Napájení zařízení s jedním napájecím kabelem v prostředí s duálním rozvodem

Transkript

1 Napájení zařízení s jedním napájecím kabelem v prostředí s duálním rozvodem Victor Avelar White Paper č. 62

2 Resumé Použití duální architektury napájení v kombinaci se zařízeními IT s duálními napájecími zdroji a napájecími kabely je osvědčeným postupem v oboru IT. V datových střediscích, kde je tento způsob použit, nevyhnutelně existují zařízení IT vybavená pouze jedním napájecím kabelem. Existuje řada možností, jak integrovat zařízení s jedním napájecím kabelem do datového střediska s duálním rozvodem a vysokou dostupností. Tento dokument objasňuje rozdíly mezi různými možnostmi a poskytuje doporučení k výběru vhodného přístupu. 2

3 Úvod Většina datových středisek s vysokou dostupností používá systém napájení se dvěma elektrickými rozvody ke kritickým zátěžím a většina zařízení IT podnikové třídy je vybavena redundantními zdroji napájení a napájecími kabely k zachování dvojího rozvodu napájení až k vnitřnímu rozvodu napájení v zařízení. Zařízení tak zůstává v provozu v případě poruchy v kterémkoli místě libovolného rozvodu napájení. Avšak zařízení s jediným napájecím zdrojem (jedním napájecím kabelem) představují slabé místo v datovém středisku s vysokou dostupností. Ke zvýšení dostupnosti zařízení s jedním napájecím kabelem jsou často používány přepínače, které poskytují výhody redundantních rozvodů napájení. Bez dostatečných znalostí však použití těchto přepínačů může vést k prostojům, kterým by jinak bylo možné předejít. Existují tři základní přístupy k napájení zařízení s jedním napájecím kabelem v prostředí s duálním rozvodem: napájení zařízení jedním přívodem - obrázek 1a přepínač v místě použití k výběru primárního zdroje a v případě poruchy tohoto zdroje přepnutí na druhý rozvod napájení - obrázek 1b použití velkého centrálního přepínače napájeného ze dvou zdrojů k vytvoření nové napájecí sběrnice pro napájení velké skupiny zařízení s jedním napájecím kabelem - obrázek 1c Obrázek 1a: jeden přívod Obrázek 1b: přepínač v místě použití Primární trasa napájení Jednotka PDU Primární trasa napájení Jednotka PDU Jednotka UPS 1 Transformátor 1 Rozvodný panel 1 Server Jednotka UPS 1 Transformátor 1 Rozvodný panel 1 Záložní trasa napájení Jednotka UPS 2 Transformátor 2 Jednotka PDU Rozvodný panel 2 X Záložní trasa napájení Jednotka UPS 2 Transformátor 2 Jednotka PDU Rozvodný panel 2 Prepínac pro montáž do stojanu Server Obrázek 1c: centrální přepínač Primární trasa napájení Jednotka UPS 1 Jednotka UPS 2 Záložní trasa napájení Statický prepínac Jednotka PDU se statickým prepínacem Snižovací transformátor Rozvodný panel Server 3

4 Funkce přepínače Přepínač je běžnou součástí datových středisek a používá se k následujícím funkcím: 1. přepínání systémů UPS a dalších zátěží z veřejné elektrické sítě na generátor při výpadku elektrické sítě 2. přepínání z vadného modulu UPS na veřejnou elektrickou síť nebo jiný systém UPS (v závislosti na typu systému) 3. přepínání kritických zátěží z jedné napájecí sběrnice systému UPS na jinou v systému duálního napájení Tento dokument je zaměřen výhradně na třetí funkci. Pokud by všechny zátěže IT bylo možné připojit k duálnímu napájení (tj. byly by vybaveny dvěma napájecími kabely), nebylo by použití přepínačů nutné. Většina špičkových síťových zařízení pro ukládání dat a serverů je vybavena plně redundantními napájecími zdroji a dvěma napájecími kabely. Zařízení s jedním napájecím kabelem však stále tvoří 10 až 20 % veškerého zařízení v kritických aplikacích. Je-li zařízení s jedním napájecím kabelem připojeno k jednomu elektrickému rozvodu v duálním prostředí, může být celková dostupnost obchodního procesu ohrožena. Podle dokumentu White Paper č. 48: Porovnání dostupnosti různých konfigurací redundance pro napájení stojanů dochází v datovém středisku vybaveném pouze zařízeními se dvěma napájecími kabely a redundantními nezávislými rozvody napájení až krát méně často k prostojům než ve středisku s jedním rozvodem. Přepínače umožňují tento značný rozdíl snížit, a to přivedením redundantních elektrických rozvodů blíže k zátěžím. Typy přepínačů Existují dva hlavní typy přepínačů, které se používají: statické a elektromechanické. Oba jsou založeny na principu přepínání mezi primárním a alternativním zdrojem napájení. Třebaže poskytují stejný výsledek, dosahují jej různými způsoby. Každý typ přepínače má specifické vlastnosti, které mohou být přínosem pro různé typy aplikací. Stručný přehled principů činnosti obou typů přepínačů je uveden níže a podrobnější popis naleznete v příloze A. 4

