ИБП в ЦОДах: статические или динамические?

На рынке представлено множество моделей ИБП, которые в зависимости от сферы применения различаются мощностью, ценой, весом, а также конструкцией — для установки в стойку или отдельно стоящие, однофазные или трехфазные. Однако для владельцев крупных ЦОД актуальным остается вопрос наиболее оптимального выбора ИБП для обеспечения бесперебойного питания. Статические или динамические? Рассмотрим каждый из этих типов и проанализируем имеющиеся возможности.

Статические ИБП называются так потому, что в их силовом модуле нет движущихся деталей, за исключением вспомогательных (например, вентиляторов). Поступающий из сети переменный ток преобразуется (при помощи выпрямителя) сначала в постоянный, а затем (посредством инвертора) снова в переменный с чистой синусоидальной формой сигнала, который и используется для питания нагрузки.

Динамические ИБП отличаются от статических тем, что передача питания на нагрузку осуществляется за счет использования вращающихся элементов (например, мотор-генератора). Динамическая технология в ИБП применяется на протяжении многих лет: она стала востребованной, когда нагрузка обладала низким коэффициентом мощности и высоким коэффициентом гармонических искажений.

Статические ИБП называются так потому, что в их силовом модуле нет движущихся деталей, за исключением вспомогательных (например, вентиляторов)

ПРИМЕНЕНИЕ В ЦОД

Изначально динамические ИБП создавались для питания нагрузок с высокими пусковыми токами и большим количеством гармоник. Такие ИБП уменьшают отрицательное влияние названных факторов, в частности, они обеспечивают увеличение коэффициента мощности и сокращают негативное воздействие гармонических составляющих.

Однако компенсация реактивной мощности и подавление гармоник с помощью ИБП уже не слишком актуальны, поскольку современные ЦОД располагают множеством импульсных источников питания и имеют собственные цепи коррекции коэффициента мощности. Современные статические ИБП, у которых активный выпрямитель генерирует малое количество гармоник (входной THDi < 4%), а входной коэффициент мощности составляет 0,99, даже несколько превосходят по этим характеристикам динамические.

Статические ИБП были разработаны в 1960-х годах на базе тиристорных выпрямителей (SCR). Теперь же для преобразования энергии широко применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые могут коммутировать сильные токи с высокой частотой и, таким образом, быстрее реагировать на изменение нагрузки, поддерживая стабильное выходное напряжение.

Конструкцией мощных ИБП статического типа предусматривается внутреннее резервирование. Благодаря этому неисправный (отказавший) модуль UPM будет изолирован, а оставшиеся продолжат работу, причем перераспределение нагрузки между ними произойдет автоматически. Пока крупный ИБП не окажется перегружен, он сможет функционировать без одного или даже нескольких модулей UPM. Таким образом, отказ одной платы управления, одного силового транзистора или конденсатора не приведет к выходу из строя всего ИБП. Тем самым обеспечивается резервирование по схеме N+1 без необходимости установки второго такого же ИБП с батареями. Внутреннее резервирование увеличивает среднюю наработку на отказ (MTBF) как минимум в 10 раз и вдобавок позволяет проводить параллельное обслуживание силовых модулей без отключения всего ИБП.

Параллельное обслуживание означает, что статический ИБП с отказавшим модулем можно быстро и безопасно отремонтировать без необходимости переключения на статический или сервисный байпас. Следовательно, теперь можно не покупать дополнительный ИБП с батареями, поскольку возможность параллельного обслуживания присуща модульным ИБП уже изначально. По сравнению с обычными моноблочными ИБП экономится место для монтажа и сокращаются начальные расходы и затраты на техобслуживание.

