Která UPS je ta správná pro dané pouţití?

Transkript

1 Která UPS je ta správná pro dané pouţití? Úvahy spojené s volbou mezi topologiemi standby, interaktivní a dvojitá konverze a nové možnosti multi-modového designu s vysokou energetickou účinností ve vašem datovém centru Chris Loeffler, manažer aplikací pro datová centra Divize Distributed Power Solutions společnosti Eaton Resumé Historicky vzato měli dříve správci datových center a správci budov na výběr tři topologie vnitřní konfigurace UPS: standby, interaktivní a s dvojitou konverzí. Tyto varianty vnitřní topologie nabízejí širokou škálu různých hodnot energetické účinnosti, parametrů a úrovně ochrany napájení. Nejnovější generace UPS s dvojitou konverzí nabízí navíc jedinečné možnosti multi-modového režimu. V tomto režimu pracuje UPS s velmi vysokou energetickou účinností až do okamžiku, dokud poměry na napájecím přívodu nejsou důvodem k tomu, aby se přepnula do vyšší úrovně ochrany, typické pro provozní režim s dvojitou konverzí. Tento aktuální informační dokument (white paper) popisuje, jak jednotlivé topologie UPS fungují a současně rozebírá vliv provozního režimu UPS na pět klíčových faktorů charakterizujících její kvalitu: udržení výstupního napětí ve stanovených tolerancích, přechod mezi jednotlivými režimy bez rizika blokády IT zařízení, hladký přechod na napájení z motorgenerátoru a zpět, spolehlivost a pohotovost (dostupnost, disponibilita), energetická účinnost. Obsah Detailnější pohled na jednotlivé topologie UPS... 3 Jak ovlivňuje design a provozní režim UPS její parametry?... 5 Jak ovlivňuje design UPS její spolehlivost?...11 Jak ovlivňuje topologie UPS její energetickou účinnost?...12 Závěrečné úvahy...14 O společnosti Eaton Corporation...15 O autorovi...16 WP září 2009

2 Který typ UPS je správný pro dané pouţití? Úvahy o výběru provedení standby, interaktivní a s dvojitou konverzí, včetně nového typu multi-mode s vysokou energetickou účinností pro vaše datové centrum Chris Loeffler, manažer aplikací pro datová centra Divize Distributed Power Solutions společnosti Eaton Která konstrukce systému nepřerušeného napájení (UPS) je nejvhodnější pro vaše datové centrum? Odpověď závisí na kombinaci faktorů, ovlivněných průmyslovými trendy a technologickým pokrokem a je navíc navíc komplikována marketingovými triky. Na základní úrovni plní UPS dvě hlavní, doplňující se funkce: Úprava vstupního napájení spočívající ve vyhlazení poklesů a špiček, nebo krátkodobých výpadků, jejichž výskyt na veřejné elektrorozvodné síti a jiných primárních zdrojích elektrické energie je až příliš běžný. Zajištění průběžného napájení pokrývajícího poklesy, nebo krátkodobé výpadky (řekněme pět minut až hodina) pomocí dynamického výběru a odběru energie z veřejné elektrorozvodné sítě, baterií, záložních motorgenerátorů a dalších zdrojů, které jsou k dispozici. UPS, které jsou na trhu nabízeny pro potřeby aplikací datových center, tyto funkce plní podle požadavků, kladených na napájecí zdroje IT, a uvedených v průmyslových normách a specifikacích. Existují však rozdíly v úrovni a způsobu ochrany napájených zařízení. Pro ochranu IT zařízení se všeobecně dodávají tři různé konstrukce, či topologie UPS: Standby UPS umožňují, aby zařízení byla napájena z veřejné elektrorozvodné sítě až do okamžiku, kdy UPS zjistí problém. Pak přepne na baterie, aby napájená zařízení ochránila před poklesy, přepětím a výpadky. Interaktivní UPS stabilizují napětí tak, že vstupní napětí z elektrorozvodné sítě předtím, než je propustí na chráněná zařízení podle potřeby zvyšují, nebo snižují, nebo, pokud to nestačí, přejdou na napájení z baterie. UPS s dvojitou konverzí izolují napájená zařízení před nezpracovaným napájením z elektrorozvodné sítě. Vstupní AC napětí konvertují na DC a zpět na AC. Dodávají nejčistší napájení a poskytují nejvyšší úroveň ochrany. Mezi nejnovější generaci UPS patří modely, které nabízejí multi-modový provoz, často nazývaný eco-mode ekorežim, nebo režim s vysokou účinností. Tyto UPS fungují v režimu s vysokou účinností do okamžiku, kdy nevyhovující poměry na napájecím přívodu opravňují k přepnutí na režim dvojité konverze poskytující vyšší ochranu napájených zařízení. Pro speciální účely, jako je průmyslové či drsné prostředí jsou k dispozici i jiné konstrukce, jako ferrorezonanční či rotační. Tento článek se zabývá pouze typickými konstrukcemi UPS, používanými ve většině typů IT prostředí. Která z topologií je správná pro vaši aplikaci v datovém centru? Způsob, jakým výrobce produkt pro danou topologii navrhuje, může mít značný vliv na jeho celkovou kvalitu a parametry a následně na pohotovost datového centra a celkové vlastnické náklady. Tento informační dokument poskytuje objektivní pohled na klíčové problémy, které se objevují v procesu designu UPS podle vašich požadavků. WP září

