Podstawowe zasady dotyczące agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego do zastosowań IT (cz. 3)

Wszyscy pracownicy działów IT, którzy są odpowiedzialni za działanie urządzeń komputerowych, powinni przygotować centrum danych lub serwerownię na wypadek dłuższej przerwy w zasilaniu. Zrozumienie podstawowych funkcji i koncepcji systemu agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego zapewni solidne podstawy, które pozwolą pracownikom działów IT określać, instalować i obsługiwać obiekty o znaczeniu krytycznym. Ten dokument stanowi wprowadzenie do tematyki agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego i podsystemów zasilających urządzenia elektryczne o znaczeniu krytycznym w sytuacjach, kiedy zewnętrzna sieć elektryczna nie jest dostępna.

Regulacja napięcia
Głównym zadaniem regulatora napięcia jest sterowanie napięciem prądu generowanego na wyjściu prądnicy. Działanie regulatora napięcia ma zasadnicze znaczenie dla urządzeń komputerowych o znaczeniu krytycznym. Celem jest skonfigurowanie systemu z odpowiednim czasem reakcji, aby zminimalizować zmiany napięcia występujące podczas zmiany obciążenia. Kolejną kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest zachowanie regulatora po podłączeniu obciążeń nieliniowych, takich jak starsze zasilacze. Urządzenia tego typu pobierają prąd o charakterze odkształconym od sinusoidy. Obciążenie nieliniowe może mieć negatywny wpływ na system agregatu prądotwórczego, zagrażając w ten sposób dostępności urządzeń o znaczeniu krytycznych w czasie pracy w trybie oczekiwania.

Dokument EGSA 101E Section 5 definiuje parametr regulacji napięcia jako „różnicę między poziomem napięcia bez obciążenia i poziomem napięcia przy pełnym obciążeniu, wyrażoną jako procent wartości napięcia przy pełnym obciążeniu". O napięciu prądu decydują trzy aspekty prądnicy: moc pola magnetycznego, prędkość obcinania pola magnetycznego i liczba uzwojeń (zwojów) w cewce. Ponieważ dwa ostatnie czynniki są stałe, regulacja napięcia stanowi funkcję zmiany pola magnetycznego w celu osiągnięcia żądanego efektu.

Istnieje wiele technologii służących monitorowaniu napięcia wyjściowego, dzięki czemu możliwe jest zapewnienie zasilania o właściwym poziomie jakości dla centrów danych. Niezależnie od systemu regulatora, należy przygotować się na „czarny scenariusz“, w którym wartość napięcia zasilania w dalszym ciągu będzie poniżej dopuszczalnego poziomu. Czynniki powodujące wystąpienie tego czarnego scenariusza obejmują niskie napięcie spowodowane nadmierną temperaturą uzwojenia lub istnienie dużej liczby urządzeń nieliniowych. W obecnych centrach danych występuje niewiele urządzeń nieliniowych, co powodowane jest użyciem zasilaczy z korekcją współczynnika mocy. Jednakże w sytuacji, gdy agregat prądotwórczy jest używany do zabezpieczenia innych układów w budynkach, należy zidentyfikować wszystkie urządzenia nieliniowe, aby dokonać wyboru właściwego systemu.