Статический ИБП может работать от батарей в течение 10–15 мин, так что у оператора будет время, чтобы предпринять несколько попыток запуска ДГУ

КПД

КПД динамического ИБП при полной нагрузке может достигать 97%. Однако длительная работа с небольшой или чрезмерной нагрузкой снижает этот показатель. Следует учитывать, что ИБП в конфигурации 2N нагружены менее чем на 50% от номинальной мощности, а в большинстве случаев — примерно на 30%. КПД же при малой нагрузке значительно меньше заявленного значения при полной нагрузке. При 30-процентной нагрузке он равен в среднем 89%, а при 50-процентной — 93%. Потери частично связаны с необходимостью поддерживать вращение массивного накопителя кинетической энергии (маховика).

В обычном режиме двойного преобразования основные потери в статическом ИБП вызваны выделением тепла на обеих стадиях преобразования. Наибольший КПД в режиме двойного преобразования составляет за редким исключением 95%. Оставшиеся 5% можно считать «компенсацией» за защиту и питание нагрузки высококачественной электроэнергией, поступающей от ИБП.

К счастью, современные многорежимные ИБП реализуют экономичный способ энергопотребления (в решениях Eaton он называется Energy Saver Systems, ESS). При приемлемом качестве электропитания статический переключатель переводит ИБП в режим байпаса. ИБП контролирует качество электроэнергии на входе, а при его ухудшении практически мгновенно происходит переключение с байпаса на внутренние цепи для подачи на нагрузку «чистого» синусоидального напряжения. Как только параметры электросети придут в норму, ИБП возвращается в высокоэффективный режим.

В экорежиме потери происходят только в фильтрах гармоник, ограничителях перенапряжений и вентиляторах охлаждения, потребляющих менее 1% номинальной мощности ИБП даже при очень небольших нагрузках, например не более 30%.

ТСО

Совокупная стоимость владения (TCO) — это сумма капитальных и эксплуатационных расходов на протяжении срока службы системы.

Первоначальные расходы на покупку и установку динамического ИБП обычно на 25% выше, чем на статический ИБП с батареями VRLA, установленными в отдельных кабинетах.

Для каждого статического ИБП мощностью 750 кВт требуется шесть батарейных кабинетов шириной около 1 м и весом примерно 2,2 т, при этом для установки АКБ VRLA, в отличие от АКБ с жидким электролитом, не нужно отдельного помещения. В случае ИБП мощностью 2 МВт при одинаковой емкости им необходимо в десять раз меньше места, а стоят они в четыре раза дешевле, чем АКБ с жидким электролитом. Но надо быть готовым к тому, что каждые шесть-семь лет придется менять батареи VRLA.

Может показаться, что данное обстоятельство является серьезным недостатком статических ИБП, ведь их динамическим аналогам батарей не требуется. Однако последние способны поддерживать автономную работу на продолжении всего 2–10 с, в течение которых должна запуститься дизельно-генераторная установка (ДГУ). Статический же ИБП может работать от батарей в течение 10–15 мин, то есть у оператора будет время, чтобы предпринять несколько попыток запуска ДГУ: если автоматика не сработает, он может вручную перевести переключатель АВР на питание нагрузки от ДГУ или успеть подсоединить запасной пусковой аккумулятор к ДГУ в случае разрядки основного. Наконец, при отказе ДГУ имеется возможность корректно завершить работу приоритетных нагрузок до того, как АКБ ИБП разрядятся.

Каждому блоку статических ИБП мощностью 2 МВт (в случае продукции Eaton) вместе с батареями требуется около 120 м² — включая ДГУ, но без учета наружного радиатора дизельного двигателя. Кабинеты с ИБП и батареями могут размещаться «спиной к спине». Во время техобслуживания доступ внутрь кабинета осуществляется с его передней стороны.

Для каждого блока динамических ИБП мощностью 2 МВт, включая четыре ДГУ по 500 кВт, требуется около 111 м² — без учета наружного радиатора дизельного двигателя. При этом такие ИБП нельзя устанавливать в ряд вплотную или «спиной к спине», поскольку необходимо оставить свободное пространство для их обслуживания.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ

Динамические ИБП нуждаются в более частом техническом обслуживании, поскольку состоят из электронных, электрических и механических компонентов. При этом для проведения различных операций с двигателем и электронной аппаратурой обычно приходится привлекать разных специалистов. Перечень регламентных работ может включать в себя еженедельную проверку масла в муфте, смазку подшипников, мониторинг температуры обмоток и подшипников и т. д.