3 Detailnější pohled na jednotlivé topologie UPS Topologie UPS lze rozdělit do dvou základních kategorií: s dvojitou a s jednoduchou konverzí. UPS systémy s dvojitou konverzí zpracovávají napájení nadvakrát. Vstupní usměrňovač přemění AC napětí na DC, které je pak přivedeno na výstupní invertor, který zkonvertuje DC zpět na AC, z něhož jsou napájena IT zařízení. V normálním režimu činnosti UPS zpracovává napájení vždy dvakrát v řetězci usměrňovač invertor. Pokud AC napětí na vstupním přívodu vybočí ze stanovených mezí, usměrňovač se vypne a UPS odebírá proud z baterie. Napájení z baterie prochází výstupním invertorem a napájí IT zařízení. UPS setrvává na napájení z baterie až do doby, kdy se AC napětí na vstupním přívodu vrátí do normálních tolerancí (nebo do doby, než se baterie vybije, podle toho, co nastane dříve). Obr. 1 Vnitřní zapojení typické UPS s dvojitou konverzí UPS systémy s jednoduchou konverzí v normálním režimu činnosti používají vstupní AC napětí z elektrorozvodné sítě k AC napájení zátěže. Některé systémy používají ke stabilizaci výstupního napětí transformátory nebo indukčnosti. Tyto konstrukce též obsahují nějaký typ nabíječe, zajišťujícího dobíjení baterie. Pokud AC napětí na vstupu vybočí z předem definovaných mezí, přepne UPS na svůj invertor (u některých konstrukcí běží invertor trvale, ale bez zátěže). Invertor odebírá proud z baterie a napájení ze vstupního přívodu se odpojí, aby se zabránilo průchodu zpětného proudu z invertoru do elektrorozvodné sítě. UPS setrvává na napájení z baterie do doby, než se AC napětí na vstupním přívodu vrátí do normálních tolerancí (nebo do doby, než se baterie vybije, podle toho, co nastane dříve). Dvě z nejznámějších konstrukcí UPS s jednoduchou konverzí jsou interaktivní a standby systémy, které byly v minulosti typicky používány pro aplikace s nižším výkonem. Interaktivní systémy mají obvykle širší rozsah tolerancí vstupního napětí než standby systémy a mohou stabilizovat napětí v přijatelných mezích, aniž by využívaly baterii. Standby napájecí systémy jednoduše přivádějí vstupní AC napájení přímo na připojená zařízení a v případě nutnosti přepínají na baterii. Některé konstrukce standby systémů UPS rovněž obsahují transformátory, nebo jiné prvky, pro zajištění omezené míry stabilizace napájecího napětí. WP září

4 Obr. 2 Vnitřní zapojení interaktivní UPS s jednoduchou konverzí Obr. 3 Vnitřní zapojení standby UPS s jednoduchou konverzí Nové multi-modové UPS kombinují to nejlepší z jednoduché a dvojité konverze a poskytují výhody obou. Kdykoli rychlé detekční obvody UPS zjistí změnu podmínek, systém automaticky odpovídajícím způsobem změní svůj režim činnosti: Normální podmínky: pokud jsou podmínky na napájecím přívodu v přijatelných mezích, pracuje multi-modová UPS jako systém s vysokou energetickou účinností stabilizuje napětí v bezpečných mezích a kompenzuje obecné nepravidelnosti zjištěné na přívodu z elektrorozvodné sítě. Proměnlivé, nebo pomíjející poruchy: pokud vstupní AC napětí vybočí z předem nastavených mezí pro interaktivní režim činnosti, přepne se systém do režimu s dvojitou konverzí. UPS zpracovává vstupní napájení pomocí usměrňovače a invertoru, při čemž zcela izoluje IT zařízení od vstupního napájecího AC zdroje. Výpadek napájení, nebo přetrvávající nepravidelnosti napájení: pokud je vstupní AC napájení mimo tolerance vstupního usměrňovače dvojité konverze WP září