5 Statické přepínače (Static Transfer Switch, STS) Použití V současnosti jsou k dispozici statické přepínače pro výkony od 5 kva do 35 MVA. Přepínače STS jsou používány v celé řadě oblastí včetně elektrických rozvodných společností, závodů na výrobu automobilů, závodů na výrobu polovodičů, ropných rafinériích a v datových střediscích. Většina těchto přepínačů spadá do výkonového rozsahu 100 až 300 kva a běžně mají velikost dvou stojanů IT postavených vedle sebe. U aplikací jako jsou rafinérie, kde jsou rozvodná síť a elektrická architektura méně spolehlivé než u kritických datových středisek, není nutné výhody statických přepínačů příliš rozebírat. Rozvodná síť a elektrická architektura kritických datových středisek jsou však mnohem robustnější. V těchto případech snížení spolehlivosti související s přidáním přepínačů STS převažuje nad výhodami, které přinášejí. Na obrázku 2 je znázorněn příklad přepínače STS s výkonem 200 kva. Statické přepínače s tímto výkonem jsou nejvhodnější pro velké třífázové zátěže s jedním napájecím kabelem, jako jsou například číslicově řízené stroje a další kritická výrobní zařízení. Třebaže jsou v současnosti k dispozici velká třífázová zařízení jako například zařízení pro ukládání dat, jsou vybavena dvěma napájecími kabely a redundantními zdroji napájení. V případě zařízení se dvěma napájecími kabely je spolehlivost a dostupnost napájení optimalizována přivedením dvou zdrojů elektrické energie přímo k zátěži. Statické přepínače pro výkony 5 až 10 kva jsou všeobecně navrženy pro montáž do standardní stojanové skříně velikosti 19" (483 mm) a jsou znázorněny na obrázku 3. Statické přepínače tohoto typu jsou používány v prostředí IT, například v kabelových rozvodnách a datových sálech. Při použití menších přepínačů nemůže porucha přepínače STS postihnout velkou část datového střediska a případný výpadek je omezen pouze na příslušné zařízení s jedním napájecím kabelem v jednom stojanu. Na rozdíl od velkokapacitních přepínačů STS podporují stojanové přepínače škálovatelnost a pružnost. Dodací lhůty menších přepínačů umožňují správcům IT pořizovat přepínače teprve v případě potřeby. Tyto přepínače lze také snáze instalovat a přemísťovat při modernizaci prostředí IT. Obrázek 2: Přepínač STS s výkonem 200 kva 5

6 Obrázek 3: Stojanový přepínač STS Zdroj: Zdroj: Provoz Jak je zřejmé z názvu, statické přepínače neobsahují pohyblivé součásti, a to díky polovodičové technologii. Jednofázový přepínač STS se v zásadě skládá ze dvou párů křemíkových řízených usměrňovačů (Silicon Controlled Rectifier, SCR), tzv. tyristory, které jsou ovládány řídicím obvodem. Jakmile řídicí obvod zjistí, že je primární napájecí okruh mimo toleranci, odpojí přepínač primárního okruhu a zapojí přepínač alternativního okruhu. Přepnutí obvykle trvá přibližně 4 ms, ale může být poněkud delší v závislosti na stavu obou zdrojů. Chybové režimy Obecně platí, že čím je systém složitější, tím více chybových režimů může nastat. V porovnání s elektromechanickými přepínači jsou statické přepínače mnohem složitější kvůli rychlosti, s jakou je nutné provádět rozhodnutí při přepínání mezi napájecími zdroji. ** Řídicí jednotka musí například sledovat několik proměnných pro obě napájecí trasy včetně fázových úhlů, stavů tyristorů, stavů elektrických jističů, napětí a proudu. 6

7 Porucha řídicí jednotky statického přepínače Řídicí jednotka je kvůli své složitosti nejkritičtější součástí statického přepínače. Pokud by řídicí jednotka přestala odesílat signály do tyristorů, zůstaly by tyristory ve výchozím stavu otevřené, tj. nevedly by elektrický proud a zátěž by byla odpojena. To je důvod, proč téměř všechny statické přepínače obsahují redundantní řídicí jednotky a zdroje napájení. Tyristory jsou řízeny jednotlivě a řídicí jednotka proto může vykazovat čtyři obecné chybové režimy. 1) Řídicí jednotka odešle primárnímu přepínači signál k sepnutí, ale přepínač by měl být otevřený. Jestliže primární zdroj není schopen snést zatížení, dojde k výpadku napájení zátěže. 2) Řídicí jednotka odešle primárnímu přepínači signál k otevření, ale přepínač by měl být sepnutý. Je-li alternativní přepínač otevřený nebo není-li alternativní zdroj schopen snést zatížení, dojde k výpadku napájení zátěže. 3) Řídicí jednotka odešle alternativnímu přepínači signál k sepnutí, ale přepínač by měl být otevřený. Jestliže alternativní zdroj není schopen snést zatížení, dojde k výpadku napájení zátěže. 4) Řídicí jednotka odešle alternativnímu přepínači signál k otevření, ale přepínač by měl být sepnutý. Je-li primární přepínač otevřený nebo není-li primární zdroj schopen snést zatížení, dojde k výpadku napájení zátěže. Porucha tyristoru Tyristor je poměrně spolehlivý prvek, ale pokud selže, dojde v 98 % případů ke zkratu, což způsobí odpojení zátěže od napájení. Zjištění zkratovaného tyristoru je obtížné, protože rozdíl v odporu (poklesu napětí) mezi zkratovaným a funkčním tyristorem je menší než 0,5 V. To zvyšuje složitost řízení. Porucha výstupního jističe Dojde-li k nepředpokládanému výpadku výstupního jističe, bude zátěž odpojena od napájení. V některých případech se k vyloučení tohoto rizikového bodu selhání používají dva výstupní jističe, jejich koordinace však není jednoduchá. Porucha způsobená lidskou chybou Stejně jako u většiny kritických prostředí je lidská chyba obvyklou příčinou selhání. S ohledem na složitost statického přepínače a jeho interakci s různými zdroji vstupního napájení může k lidské chybě dojít mnoha způsoby. K častým příkladům patří: - Nevhodné nastavení statického přepínače může způsobit negativní interakce specifické pro dané místo. - Chybné použití přemosťovacích přerušovačů přepínače STS. Pokud někdo například sepne primární přemosťovací přerušovač, ale primární zdroj není k dispozici, dojde k odpojení zátěže od napájení. - Nesprávné postupy při údržbě. Na závěr je důležité poznamenat, že bez ohledu na chybový režim velké přepínače odpojí větší část celkového zatížení datového střediska než menší přepínače. 7