Статическому ИБП с батареями VRLA обычно требуется плановое обслуживание один раз в год. Движущимися элементами статического ИБП являются только вентиляторы и контакторы, которые в специальном уходе не нуждаются.

Работа динамического устройства зависит от многочисленных подшипников, установленных в синхронном генераторе и узле муфты. Они находятся под нагрузкой круглосуточно, а их замена предполагает полное отключение устройства на срок 12–24 ч и требует использования подъемного крана, рассчитанного на вес агрегата.

НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ

Согласно статистике отказов, механические устройства по мере увеличения срока эксплуатации требуют более частого обслуживания, в то время как периодичность регулярного обслуживания статических устройств остается неизменной в течение всего срока службы.

Динамические ИБП ведущих производителей гарантированно обеспечивают пуск ДГУ, который осуществляется от специальной батареи. Если она разряжена или неисправна, ведущий вал двигателя проворачивается муфтой маховика, как заводной рукояткой автомобиля. Благодаря подобному механизму запуска («с двух попыток») дизельный двигатель обычно заводится за 2–10 с (2 с — при полной нагрузке, 10 с — при малой нагрузке). В случае неудачи напряжение на выходе ИБП исчезнет. В отличие от динамического, статический ИБП способен обеспечить автономную работу в течение 12–15 мин.

Как часто требуется включать дизельный двигатель в динамическом ИБП? Ряд исследований, включая проведенные самими производителями, показали, что нарушения электропитания, требующие подачи резервного питания, случаются почти каждый день и 60% этих нарушений длятся более 100 мс (и только 2% — свыше 3–5 с). Двигатель динамического ИБП должен запускаться при любом нарушении питания длительностью более 50 мс. В системе же, состоящей из статических ИБП с АКБ, дизель-генератор не нужно запускать, пока продолжительность сбоя в подаче энергии не превысит 10 с. Таким образом, зависимость от механики уменьшается, а надежность повышается.

Для переключения на ДГУ статическим ИБП требуются устройства автоматического включения резерва (АВР), в то время как динамические для соединения дизельного двигателя с ИБП используют механическую муфту. АВР и муфта — механические устройства, поэтому имеют сопоставимые показатели средней наработки на отказ. Для муфты они больше, чем для АВР, однако муфта нуждается в более частом техобслуживании.

Следует заметить, что динамические ИБП работают в линейно-интерактивном режиме, позволяющем значительно упростить работу системы. При этом КПД ИБП при номинальном напряжении сети составляет 97%, что выше, чем в среднем у статических ИБП в режиме двойного преобразования. За все время использования динамические ИБП с таким режимом работы зарекомендовали себя как очень надежные, относительно недорогие и экономичные устройства.

Однако в электросети с нестабильными характеристиками линейно-интерактивный динамический ИБП не обладает никакими преимуществами перед статическим: гальваническая развязка между входом и выходом отсутствует, входная частота равна выходной, возможности регулирования напряжения и подавления перенапряжения ограничены. В сложных и нестабильных условиях ИБП с двойным преобразованием энергии будет выдавать заново сгенерированное напряжение чистой синусоидальной формы. Такой ИБП формирует и регулирует напряжение, а также частоту и форму синусоидального напряжения, подаваемого на нагрузку. Благодаря этому пользователь может быть полностью уверен в надежной защите ответственного оборудования.

Безусловно, и статические, и динамические ИБП обладают высокой эффективностью и надежностью. Однако при внимательном изучении характеристик каждого решения можно увидеть, что статические ИБП отличаются более широким диапазоном применения — именно поэтому они признаны наиболее предпочтительной технологией для использования в крупных ЦОД, потребляющих мегаватты энергии.

Сергей Амелькин — менеджер по продукции направления «Качественное электропитание» компании Eaton.