5 (nebo pokud napájení úplně vypadne) použije UPS pro dodávku energie baterii, aby udržela napájení zátěže na výstupu. Po naběhnutí motorgenerátoru a obnovení AC napájení přepne UPS do režimu dvojité konverze až do doby, kdy se napětí z motorgenerátoru dostatečně stabilizuje, aby bylo možné se vrátit k režimu s vysokou energetickou účinností. Tato nová multi-modová technologie poskytuje přesně tu úroveň ochrany, která je v daném okamžiku požadována. UPS nepracuje v režimu s nižší účinností a nejvyšší úrovní ochrany napájení pokud to není nutné. Při ceně energie, která představuje sama o sobě nejvyšší položku v provozu IT, jsou přínosy této strategie z hlediska efektivity podstatné. I malé datové centrum může ušetřit desítky tisíc dolarů ročně na účtech za elektřinu. Pro velká datová centra to znamená za stejné období úsporu desítek milionů dolarů, aniž by došlo ke zhoršení parametrů či spolehlivosti. Obr. 4 Vnitřní zapojení multi-modové Eaton UPS s vysokou energetickou účinností Jak ovlivňuje design a provozní reţim UPS její parametry? Hlavním cílem UPS je zajistit, aby napájení dodávané IT zařízením bylo v tolerancích uvedených pro tato zařízení za všech okolností a situací na AC napájecím přívodu, včetně situace, kdy je napájen z motorgenerátoru. Podívejme se, jak různé konstrukce s tímto hlavním cílem vypořádávají: udržení výstupního napětí ve stanovených tolerancích, přechod mezi jednotlivými režimy bez rizika blokády IT zařízení, hladký přechod na napájení z motorgenerátoru a zpět. WP září

6 Vliv topologie UPS na její parametry Udrţení výstupního napětí ve stanovených mezích Výstupní napětí UPS musí být za všech podmínek na vstupním AC napájecím přívodu v oblasti přípustných hodnot specifikovaných křivkou stanovenou Radou pro Informační Průmysl (ITIC). Vstupní napětí pro napájecí zdroj (PSU) IT zařízení je vyneseno na svislé ose. Vodorovná osa představuje dobu trvání události pozorované na vstupním napětí (vyjádřeno v periodách AC napětí jde o 10 tis. period, což je zhruba 28 minut). ITIC křivka spíše schodovitá čára, než křivka ukazuje toleranční pole vstupního napětí pro typickou konstrukci PSU IT zařízení. UPS musí zajistit, aby napětí dodávané PSU nepřešlo do zakázané zóny nad zónou přípustných hodnot, protože takové napětí by mohlo IT zařízení poškodit. Napětí pod přípustnou křivkou mohou naopak způsobit, že PSU se vypne, nebo se bude chovat nevyzpytatelně Obr. 5 (vpravo). ITIC (CBEMA) křivka udává tolerance pro IT zařízení. Prohibited region zakázaná oblast Voltage tolerance - obálka napěťové tolerance (platí pro jednofázová zařízení 120 V) No interruption in - oblast ve které nedojde k přerušení funkce Duration in Cycles.- doba trvání v periodách a sekundách No-damage region oblast ve které nedojde k poškození Percent of Nominal.- procenta jmenovitého napětí Téměř všechny systémové konstrukce poskytují nějakou formu potlačení přepětí, jako ochranu proti vysokofrekvenčním přechodovým jevům a výkonovým špičkám, vznikajícím z atmosférických výbojů nebo z poruch elektráren rozvodné sítě. Většina standby a interaktivních systémů používá nějakou techniku omezení přechodových jevů, jako jsou varistory (MOV), které svedou přebytečnou energii do zemního přívodu, nebo pokud je úroveň energie příliš vysoká, samodestruktivní součástky, pohlcující přepětí, nebo přechodovou špičku. Protože většina UPS tohoto typu je malá a navržená tak, aby byla umístěna v blízkosti chráněných zařízení, mohou mít pouze malý počet těchto omezujících prvků. UPS s dvojitou konverzí fungující v normálním režimu zpracovávají napájení procesem konverze AC ->DC ->AC aby zabránily škodlivým vstupním hodnotám projít skrz UPS až na připojenou zátěž. (Pokud je však UPS v režimu bypass, jako je tomu v případě údržby, nebo poruchy systému, projdou škodlivé impulzy přes UPS až na zátěž). Multi-modové UPS s dvojitou konverzí jsou umisťovány blíže ke vstupnímu přívodu napájení a jsou obecně konstruovány s mimořádnou přepěťovou ochranou. Tyto konstrukce mohou obsahovat vícenásobné paralelní MOV zapojené do tří oddělených ochranných obvodů: fáze fáze, fáze PE a N PE. UPS rovněž mohou mít ochrany s doutnavkami, přepěťové tlumivky, nebo jiné filtrační obvody obsahující kondenzátory a indukčnosti určené k omezení napěťových špiček před tím, než by mohly projít až ke klíčové zátěži. Navíc tyto UPS automaticky přepnou WP září