8 Elektromechanické neboli automatické přepínače (Automatic Transfer Switch, ATS) Použití Většina elektromechanických přepínačů, které jsou označovány také jako automatické přepínače ATS, použitých tímto způsobem, je z důvodu fyzických omezení relé určena pro výkon maximálně do10 kva. To je důvod, proč mají tyto stojanové automatické přepínače většinou výšku 1U, jak je znázorněno na obrázku 4. Stejně jako u stojanových přepínačů STS jsou i u stojanových přepínačů ATS selhání omezena na jeden stojan, nikoli na desítky nebo stovky stojanů. Stojanové přepínače ATS také podporují škálovatelnost a pružnost. Díky menší velikosti a hmotnosti je instalace stojanového přepínače ATS jednodušší než instalace přepínače STS. Obrázek 4: Stojanový přepínač ATS Provoz Elektromechanické přepínače jsou závislé na kombinaci elektrických a mechanických vlastností. Podobně jako přepínače STS mají i tyto přepínače řídicí jednotku, která sleduje oba vstupní napájecí zdroje. Mechanismem převodu zátěže je v tomto případě relé. Relé je mechanický přepínač, který je udržován v jednom stavu magnetickou silou. Jakmile řídicí jednotka zjistí, že je primární napájecí okruh mimo toleranci, odpojí proud do relé a pružina zajistí přepnutí relé na sekundární napájecí zdroj. Celková doba přepnutí u tohoto typu přepínače činí 8 až 16 ms. 8

9 Chybové režimy Elektromechanické přepínače jsou mnohem menší a méně složité než statické přepínače. Důvodem je především skutečnost, že elektromechanické přepínače lze snáze řídit a nevyžadují synchronizaci mezi napájecími zdroji. Vzhledem k fyzickému pohybu relé jsou chybové režimy elektromechanických přepínačů převážně hardwarové povahy. Přitavení relé Jedním z možných chybových režimů je přitavení relé ke kontaktu. K tomu může dojít při přepínání vysokého napětí, kdy vzniká oblouk o vysoké teplotě a dochází ke svaření kovových povrchů. U třífázového relé může dojít k přitavení jednoho nebo více reléových přepínačů. Porucha řídicí jednotky Třebaže je u menších výkonů tato porucha méně pravděpodobná, může se stát, že řídicí jednotka učiní nesprávné rozhodnutí o přepnutí. Je-li například primární zdroj napájení mimo toleranci, řídicí jednotka může přepnout na sekundární přívod napájení, který není vůbec napájen. Porucha napájecího zdroje řídicí jednotky Nesprávnou funkci řídicí jednotky může způsobit také její zdroj napájení. Je-li napájecí napětí nestabilní, může se řídicí jednotka chovat nepředvídatelně nebo nemusí fungovat vůbec. Porucha elektrického jističe Významným chybovým režimem, který je nutné mít na paměti, je selhání elektrických jističů chránících výstup z přepínače. Tyto jističe bývají často nespolehlivé a představují riziko selhání. Napájecí zdroje zařízení IT Je důležité poznamenat, že oba uvedené typy přepínačů vykazují krátkou dobu přepnutí, během níž není ke kritickému zatížení přiváděno napájení. Jakým způsobem mohou zařízení IT překonat takový výpadek? Tato otázka je podrobně zodpovězena v dokumentu White Paper č. 79: Technické srovnání line interaktivních systémů UPS a systémů online a krátce zrekapitulována v příloze B. Spínací napájecí zdroj SMPS musí umět překonávat krátké poruchy napájení už jen proto, aby mohl být napájen ze sinusového střídavého napětí elektrické sítě. Mezinárodní standard IEC definuje omezení pro velikost a dobu trvání poruch výstupního napětí, které je zdroj SMPS schopný akceptovat. Podobně organizace Information Technology Industry Council (ITI, dříve známá jako Computer & Business Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) zveřejnila dokument, který popisuje vstupní střídavé napětí, které lze tolerovat (bez přerušení funkce) u většiny zařízení IT. Obrázek 5 znázorňuje křivku ITIC a ilustruje, jak provoz zařízení při přerušení napájení (napětí 0 V) normálně pokračuje po dobu 20 ms. Tato křivka a uvedený dokument jsou k dispozici na adrese: 9