Rozdzielnica mocy i dystrybucja zasilania
Dystrybucja napięcia wyjściowego agregatu prądotwórczego do urządzeń o znaczeniu krytycznym to kolejny ważny czynnik wpływający na projekt systemu. Podręcznik IEEE Emerald Book (IEEE Standard 1100-1999) jest uważany za wiodące, autorytatywne źródło w zakresie zasilania wrażliwych urządzeń. Jego autorzy zalecają projektowanie systemów zgodnie z podręcznikiem IEEE Orange Book (IEEE Standard 446-1995). Podręcznik IEEE Orange Book zapewnia wytyczne dla systemów automatycznych, które monitorują źródło zasilania oraz inicjują uruchomienie silnika i przekazanie zasilania urządzeń do agregatu prądotwórczego, kiedy stanie się on dostępny i stabilny. Obejmuje to także ponowne przekazanie zasilania urządzeń do głównego źródła po przywrócenia normalnych warunków. Zwykle wszystkie te funkcje są wykonywane przez system nazywany automatycznym przełącznikiem źródeł zasilania (Automatic Transfer Switch - ATS). Inne typowe funkcje tego urządzenia obejmują planowanie automatycznych testów agregatu prądotwórczego oraz wykonywanie bardzo ważnego cyklu schładzania agregatu po przywróceniu głównego źródła zasilania. Urządzenia wykonujące te zadania pochodzą zwykle od wielu dostawców, na przykład od producentów agregatów prądotwórczych, producentów rozdzielnic mocy lub specjalistów w zakresie projektowania przełączników ATS. Dostępne są jednak pewne, gotowe systemy, które pozwalają uniknąć pułapek związanych z użyciem dostosowanych rozwiązań, takich jak wysoki całkowity koszt eksploatacji (TCO) i skomplikowany projekt. Więcej informacji na temat przełączników ATS zawiera dokument White Paper 94 firmy APC „Fundamental Principles of Generator Transfer Switches for Information Technology“. Rysunek 3 przedstawia położenie przełącznika ATS w układzie rozdzielającym energię w budynku.

Projekt systemu musi uwzględniać także odpowiednie zabezpieczenie przed przekroczeniem napięcia. Styki mechanizmu przełączania muszą przetrwać nagły wzrost prądu bez ryzyka ich przyspawania. Należy także unikać przegrzewania się przełącznika podczas pracy przy pełnym obciążeniu, a także zapewnić dostarczanie prądu zwarciowego (jest to prąd wymagany do zwolnienia urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym napięciem, takich jak wyłączniki automatyczne). Istnieją różne schematy przełączania w celu przywrócenia zasilania przez sieć elektryczną; są one znane jako przejście otwarte lub zamknięte. Przejście otwarte oznacza, że przed podłączeniem do generatora następuje odłączenia urządzenia od sieci elektrycznej. W przypadku przejścia zamkniętego urządzenie zostaje podłączone do generatora przed odłączeniem go od sieci elektrycznej. Oznacza to, że sieć elektryczna i generator są przez krótki czas podłączone jednocześnie. Przejście typu zamkniętego jest bardziej zaawansowane i minimalizuje chwilowe przerwy w zasilaniu.

Nadmiarowe systemy z równoległymi agregatami prądotwórczymi
Odpowiedź na pytanie o liczbę agregatów prądotwórczych jest ściśle związana z oczekiwaną mocą i niezawodnością systemu. System z wieloma mniejszymi (identycznymi) jednostkami, które wspólnie zapewniają wymagane obciążenie szczytowe, oraz z jedną dodatkową jednostką, jest nazywany systemem o nadmiarowości N+1. Przykład na rysunku 4 przedstawia system trzech agregatów prądotwórczych 800 kW, które zostały zsynchronizowane i obsługują obciążenie wynoszące 1,6 MW. Trzeci generator o mocy 800 kW znajduje się w rezerwie.

Zainicjowanie sekwencji startowej powoduje uruchomienie wszystkich trzech agregatów prądotwórczych i ich zsynchronizowanie. Obciążenie wynoszące 1,6 MW może być teraz obsługiwane z nadmiarowością N+1. Rozdzielnica mocy umożliwiająca pracę równoległą powoduje zwiększenie kosztów, ale zwiększa statystyczną niezawodność w porównaniu z pojedynczym źródłem napędu. W tym przykładzie prawdopodobieństwo wystąpienia jednoczesnego przestoju więcej niż jednego systemu generatora jest mniejsze niż w przypadku pojedynczego generatora. Oczywiście należy pamiętać o fakcie, że najczęściej występujące uszkodzenia (na przykład brak paliwa) mogą być przyczyną niepowodzenia nawet planu z zapewnioną nadmiarowością.