7 z režimu s vysokou účinností na režim s dvojitou konverzí, pokud to vstupní podmínky opodstatňují, a tím oddělí vstupní přechodové jevy od zátěže. Většina konstrukcí též zajišťuje, že i v režimu bypassu je připojená zátěž stíněna před přechodovými jevy. Ať tak, či onak jsou IT zařízení chráněna před vysokými přepětími a špičkami. Pro jakoukoli konstrukci UPS se nicméně doporučuje, aby u vstupního napájecího přívodu z elektrorozvodné sítě byla nainstalována ochrana proti přepětí, aby chránila vstupní monitorovací obvody UPS a aby chránila před přepětím okruh, napájející bypass UPS. Různé konstrukce UPS se liší v tom, jak se vyrovnávají s méně extrémními napěťovými podmínkami na napájecím přívodu, jako je podpětí a zvýšené napětí: Standby UPS napájí IT zařízení napětím v souladu se specifikací, pokud je vstupní napětí v předem definovaných tolerancích UPS. Tyto tolerance platné pro normální činnost jsou typicky úzké (±10% od křivky ITIC), takže UPS se musí často přepínat na baterii, což může snižovat dobu zálohování a životnost baterie. Některé standby systémy připouštějí širší okno vstupních napětí, což napomáhá uchovávat kapacitu baterie, může u nich však docházet k zablokování IT zařízení, nebo sporadickým problémům s jejich provozem. Interaktivní UPS dodává napětí v mezích specifikace ITIC, pokud je vstupní napětí v předem definovaných tolerancích UPS. Interaktivní systém však může napětí částečně stabilizovat za použití transformátoru s přepínáním odboček, nebo obvodu buck/boost. Znamená to, že UPS nemusí čerpat kapacitu baterie tak často, jako systém standby, i když pro podporu přepínání mezi normálním režimem a režimem stabilizace napětí může být použití baterie nutné. Využívání baterie je nižší, než u standby UPS, ale je stále vyšší, než u konstrukce s dvojitou konverzí. UPS s dvojitou konverzí poskytuje stabilizované výstupní napětí, s typickou tolerancí 1-3% od jmenovité hodnoty, a to za všech podmínek na vstupu. Pokud je vstupní napětí v přednastavených tolerancích UPS, je výstup stabilizován bez nutnosti čerpat energii z baterie. UPS s dvojitou konverzí, jako taková, používá baterii méně často a v kratších intervalech než jak standby, tak interaktivní konstrukce. To se projeví delší dobou zálohování a životností baterie. Hodně z dnešních UPS s dvojitou konverzí je dostatečně inteligentní k tomu, aby připouštěly, při stupni nabití baterie nižším než 100%, širší toleranční okno pro napětí na vstupu. UPS s dvojitou konverzí, multi-mode reţimem činnosti a vysokou energetickou účinností dodávají napájení v tolerancích ITIC, je-li vstupní napětí v přednastavených tolerancích UPS. Pokud vstupní AC napětí z těchto mezí vybočí, použije UPS automaticky režim dvojité konverze, aby udržela výstup v mezích ITIC specifikace. Ve výsledku je doba, i četnost využívání baterie podobná, jako u UPS s dvojitou konverzí a v některých případech může být i nižší. Některé konstrukce větších systémů dovolují nastavit toleranční okno výstupního napětí, takže systém může být využíván k napájení i jiných, než IT zařízení, tj. zařízení, majících užší tolerance napájecího napětí. Při tom zůstávají nadále zachovány výhody vyšší provozní účinnosti. Jak je patrné z následujících obrázků, všechny konstrukce UPS splňují požadavky na napájení IT zařízení podle specifikace ITIC. Klíčovým rozdílem je způsob, jakým UPS tohoto výsledku dosahují, což má velký vliv na délku trvání a četnost požadavků na použití baterie. Baterie je nejvíce využívána u systémů standby a nejméně u technologie dvojité konverze. WP září

8 Standby systém operation činnost standby systému Line interactive systém operation činnost interaktivního systému Double conversion systém operation činnost systému s dvojitou konverzí Multi mode systém operation činnost multi-mode systému Typical Publisher transfer time shown jsou uvedeny typické publikované doby přepnutí Surge protection ochrana proti přepětí Building surge protection still recomended. pro tuto oblast se nicméně doporučuje objektová ochrana proti přepětí Input voltage window - toleranční okno vstupního napětí Output voltage window +/- 3% steady state toleranční okno výstupního napětí +/- 3% od ustáleného stavu Voltage bucking snižování napětí Voltage boosting zvyšování napětí Obr.6 Parametry různých konstrukcí UPS ve vztahu ke křivce ITIC Vliv topologie UPS na její parametry Přechod mezi jednotlivými reţimy bez blokády IT zařízení Podle průmyslových standardů jsou napájecí zdroje (PSU) uvnitř IT zařízení konstruovány tak, aby při přerušení napájení měly dostatek energie k udržení zařízení v chodu po dobu zhruba 20ms (milisekund). Tato doba se nazývá dobou zadržení. Znamená to, že zařízení může vydržet krátká přerušení napájení během přepínání UPS mezi jednotlivými režimy činnosti, jako je přepnutí mezi normálním režimem a zálohováním z baterie a zpět. Přepnutí UPS však ve skutečnosti musí být mnohem rychlejší, než 20ms, protože čím déle PSU běží bez napájení, tím větší nárazový proud odebere v okamžiku, kdy se WP září