10 Obrázek 5: Křivka ITIC Krivka ITI/CBEMA (Revize z r. 2000) Procenta jmenovitého napetí (efektivní nebo špicková hodnota) Bez prerušení ve funkcní oblasti Zakázaná oblast Hranice oblasti napetové tolerance pro zarízení s jednofázovým napájením 120 V Prubežné limity Oblast bez poškození ,01 c 1 ms 3 ms 20 ms 0,5 s 10 s Trvání v cyklech (c) a sekundách (s) Výběr vhodných přepínačů Větší statické přepínače mají mnohem větší kapacitu než stojanové přepínače. Přestože většina zařízení IT v datových střediscích vyžaduje příkon menší než 6 kw, některá zařízení, jako například zařízení pro ukládání dat, mohou vyžadovat mnohem větší příkon. V takových případech je nutné k zajištění redundantního napájení zařízení použít větší statické přepínače. Kritické zařízení této velikosti je však obvykle vybaveno redundantními zdroji napájení a kabely a nevyžaduje použití statického přepínače. Tabulka 1 uvádí oblasti výkonu pro všechny typy přepínačů a slouží jako vodítko při výběru vhodného přepínače. Je uvedena také možnost bez použití přepínače. V následujících částech jsou podrobně popsány jednotlivé faktory výběru. 10

11 Celkové náklady na vlastnictví (TCO) Celkové náklady na vlastnictví zahrnují investiční náklady na pořízení a instalaci přepínačů a provozní náklady související s jejich použitím. Tomuto tématu se podrobně věnuje dokument White Paper č. 37: Předcházení nákladům plynoucím z předimenzování infrastruktury datových středisek a síťových sálů. Investiční náklady Předimenzované statické přepínače s vyšší kapacitou představují vyšší náklady na jednotku využitého výkonu a také náklady spojené se ztrátou možnosti provádění změn. Větší statické přepínače (pro výkony větší než 10 kva) jsou většinou pevně zapojeny do elektrické infrastruktury budovy. Menší automatické a statické přepínače stačí pouze zapojit do zásuvky, takže není nutné najímat elektrotechniky. Provozní náklady Provozní náklady zahrnují elektrickou energii, údržbu a daňové dopady. Statické přepínače jsou kvůli většímu počtu součástí méně účinné než elektromechanické přepínače. Účinnost se stává závažnějším problémem při nízkém zatížení statických přepínačů s vysokou kapacitou. Náklady na údržbu se liší podle doporučení výrobce. Obecně jsou však náklady na údržbu statických přepínačů vyšší než u přepínačů ATS, kvůli vyšší složitosti a počtu součástí. Daňové dopady nejsou všeobecně při výběru přepínačů brány v úvahu, v závislosti na velikosti datového střediska však mohou představovat značné úspory. Dokument White Paper č. 115 Účetní a daňové výhody modulární přenosné infrastruktury datového střediska popisuje, jak lze modulární přenosná elektrická zařízení klasifikovat jako kancelářské vybavení a dosáhnout tak daňových úspor. Tato možnost může být výhodná u přepínačů, které stačí zapojit do zásuvky a lze je snadno přemisťovat. Možnosti správy Možnosti správy elektrické infrastruktury jsou velmi důležité pro integritu informačních technologií a telekomunikační sítě. Kritické chybové režimy se často projeví jen v okamžiku, kdy přepínač musí přejít na alternativní zdroj. To je mnohem důležitější u statických přepínačů, které mají mnohem více chybových režimů než elektromechanické přepínače. Vzdálená správa přepínačů umožňuje správcům IT a správcům zařízení sledovat stav, protokolovat události, konfigurovat nastavení, provádět aktualizaci firmwaru a přijímat výstrahy em a prostřednictvím protokolu SNMP. Přepínače by měly podporovat standardní správu prostřednictvím protokolů HTTP (web), SNMP a Telnet. Doba přepnutí Přepínač, který podporuje zařízení IT a telekomunikační zařízení, musí být schopen přepnout mezi zdroji nejvýše během 20 ms. Snadná instalace Vzhledem k časté modernizaci zařízení IT (po 1,5 až 2 letech) by přepínače měly umožňovat rychlou rekonfiguraci. Přepínač by mělo být snadné rekonfigurovat například při přemístění zařízení s jedním napájecím kabelem. 11