Kolejną zaletą płynącą z wykorzystania koncepcji budowania systemu z bloków — czyli dodawania mniejszych systemów zależnie od wielkości obciążenia — jest jej skalowalność. W przypadku rozwijających się obiektów można zastosować system, który pozwoli dodawać w przyszłości kolejne elementy. Wymaga to zapewnienia odpowiedniej przestrzeni oraz dopasowania okablowania do ewentualnego obciążenia. Koszty inwestycji oraz konserwacji są odkładane w czasie aż do momentu, w którym wzrost liczby urządzeń o znaczeniu krytycznym zagwarantuje zwrot inwestycji. Bardzo ważną kwestią jest dokładne zbadanie potrzeb, aby dokonać rozsądnego wyboru zgodnie z przedstawionymi wcześniej definicjami. Więcej informacji na temat skalowalności znajduje się w dokumencie White Paper 37 firmy APC, „Jak unikać kosztów związanych z nadmierną wielkością instalacji w centrum przetwarzania danych“.

Ogólne kwestie zgodności projektu systemu
W dokumencie White Paper 95 firmy APC „Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure“ przedstawiono koncepcje dotyczące określania wielkości i obciążania agregatów prądotwórczych. Należy jednak podkreślić wpływ takich czynników, jak współczynnik mocy obciążenia, przełączniki źródeł zasilania i zasilacze UPS, na ogólną wydajność połączonego systemu. Jeśli zaangażowanych jest wielu dostawców, należy zapewnić udział wszystkich tych dostawców w procesie kompleksowych testów instalacji i odbioru. Taki typ planu pozwoli ujawnić nieoczekiwane problemy ze zgodnością zanim wpłyną one na urządzenia o znaczeniu krytycznym. Testy powinny być wykonywane przy różnych obciążeniach, łącznie z maksymalnym poziomem wykorzystania. Często konieczne jest sprowadzenie zestawów obciążenia, które będą zastępowały urządzenia docelowe. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że takie zestawy mogą nie reprezentować współczynnika mocy urządzeń komputerowych. Jeśli specjalistyczne zespoły obciążenia nie są dostępne, należy wykonać kolejny zestaw testów, kiedy rzeczywiste urządzenia będą dostępne.

Jednym ze sposobów uniknięcia problemów ze skomplikowanym projektem i koniecznością testowania dostosowanych rozwiązań z agregatami prądotwórczymi, przełącznikami ATS i zasilaczami UPS z udziałem wielu producentów, jest wybranie kompletnego systemu, który został przygotowany, wyprodukowany i wstępnie przetestowany zgodnie ze standardami ISO 9000 przez pojedynczego dostawcę. Kolejną korzyścią płynącą z użycia gotowych systemów jest stale rosnący poziom jakości i niezawodności, co jest wynikiem zastosowania znormalizowanych technik produkcji pozwalających uniknąć defektów. Proces ten jest nazywany również wzrostem niezawodności.

Wnioski
Źródło napędu dostarcza energię do systemu agregatu prądotwórczego. Aby zapewnić możliwość generowania prądu o stabilnej częstotliwości przy zmiennym obciążeniu, wymagany jest dokładny regulator. Prądnica, regulator napięcia i inne elementy sterujące są wymagane w celu wytworzenia i dostarczania prądu zmiennego o odpowiedniej jakości do przełącznika źródeł zasilania, które zapewniają zasilanie urządzeń o znaczeniu krytycznym. Tradycyjne systemy agregatów prądotwórczych mogą być skomplikowane, co prowadzi do wyższych kosztów prac projektowych, a także oznacza większe ryzyko awarii. Dostępne są alternatywne, gotowe systemy, które zapewniają zwiększoną niezawodność dzięki znormalizowanym technikom produkcji.