9 napájení obnoví. Nárazový proud může překročit hodnotu proudové přetížitelnosti UPS a způsobit její odstavení. Standby UPS přepnou na režim zálohování za 5-12ms (typicky 8ms). Standby systémy používají obvykle jako výkonový přepínací prvek rychlé elektromechanické relé, což prodlužuje dobu přepnutí. Většina napájecích zdrojů může takovéto přerušení tolerovat. Pokud je však doba přepnutí delší, než 5ms, může nárazový proud překročit možnosti invertoru UPS a způsobit restart IT zařízení, mající za následek porušení dat, nebo vypnutí. Pokud standby systém připouští pokles výstupního napětí o více, než 10% pod nominální hodnotu (řekněme pod 108V u systému 120V), dostane se PSU pravděpodobně do stavu, kdy jeho proudový odběr bude vyšší, než normální. Z tohoto důvodu zvyšuje ztráta výstupního napětí na delší dobu vyhlídky na to, že PSU se vypne. Dalším důvodem, pro který by standby systémy neměly být používány pro servery s vysokou důležitostí je problém s tvarem výstupního napětí při zálohování z baterie. Mnoho standby systémů má v tomto režimu na výstupu obdélníkový, nebo modifikovaný sinusový průběh napětí, se kterým se dnešní napájecí zdroje s korekcí hodnoty účiníku nemusí umět vyrovnat. V takovém případě se při přepnutí UPS do režimu zálohování napájecí zdroj téměř vždy vypne. Interaktivní UPS se do režimu zálohování přepnou za 3-8ms (typicky za 5 ms), což je pro většinu napájecích zdrojů v přijatelných mezích. Některé PSU mohou odebírat při době přepnutí delší, než 5 ms nárazový proud překračující 400% jmenovitého. Invertor UPS může mít s pokrytím takto vysoké proudové spotřeby problém. UPS s dvojitou konverzí odebírají proud z baterie s nulovou dobou přepnutí na výstupu, proto zde odpadá riziko spojené s nárazovým proudem po přepnutí. Moderní UPS s dvojitou konverzí, multi-modovým reţimem a vysokou energetickou účinností přepínají do režimu zálohování za 1-3ms, což je doba, která je s rezervou v nejnižší části křivky nárazového proudu typické PSU. Výsledný nárazový proud je menší, než 200% normální hodnoty špičkového proudu a s tím se baterie a invertor po krátkou dobu snadno vypořádají. Multi-modové systémy Eaton pracují velmi odlišným způsobem od typických UPS s dvojitou konverzí, u kterých je inzerována možnost provozního režimu s vysokou účinností nebo eko režimu ze dvou důležitých důvodů. Běžné UPS, upravované pro výše uvedené režimy činnosti: v režimu s vysokou účinností fungují jako standby systémy (místo jako interaktivní), což snižuje úroveń jejich ochrany. přepnutí do režimu dvojité konverze u nich vyžaduje čas 5-12ms, způsobený buď transformátory, použitými v konstrukci UPS, nebo zpožděním v detekčních obvodech zjišťujících problémy na napájecím přívodu. Takto dlouhá doba přepnutí může způsobit porušení dat, nebo odstavení IT zařízení. V režimu standby nemusí být UPS schopna po ztrátě AC napájení okamžitě synchronizovat invertor, čímž dojde ke zpoždění přepnutí. Další problém vzniká, jsou-li invertor a usměrňovač izolovány od vstupního AC napájení, protože to nezaručuje patřičnou ochranu klíčové zátěže před přechodovými jevy. Efektivní multi-modový systém musí vždy sledovat AC vstup a synchronizovat s ním invertor tak, aby při ztrátě AC napájení mohl invertor okamžitě převzít napájení zátěže s minimálním přerušením na výstupu. Invertor a usměrňovač WP září

10 musí být navíc neustále připraveny chránit zátěž před přechodovými jevy a reagovat na výpadek AC napájení s odezvou v řádu mikrosekund. Vliv topologie UPS na její parametry Hladký přechod na napájení z motorgenerátoru a zpět Jak se UPS vypořádá při dlouhodobých výpadcích elektrorozvodné sítě s přechodem na napájení z motorgenerátoru? Přechod nemusí být bez problémů, protože napětí a kmitočet dieselagregátu mohou být po startu a při zahřívání nestabilní. UPS musí být schopna zvládnout kolísání napětí na výstupu generátoru během intervalu, kdy generátor sám a jeho zátěže nabíhají na plný provoz. Pokud není tato situace v UPS ošetřena, může nestabilní napájení způsobit ztrátu dat, nebo vypnutí připojených IT zařízení. UPS by při tom měla co nejméně přepínat na režim zálohování z baterie a zpět, aby se snížila možnost přerušení výstupního napájení a zmenšilo namáhání baterie. Standby a interaktivní UPS musí před tím, než přepnou napájení zátěže na motorgenerátor, napájecí zdroj nejprve kvantifikovat a poté na něj synchronizovat invertor. Tyto konstrukce mají rovněž snahu přepnout zpět na zálohování z baterie i když jsou odchylky napětí a kmitočtu motorgenerátoru malé. UPS s dvojitou konverzí a UPS s dvojitou konverzí, multi-modovým reţimem a vysokou energetickou účinností používají usměrňovač, aniž by přepnuly na zálohování z baterie, i v případě, že motorgenerátor má při náběhu a zahřívání (nebo v případě, že se na motorgenerátor opakovaně připojují a odpojují jiné zátěže) nestabilní výstupní napětí, nebo kmitočet. Protože vstupní usměrňovač převádí AC napájení na DC, je doba chodu UPS na baterie v těchto situacích nejkratší. WP září