12 Spolehlivost Obecně platí, že čím je systém složitější, tím větší je pravděpodobnost chyby nejen v práci jeho součástí a řídicího systému, ale také při lidském zásahu. Statické přepínače jsou ze své podstaty složitější než elektromechanické přepínače a proto při obsluze a opravách vyžadují hlubší znalosti. Elektromechanické přepínače jsou zase omezeny celkovým počtem přepnutí relé. Relé používaná k tomuto účelu jsou typicky určena pro přepnutí. U přepínačů v prostředí datového střediska dochází průměrně ke čtyřem přepnutím ročně. Životnost relé je proto vzhledem k životnosti datových středisek dostatečná. Kvalita oprav Dojde-li k poruše systémů, cílem každého správce IT nebo správce zařízení by měla být výměna celého modulu za modul opravený nebo renovovaný ve výrobním závodě. Stojanové statické a elektromechanické přepínače lze úplně vyměnit, na rozdíl od větších přepínačů STS, které jsou opravovány na místě v málo standardním nebo zcela nestandardním prostředí. Většina statických přepínačů je však vybavena přemosťovacími přerušovači, které umožňují údržbu a provádění oprav za současného napájení zátěže. V závislosti na konfiguraci je také možné vyměnit menší elektromechanické přepínače bez vypnutí kritické zátěže. Synchronizace zdrojů Při přepínání mezi dvěma zdroji elektrické energie je možné, že zdroje nebudou synchronizované, což může způsobit poškození koncového zařízení nebo vypadnutí elektrických jističů. Pravděpodobnost takové události se zvyšuje s rychlostí přepínání a velikostí přepínače. Velké statické přepínače jsou proto k tomuto problému náchylnější než malé. Nesynchronizované přepínání pomocí elektromechanických přepínačů nepředstavuje problém pro koncová zařízení, ale může způsobit přitavení částí relé v přepínači. Některé přepínače tohoto typu jsou proto vybaveny přídavným relé, které zabraňuje vzniku elektrického oblouku. Škálovatelnost Zařízení v datových střediscích je modernizováno přibližně každé dva roky, ale očekávaná životnost datového střediska je více než deset let. Během modernizace stojí správci zařízení před problémy proměnlivé hustoty výkonu, úrovně redundance, velikosti napětí a různorodosti typů zástrček. Škálovatelnost podporuje správné dimenzování, zjednodušuje plánování a snižuje investiční výdaje spojené s těmito problémy. Čím je přepínač větší, tím obtížnější je jeho škálování a přizpůsobení neustálým změnám, zejména je-li nutné zamezit prostojům. Jsou-li použity menší přepínače, mohou správci reagovat na měnící se obchodní požadavky bez nutnosti vypnutí kritických systémů. 12

13 Současné použití zařízení s jedním a dvěma napájecími kabely Ve většině datových středisek jsou zařízení IT uspořádána podle obchodních procesů nebo oddělení, ale nikdy výhradně podle typu zařízení s jedním a dvěma napájecími kabely. Většina stojanů v datových střediscích proto obsahuje kombinaci zařízení s jedním i dvěma napájecími kabely. Zařízení se dvěma napájecími kabely ve většině případů vyžadují dva samostatné napájecí kabely a zásuvkové panely. Zařízení s jedním napájecím kabelem vyžadují pouze jeden napájecí kabel a zásuvkový panel. To se stává problémem u velkých podlahových statických přepínačů, protože stejný stojan musí nyní obsahovat tři samostatné napájecí kabely a zásuvkové panely, které zabírají prostor síťové kabeláži a zařízením. Alternativně mohou být malé stojanové přepínače napájeny přímo z duálních napájecích kabelů a zásuvkových panelů, zatímco zařízení s jedním napájecím kabelem jsou připojena přímo do zásuvek těchto přepínačů. Tabulka 1: Charakteristiky tří typů přepínačů Charakteristika Celkové náklady na vlastnictví Možnosti správy Doba přepnutí Snadná instalace Spolehlivost Bez přepínače Velký přepínač STS 20 kva - 35 MVA Stojanový přepínač STS 5-10 kva Stojanový přepínač ATS 5-10 kva 0 USD/kW USD/kW USD/kW USD/kW Správa není vyžadována Žádná doba přepnutí Instalace není nutná Výhody spolehlivosti 2N tras napájení jsou ztraceny Protokoly založené na standardech nejsou typické Protokoly založené na standardech nejsou typické Protokoly založené na standardech jsou typickou součástí 4 ms 4 ms 8-16 ms Je nutné pevné elektrické zapojení MTBF = až h Montáž do stojanů, elektrické zapojení není nutné MTBF = až h Montáž do stojanů, elektrické zapojení není nutné MTBF = až h Poznámka Pořizovací náklady na stojanový přepínač STS jsou přibližně šestkrát vyšší než na stojanový přepínač ATS. Většina přepínačů standardně poskytuje samotná kontaktní relé, ale volitelně mohou podporovat správu založenou na standardech. Zařízení IT vyžaduje dobu přepnutí kratší než 20 ms. Připojení větších statických přepínačů musí provádět autorizovaný elektrotechnik. Statické přepínače obsahují více součástí a jsou složitější než přepínače ATS, ale neobsahují pohyblivé části. Hodnoty MTBF jsou založeny na oborových odhadech. 13

14 Chybový režim Snadná oprava Synchronizace zdrojů Nelze použít Současná údržba elektrického systému není možná Synchronizace zdrojů není nutná Otevření nebo zkrat mezi vedeními Je nutná oprava na místě Nutná k bezpečnému přepnutí Otevření nebo zkrat mezi vedeními Výměna za jednotku opravenou ve výrobním závodě Nesynchronizované přepnutí není kritické Přitavení k jedné napájecí trase Výměna za jednotku opravenou ve výrobním závodě Synchronizace zdrojů není nutná Škálovatelnost Nelze použít Nelze škálovat Škálovatelné Škálovatelné Současné použití zařízení s jedním a dvěma napájecími kabely Vyžaduje pouze 2 přívody na stojan; žádná výhoda pro zařízení s jedním napájecím kabelem Jsou nutné 3 přívody na stojan Vyžaduje pouze 2 přívody na stojan Vyžaduje pouze 2 přívody na stojan Při chybném otevření je zátěž odpojena. Při zkratu mezi vedeními mohou vypadnout jističe před přepínačem. Jednotky stojanových přepínačů jsou při poruše typicky vyměněny za nové nebo renovované jednotky. U stojanových přepínačů STS stále existují nepříznivé dopady nesynchronizovaného přepnutí, ale postihují menší část datového střediska. Stojanové přepínače jsou flexibilní a mohou se přizpůsobovat růstu datového střediska. Rozvod napájení velkých statických přepínačů komplikuje elektrické zapojení a zabírá cenný prostor ve stojanu. Poznámka: Modré stínování označuje nejlepší výkon pro danou charakteristiku. 14

