinas com ruído e fumaça, potencialmente danificando outros componentes do UPS
Tempo de inatividade não programado
Aumento dos custos de manutenção e reparos
Riscos de incêndio ou explosão devido à falha do capacitor

Conclusão

Os capacitores são vitais para a operação eficiente de Sistemas UPS, desempenhando um papel na filtragem, armazenamento de energia e manutenção da estabilidade da tensão. Com o tempo, seu desempenho pode se deteriorar devido ao calor, corrente excessiva e uso excessivo. A manutenção regular e a substituição oportuna dos capacitores podem ajudar a prevenir falhas significativas e garantir a operação contínua e confiável dos sistemas UPS.