11 Utility failure výpadek elektrorozvodné sítě Generator startup start motorgenerátoru Generator online motorgenerátor je pohotově a dodává Double conversion rectifier synchronization synchronizace usměrňovače s dvojitou konverzí Line interactive and standby invertor synchronization synchronizase invertoru interaktivní a standby konfigurace Frequency and voltage unstable - jak se při zahřívání generátoru na něj připojují zátěže, je jeho napětí a kmitočet nestabilní. Standby a online konfigurace tento problém kompenzují použitím baterie All UPS in normal operation všechny UPS v normálním režimu činnosti Jak ovlivňuje design UPS její spolehlivost? Pohotovost a dostupnost UPS závisí na mnoha faktorech, jako jsou následující: Vícenásobné napájecí okruhy Standby UPS má typicky dva napájecí okruhy, ale obsluhuje je jen jediný výkonový přepínač. Porucha tohoto přepínače způsobí, že IT zařízení ztratí napájení. Interaktivní UPS má také dva napájecí okruhy, ale bez sdíleného výkonového rozhraní. Pokud výkonové rozhraní selže, může UPS stále ještě pracovat v zálohovacím režimu na baterie dostatečně dlouho k tomu, aby se dalo přejít na napájení z motorgenerátoru, nebo regulérně odstavit připojená zařízení. UPS s dvojitou konverzí a UPS s dvojitou konverzí, multi-modovým režimem a vysokou energetickou účinností mají typicky dva napájecí okruhy jeden z elektrorozvodné sítě a generátoru, druhý z baterie plus systém elektronického bypassu, který se využívá k přemostění vadných vnitřních součástek, nebo k synchronizaci systému s mechanickým bypassem při plánované údržbě systému. Přední multi-modové systémy jsou dokonce vybaveny systémem automatického bypassu zajišťujícího nepřerušené napájení při přepnutí během servisních zásahů. WP září

12 Redundance pomocí paralelního řazení Spolehlivost a dostupnost můžete zvýšit instalací několika spolupracujících UPS systémů. Při paralelní konfiguraci napájí několik UPS společnou výstupní sběrnici, která přivádí napájení na IT zařízení. Pokud dojde k výpadku některé z UPS, jsou ostatní dimenzovány tak, aby byly schopny převzít její zatížení. Protože výroba systémů schopných paralelního řazení přináší zvýšené náklady, je tato funkce vyhrazena pro UPS vyšší cenové třídy, kde je pohotovost klíčovým parametrem, - to znamená pro UPS s dvojitou konverzí a UPS s dvojitou konverzí a multi-modovým režimem. Krátká střední doba opravy (MTTR) Střední doba mezi poruchami (MTBF) je spíše teoretická, než praktická veličina, která je založena na statistických výpočtech opírajících se o hodnoty MTBF jednotlivých komponent a na laboratorních testech. Mnohem důležitější je pro dané zařízení znát hodnotu MTTR. Pokud UPS vyžaduje servisní zásah, bude produkt s velmi nízkou hodnotou MTTR zpět v provozu mnohem dříve, což má v konečném důsledku významnější dopad na celkovou dostupnost, než hodnota MTBF. Hodnota MTTR je lepší (kratší) u modulárních konstrukcí a u zařízení se snadno udržovatelnými komponentami, jako jsou baterie vyměnitelné za provozu a elektronické moduly. Modulární systémy výrobně nákladnější, takže modularita je vyhrazena pro UPS s dvojitou konverzí a pro UPS s dvojitou konverzí a multimodovým režimem. Některé standby mají velmi omezenou modularitu mohou mít výměnné baterie ale všeobecně se standby systémy používají u malých, nikoli klíčových aplikací, kde je možné bez nepřiměřených nákladů vyměnit celou jednotku. Ţivotnost a stav baterie Provoz UPS vyžaduje využívání baterie ve všech stanovených situacích na napájecím přívodu. To zpětně ovlivňuje dobu zálohování a životnost baterie. Využívání baterie je nejnižší u konstrukcí s dvojitou konverzí a u konstrukcí s dvojitou konverzí a multi-modovým režimem. Někteří výrobci navíc používají vícestupňovou techniku dobíjení, nabízející životnost baterie podstatně převyšující životnost při klasickém kapkovitém dobíjení, nebo trvalém dobíjení malým proudem. Tato pokroková technologie dobíjení se všeobecně vyskytuje u UPS s dvojitou konverzí a UPS s dvojitou konverzí a multi-modovým režimem. Jak ovlivňuje topologie UPS její energetickou účinnost? S čím vyšší energetickou účinností UPS pracuje, tím méně energie pro provoz vašeho datového centra musíte nakoupit od rozvodných závodů. A protože většina spotřebované energie se promění v teplo, znamená to, že čím je UPS účinnější, tím méně zaplatíte za klimatizaci a další chladicí systémy, které toto teplo odvádějí. Pokud je celková účinnost infrastruktury datové centra (DCiE) vysoká, náklady na chlazení mohou být rovny pouze 50% nákladů na elektrické napájení IT zařízení. Pokud je energetická účinnost datového centra nízká, pak podle průmyslových studií mohou být náklady na klimatizaci a chlazení stejné, jako náklady na elektrické napájení IT mohou činit až % těchto nákladů. Není proto žádným překvapením, že správci datových center velmi pečlivě sledují energetickou účinnost svých systémů na ochranu napájení. Technologický pokrok za poslední tři dekády naštěstí podstatně zvýšil účinnost UPS. V roce 1980 měla většina UPS v nejlepším případě účinnost 75-80%. Za každý dolar WP září