15 Závěry Data dnes představují pro společnosti stále významnější faktor, a proto není překvapivé, že většina kritického zařízení je vybavena dvěma napájecími kabely. Správci IT a správci zařízení se však stále potýkají s rozhodováním, jak nejlépe zajistit redundantní přívod elektrické energie pro zbývající zařízení s jedním napájecím kabelem ve stojanu, případně zda jej vůbec zajišťovat. Dostupnost napájení pro zařízení s jedním napájecím kabelem s příkonem pod 10 kva je optimalizována přivedením redundance elektrického rozvodu přímo do stojanu. To lze provést pomocí stojanového statického přepínače nebo stojanového přepínače ATS. Na základě kritérií uvedených v tomto dokumentu je však optimálním řešením stojanový přepínač ATS. Informace o autorovi: Victor Avelar pracuje jako Availability Engineer ve společnosti APC. Je odpovědný za poskytování konzultačních a analytických služeb pro elektronickou architekturu a návrh datových středisek klientů. Victor v roce 1995 absolvoval bakalářské studium v oboru strojního inženýrství na vysoké škole Rensselaer Polytechnic Institute a je členem organizací ASHRAE a American Society for Quality. 15

16 Příloha A Statický přepínač STS: teorie činnosti Statické přepínače, označované také jako relé na bázi pevných látek (Solid State Relay, SSR), jsou elektronická zařízení používaná k přepínání mezi dvěma napájecími zdroji. Tyto přepínače obsahují v názvu termíny statický a pevné látky, které se vztahují k vlastnostem elektronických komponent těchto přepínačů. Přepínacími komponentami jsou křemíkové řízené usměrňovače (Silicon Controlled Rectifier, SCR), známé také jako tyristory. K pochopení principu činnosti tyristorů je nejprve nutné porozumět vlastnostem materiálu, ze kterého jsou vyrobeny. Jak název napovídá, všechny tyristory jsou vyrobeny z polovodičového materiálu nazývaného křemík, který je hlavní součástí písku a křemene. Polovodičové materiály představují jakousi kombinací elektrických izolátorů a vodičů. Izolátory brání toku elektrického proudu, zatímco vodiče umožňují jeho volný tok. V přirozeném stavu se polovodiče v závislosti na teplotě mohou chovat jako izolátory i jako vodiče. Aby však bylo možné vodivé vlastnosti lépe řídit, jsou do přírodního polovodiče, jako je například křemík, přidávány určité nečistoty. Po přivedení malého napětí na tyristor pak tyto nečistoty umožní, aby se polovodič stal vodivý. Symbol a fotografie tyristoru jsou uvedeny na obrázku A1. Obrázek A1: Křemíkový řízený usměrňovač Symbol tyristoru Rídící elektroda (hradlo) Tyristor hokejový puk Katoda Rídící elektroda (hradlo) Anoda Katoda Anoda Tyristor funguje jako ventil, který umožňuje průtok elektrického proudu pouze jedním směrem. Tento princip je podobný činnosti srdeční chlopně, která také umožňuje proudění krve jen v jednom směru. K sepnutí tyristoru (uzavření okruhu) je na řídicí elektrodu přivedeno malé napětí, které umožní průtok proudu z anody na katodu. Ventil v tyristoru se však automaticky vypne (okruh se otevře), jakmile sinusoida střídavého proudu projde nulovou hodnotou, jak je znázorněno na obrázku A2. V tomto okamžiku přestane být tyristor vodivý a chová se nadále jako izolátor, dokud není na jeho řídicí elektrodu přiveden další signál. Tyristor nikdy neumožní průtok proudu zpět z katody na anodu. Jak je tedy možné zpracovat obě poloviny (kladnou a zápornou) sinusoidy střídavého proudu? 16

17 Vyslán signál pro hradlo tyristoru 1 Obrázek A2: Sinusoida Pruchod nulou Vyslán signál pro hradlo tyristoru 2 Jediný způsob, jak zajistit vedení celé sinusoidy, je použití dvou tyristorů v antiparalelním zapojení, jak je znázorněno na obrázku A3. Nyní lze odeslat signál na řídicí elektrodu tyristoru 2 a umožnit tak průchod dolní (záporné) části sinusoidy z obrázku A2. To znamená, že aby bylo možné vést dvě periody sinusoidy z obrázku A2, je nutné přivést signál na řídicí elektrodu tyristoru 1 v prvním a třetím průchodu nulovou hodnotou a na řídicí elektrodu tyristoru 2 ve druhém a čtvrtém nulovou hodnotou. Nyní si uvědomte, že řídicí jednotka statického přepínače musí odesílat tyto signály na řídicí elektrody velice rychle a spolehlivě po celou dobu, kdy lze použít primární trasu napájení. Jestliže je z elektrické sítě přiváděn střídavý proud s frekvencí 50 Hz (50 period sinusoidy za sekundu), musí řídicí jednotka každou sekundu odesílat 100 signálů. A to jen v případě jednofázového statického přepínače. Statické přepínače jsou však téměř vždy třífázové, což znamená, že řídicí jednotka musí odesílat 100 signálů za sekundu pro každou fázi, tedy celkem 300 signálů za sekundu. Na obrázku A3 je znázorněna pouze jedna fáze statického přepínače. To znamená, že primární a alternativní část třífázového statického přepínače by se každá skládala ze tří párů antiparalelně zapojených tyristorů (6 tyristorů na každé straně, 12 celkem). Poznámka: Přepínače pro vysoké kapacity používají navrstvení právě popsané konfigurace a v jednom přepínači se tak mohou vyskytovat stovky tyristorů. 17

