Která UPS je ta správná pro dané pouţití?

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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 2
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 3
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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 4
(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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 5
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
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
Obr. 5 (vpravo). ITIC (CBEMA) křivka
udává tolerance pro IT zařízení.
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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 6
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 7
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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 8
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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 9
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 10
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 11
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 80-100% 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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 12
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 13
Relativní energetická účinnost moderních beztransformátorových konstrukcí UPS (v %)
Výkon
modulu
UPS
Standby
UPS
Interaktivní
UPS
UPS
s dojitou
konverzí
5kW
95
96
91
Multi-modová
UPS s dvojitou
konverzí a vysokou
účinností
96
100kW
98+
97+
94
98+
500kW
99+
98
95+
99+
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.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 14
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 500 000 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 70 000 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 2009 11,9 mld USD. Společnost má přibližně 70 000 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
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 15
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 www.eaton.com, nebo volejte číslo 800 356 5794
(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.
http://www.eaton.com/pq/whitepapers
Eaton je obchodní známka Eaton Corporation.
WP09-19
www.eaton.com/powerquality
září 2009 - 16