13 zaplacený za elektřinu jste získali užitečnou energii pouze v ceně 75 až 80 centů. Energetické ztráty znamenají tvorbu tepla, takže i náklady na chlazení byly vyšší. V devadesátých létech vzrostla účinnost UPS na 85 až 90%. V roce 2000 dosáhla účinnost hodnoty až 94%. Následně, v důsledku vyššího ekonomického tlaku způsobeného nárůstem cen energií se tato hodnota u UPS optimalizovaných pro napájení dnešních IT zařízení dostala na 97% a výše. Poslední generace UPS změnila celou situaci pomocí nových úsporných technologií, umožňujících dosáhnout až 99% účinnosti bez zhoršení spolehlivosti. Obr. 9 Technologický pokrok za poslední tři dekády trvale zvyšoval účinnost UPS Energetická účinnost je zásadně ovlivňována konstrukcí UPS a jejím provozním režimem. UPS s jednoduchou konverzí (standby a interaktivní) vykazují vyšší účinnost než UPS s dvojitou konverzí, protože u nich chybí konverze AC DC a zpět. Nové UPS s dvojitou konverzí a multi-modovým režimem dosahují velmi vysokou hodnotu energetické účinnosti, protože režim dvojité konverze, jehož účinnost je nižší, používají jen tehdy, jeli to nezbytné a po zbytek času pracují jako energeticky úsporný systém. Účinnost je též otázkou mechanické velikosti UPS. Velké moduly UPS mají typicky vyšší účinnost než malé, protože energie spotřebovávaná ovládací elektronikou a pomocnými komponentami u nich tvoří menší podíl z celkového příkonu. Např. UPS modul s výkonem 500kW a s danou konstrukcí bude typicky mnohem energeticky účinnější, než modul s výkone 5kW a stejnou konstrukcí. WP září

14 Relativní energetická účinnost moderních beztransformátorových konstrukcí UPS (v %) Výkon modulu UPS Standby UPS Interaktivní UPS UPS s dojitou konverzí 5kW kW kW Multi-modová UPS s dvojitou konverzí a vysokou účinností Údaje o energetické účinnosti poskytované dodavateli neberte jako nominální hodnotu. Pokud hodnotíte UPS, nestačí znát špičkovou účinnost, které je dosahováno při plném zatížení (to je hodnota, která se obvykle udává). Je nepravděpodobné, že budete provozovat UPS při plném zatížení. Protože hodně IT systémů používá z důvodů redundance duální napájecí zdroje, je typické zatíženií UPS v datovém centru nižší, než 50%, v některých případech je zatížení pouze 20 až 40%. Že částečně zatížená UPS bude mít nižší účinnost pravděpodobně očekáváte, ale o kolik? Předchozí generace UPS (ty dodané před rokem 1990) jsou při nižších úrovních zatížení podstatně méně účinné. Při nízkých úrovních zatížení, je podstatně méně účinná i většina dnešních UPS. Tento trend změnily nové, multi-modové technologie s funkcemi pokrokové správy napájení. Nyní můžete očekávat vysokou účinnost o hodnotě 95% a více až do poklesu zatížení na 20%. Obr. 10 UPS mají tendenci ke snížení účinnosti při nižších zatíženích. Nové multi-modové UPS mohou udržet velmi vysokou účinnost i při nižší zátěži. WP září