18 Obrázek A3: jednofázový statický přepínač K Přemostění pro údržbu Zdroj 1 K ŘÍDICÍ OBVOD Antiparalelně zapojené tyristory K Výstup Zdroj 2 K Antiparalelně zapojené tyristory K Přemostění pro údržbu K Spřažené přepínače Kirk Key Nyní, když jsme popsali tyristor a jeho řízení, zajímá nás, jakým způsobem tedy statický přepínač ve výsledku přepíná napájení z jednoho zdroje elektrické energie na druhý. Odpověď spočívá v chování tyristoru. Vzpomeňte si, že je-li přiveden signál na řídicí elektrodu tyristoru, tyristor vede elektrický proud, dokud sinusoida neprojde nulovou hodnotou. V tomto okamžiku může řídicí jednotka přepínače přivést signál buď na řídicí elektrodu tyristoru v primární části, nebo na řídicí elektrodu tyristoru v alternativní části, pokud není primární zdroj napájení v pořádku. Tato rozhodnutí je nutné provádět v řádu mikrosekund, aby nedošlo k odpojení kritického zatížení. Na rozdíl od stojanových přepínačů je toto rozhodování u větších statických přepínačů ještě ztíženo. Větší přepínače podporují mnohem více zátěží a jsou citlivější ke zkratům za přepínačem. Přepnutí zdrojů během zkratu za přepínačem může mít zničující následky, protože porucha by se rozšířila do stabilní trasy napájení. Velké přepínače proto musí kromě již uvedených rozhodování nejprve rozhodnout o tom, zda nedošlo ke zkratu, a pokud ke zkratu došlo, musí zabránit přepnutí. 18

19 Elektromechanické přepínače neboli automatické přepínače ATS: teorie činnosti Zatímco statické přepínače používají tyristory, elektromechanické přepínače používají k přepínání mezi primárním a alternativním zdrojem napájení komponenty nazývané relé. Relé je založeno na jednoduchém a úsporném principu elektromagnetu. Nejjednodušší elektromagnet lze vytvořit obtočením drátu kolem hřebíku a připojením konců drátu k baterii, jak je znázorněno na obrázku A4. V okamžiku připojení baterie začne cívkou protékat proud, který vytváří magnetické pole. Toto magnetické pole zmagnetizuje hřebík, pomocí něhož pak lze zachytit jiné železné předměty, například sponky na papír. Jedná se o naprosto stejný princip, který umožňuje elektromagnetickým jeřábům zvedat auta na vrakovišti, s tím rozdílem, že tyto jeřáby vyžadují mnohem více energie, než může poskytnout malá baterie. Obrázek A4: jednoduchý elektromagnet Jak elektromagnet v relé umožňuje přepínat mezi zdroji napájení? Obrázek A5 nabízí intuitivní odpověď. Relé se skládá ze dvou obvodů: budicího obvodu a spínacího obvodu. Elektromagnet je součástí budicího obvodu a kontakty relé (C1 a C2) jsou součástí spínacího obvodu. Elektromagnet pod napětím přitahuje železo a proto je umístěn v blízkosti kotvy. Kotva v relé je železné zařízení, které se otáčí mezi elektrickými kontakty. Je-li na elektromagnet přiveden elektrický proud, jeho magnetická síla přitáhne a podrží kotvu u kontaktu C1 a tím uzavře obvod. Pokud však elektromagnet není pod napětím, je nutné nějakým způsobem přepnout kotvu na kontakt C2. K tomu slouží pružina připevněná na druhý konec kotvy. Nyní se kotva za všech okolností dotýká buď kontaktu C1, nebo C2. 19

20 Obrázek 5A: schéma mechanického relé SPOLECNÁ SVORKA VYTVORENÉ MAGNETICKÉ POLE KONTAKTY KOTVA CEP PRUŽINA CÍVKA SVORKY CÍVKY RELÉ Podobně jako statický přepínač i přepínač ATS vyžaduje řídicí jednotku, která monitoruje vstupní napájení z primárního a alternativního zdroje. Řídicí jednotka je však mnohem jednodušší, protože nemusí vysílat stovky signálů za sekundu na řídicí elektrody. Řídicí jednotka pouze sleduje stav primárního a alternativního zdroje napájení a rozhoduje, kdy přivést do relé elektrický proud a kdy jej odpojit. 20

21 Příloha B Zařízení IT a střídavé napájení: princip činnosti spínaného napájecího zdroje SMPS Jak může zařízení IT pokračovat v činnosti během přerušení napájení? Nejprve si je třeba uvědomit, jakým způsobem je dodávána elektrická energie. Elektrická energie je obecně rozváděna ve formě střídavého proudu z elektrické sítě nebo záložních generátorů. Střídavé napětí mění polaritu mezi kladnými a zápornými hodnotami, v ideálním případě ve tvaru sinusoidy, a dvakrát v rámci jednoho cyklu prochází nulovou hodnotou. Přestože to nemusí být patrné pouhým okem, žárovka připojená k napětí z elektrické sítě ve skutečnosti bliká 100 nebo 120 krát za sekundu (při frekvenci střídavého napětí 50 Hz nebo 60 Hz), jak má napětí v okamžiku změny polarity nulovou hodnotu. Dochází u zařízení IT také k vypnutí 100 krát nebo vícekrát za sekundu při změně polarity napájecího napětí? Jednoznačně se jedná o problém, který musí být řešen. V podstatě všechna moderní zařízení v oblasti informačních technologií uvedený problém řeší použitím spínacího zdroje napájení SMPS (Switch-Mode Power Supply). 1 Zdroj SMPS nejprve usměrní střídavé napětí s reálným průběhem (včetně napěťových špiček, zkreslení, kolísání frekvence atd.) na stejnosměrné napětí. Tím se nabíjí prvek umožňující uchování elektrické energie, který se nazývá kondenzátor, zapojený mezi vstup střídavého napětí a zbývající části napájecího zdroje. Kondenzátor je vstupním střídavým napětím plně nabit dvakrát v jednom cyklu, když je sinusový průběh napětí blízko maximálních hodnot (kladné a záporné), a vybíjí se kdykoli podle požadavků určovaných integrovanými obvody napájecího zdroje. Kondenzátor je navržený tak, aby byl schopný pojmout běžné pulsy střídavého napětí včetně výjimečných napěťových špiček po celou dobu své předpokládané životnosti. Takže narozdíl od blikající žárovky počítačová zařízení pracují s ustáleným stejnosměrným proudem namísto střídavého proudu z elektrické sítě. To však ještě není vše. Integrované obvody vyžadují velmi nízké stejnosměrného napětí (3,3 V, 5 V, 12 V atd.), ale napětí na právě popisovaném kondenzátoru může dosahovat hodnoty 400 V. Zdroj SMPS převádí toto vysoké stejnosměrné napětí na nízké stejnosměrné napětí s přesně regulovanou hodnotou. Při tomto snižování napětí zajišťuje zdroj SMPS také další důležitou funkci: galvanické oddělení. Galvanickým oddělením se rozumí fyzické oddělení obvodů. Pro to existují dva důvody. Prvním důvodem je bezpečnost a ochrana před úrazem elektrickým proudem. Druhým důvodem je ochrana před poškozením nebo nesprávnou funkcí zařízení, které by mohly být způsobeny součtovým napětím nebo šumem. Další informace týkající se uzemnění a součtového napětí naleznete v dokumentech White Paper č. 9 Citlivost počítačů na součtové napětí a White Paper č. 21 Fakta a mýty o nulovém vodiči. 1 Spínací režim se týká funkce vnitřního obvodu zdroje napájení a nesouvisí s probíranou tematikou. 21

22 Stejným způsobem, jakým zdroj SMPS zpracovává intervaly mezi napěťovými maximy sinusového průběhu vstupního střídavého napětí, zpracovává také další anomálie a krátká přerušení střídavého napájení. Tato funkce je důležitá pro výrobce zařízení IT, protože chtějí dodávat zařízení, která budou fungovat i bez použití systému UPS. Žádný z výrobců zařízení IT nechce ohrozit pověst v oblasti kvality a výkonu svých produktů kvůli napájecímu zdroji, který nesnese sebemenší anomálii střídavého napájení. To se týká především náročných síťových a výpočetních zařízení, která jsou proto obvykle vybavena kvalitnějšími zdroji napájení. Pro demonstraci schopnosti překonat problémy s napájením byl proveden experiment, při němž byl běžný počítačový zdroj plně zatížen a poté odpojen od střídavého vstupního napájení. Sledováním výstupu ze zdroje napájení bylo zjišťováno, jak dlouho po vypnutí střídavého napájení bude pokračovat dodávka výstupního napětí s přijatelnými parametry. Výsledky tohoto experimentu jsou uvedeny na obrázku B1. Zobrazené křivky představují vstupní napětí zdroje napájení, vstupní proud a výstupní stejnosměrné napětí ze zdroje. Obrázek B1:charakteristika zdroje po přerušení napájení Vstupní napetí Vstupní proud 18 ms Kolaps stejnosmerného napájení Horní křivka: nízkonapěťový stejnosměrný výstup zdroje napájení Prerušení strídavého napájení střední křivky: vstupní napětí a proud Po výpadku střídavého napájení přestane plně zatížený počítačový zdroj dodávat proud. K tomu však dojde až po výrazné časové prodlevě. Před přerušením mělo vstupní napětí tvar sinusoidy (viz levý okraj obrázku B1). Vstupní proud (ostré špičky pod hladkou křivkou napětí) sestává z krátkého pulsu v kladné oblasti vstupního napětí a dalšího krátkého pulsu v záporné oblasti. Kondenzátor zdroje SMPS je nabíjen pouze během těchto krátkých pulsů. Zbytek času se energie pro napájení integrovaných obvodů odebírá pouze z kondenzátoru. Stejnosměrné napětí na výstupu zdroje SMPS je znázorněno horní křivkou na obrázku B1. Všimněte si, že výstupní napětí zůstává přesně regulované ještě po dobu 18 milisekund po odpojení střídavého napětí od zdroje. Společnost APC testovala různé napájecí zdroje od různých výrobců počítačů a zařízení IT a výsledky byly podobné. Není-li zdroj příliš zatížený, je doba, po kterou dokáže udržet výstupní stejnosměrné napětí, mnohem delší, protože se kondenzátor vybíjí pomaleji. 22