15 I malé zvýšení účinnosti UPS se může rychle promítnout do úspor tisíců dolarů. V datovém centru s příkonem 1MW ztrácí 10 let staré UPS pravděpodobně kolem 150kW výkonu, které mění v teplo o hodnotě přes BTU, které je třeba odčerpat. Náhradou zastaralých UPS novými s vysokou účinností uvolníte až 120kW elektrického výkonu, i více, který pak můžete využít k napájení dalších IT zařízení. Úspory mohou být dramatické. Představte si typické datové centrum s 1000 servery a tradiční UPS provozovanou s účinností 86%. Výměna této UPS za nový multi-modový systém s účinností 96%, ušetří tomuto datovému centru ročně USD za energii (při ceně 10 centů za kwh). Vyšší účinnost UPS zajistí také při stejné kapacitě baterie delší dobu zálohování a nižší provozní teplotu, která se zpětně projeví prodloužením životnosti součástek a zvýšením celkové spolehlivosti a parametrů datového centra. Závěrečné úvahy V minulosti bylo populární předpokládat, že u klíčových aplikací v datovém centru musí být UPS provozovány jen v režimu s dvojitou konverzí. Systém provozovaný v tomto režimu zcela odděluje IT zařízení od nepravidelností vstupního napájení, aniž by nepřiměřeně zatěžoval vnitřní baterie. Režim dvojité konverze rovněž zajišťuje hladké přechody mezi režimem zálohování, napájením z motorgenerátoru a zpět, aniž by došlo k nejmenšímu přerušení napájení připojených IT zařízení. Správci datových center však dnes mají realizovatelné a značně úspornější volby řešení opírající se o multi-modové UPS s dvojitou konverzí a vysokou energetickou účinností, které v sobě kombinují to nejlepší z topologií jednoduché a dvojité konverze: vynikající účinnost spolu s vysokou úrovní ochrany poskytovanou dvojitou konverzí. S využitím nejlepších zkušeností a správným výběrem zařízení mohou správci datových center snížit spotřebu elektrické energie téměř o 50%. Znamená to, že téměř 75% výše účtu za elektřinu bude utraceno skutečně za chod IT zařízení, ve srovnání s méně než 50%, jak je tomu u normálních dnešních datových center. Efektivnější alokací elektrické energie nejen, že snížíte výši účtů za elektřinu, ale se stávajícím příkonem a chlazením vystačíte pro větší objem IT zařízení. Tím oddálíte okamžik, kdy budete tyto systémy, určené k podpoře datového centra, muset modernizovat. Která topologie UPS je tedy správná pro vaše datové centrum? Tam, kde dříve existovala jen jediná správná odpověď nabízejí dnes nové technologie nové efektivní možnosti výběru, speciálně navržené pro datová centra s vysokou hustotou montáže a s vysokou účinností. O společnosti Eaton Corporation Eaton Corporation je průmyslovým výrobcem se širokým sortimentem, jehož obrat dosáhl v roce ,9 mld USD. Společnost má přibližně zaměstnanců a prodává své produkty zákazníkům ve více, jak 150 zemích. Eaton je ve světě přední společnost v oblasti elektrických systémů a součástí pro kvalitní napájení, rozvody a řízení, v oblasti součástí pro hydrauliku, systémů a služeb pro průmyslová a mobilní zařízení, v oblasti paliv pro letectví a kosmonautiku, hydraulických a pneumatických systémů pro komerční a vojenské použití a v oblasti hnacích soustav a hnacích jednotek pro kamiony a automobilový průmysl optimalizovaných z hlediska úspory paliva a bezpečnosti. Eaton vyrábí, prodává a podporuje UPS systémy, které splňují požadavky zařízení dnešních datových center. Všechny Eaton UPS určené pro datová centra splňují, nebo překračují limity specifikací spolehlivého a kvalitního napájení zdrojů IT zařízení. Po více jak 40 let od prvé komerční UPS až po modulární Eaton BladeUPS, určené pro WP září

16 serverová prostředí s vysokou hustotou montáže a UPS s velmi vysokou energetickou účinností Eaton vždy tvořil standardy ochrany napájení a jeho zálohování. Kromě dodávek UPS slouží společnost Eaton jako váš zdroj komplexních řešení pro datová centra, včetně napájecích rozvodů, ochrany napájení, stojanů a příslušenství pro přístrojové skříně, počítačové místnosti a datová centra. Další informace naleznete na odkazu nebo volejte číslo (USA). O autorovi Chris Loeffler manažer aplikací pro datová centra, Divize Distributed Power Solutions společnosti Eaton Chris Loeffler je manažer globálních aplikací společnosti Eaton Corporation, se specializací na řešení napájení datových center a poskytování příslušných služeb. Má více, jak 19 let zkušeností v oboru UPS a dohlížel na produktový management více, jak 20 UPS projektů pro datová centra a průmyslové aplikace. Pan Loeffler zastával u společnosti Eaton řadu pozic, včetně pozic servisního a aplikačního inženýrství, a po dobu více, jak 10 let pracoval v managementu produktů. Pan Loeffler je autorem řady článků pro obchodní publikace a napsal též několik informačních dokumentů (white papers) o energetické účinnosti datových center. Rovněž napsal odborné články na téma různých topologií UPS pro datová centra a průmyslové aplikace. Školící materiály na vyţádání Stáhněte si informační dokumenty (Eaton white papers) abyste se dozvěděli více o technologických tématech, nebo jste je mohli vysvětlit zákazníkům. Servisní bypass, paralelní řazení, topologie UPS, energetický management a mnoho dalších témat je zbaveno své tajemnosti ve volně dostupných informačních dokumentech v naší online knihovně. Eaton je obchodní známka Eaton Corporation. WP září