Rambler's Top100
 
 
Статьи ИКС № 11 2009
Максим ИВАНОВ  10 ноября 2009

ИБП раскручивают маховик

Несмотря на то, что источники бесперебойного питания со встроенным маховиком занимают вчетверо меньшую площадь, чем традиционные ИБП с двойным преобразованием энергии, они позволяют обеспечить более высокий уровень доступности защищаемого ИТ-оборудования, причем с меньшими энергопотерями.

Максим ИВАНОВ, ADM PartnershipБез ИПБ не обойтись


Возможно, некоторые уже и не помнят отключения электричества на обширной территории северо-восточных штатов США в 2003 г. и в Москве в мае 2005 г., но многим они показали уязвимость национальной сети энергоснабжения. Энергетические компании будут пытаться создать некоторый резерв и поддерживать положительный баланс между полезной мощностью и ожидаемым спросом на электроэнергию, но неожиданные явления, например не вовремя наступившая теплая погода, совпавшая с запланированным обслуживанием генерирующих блоков или аварией, могут привести к драматическим последствиям. Некоторые компании, управляющие энергосетями, предсказывают в будущем устойчивый разрыв между плановыми мощностями и предполагаемым спросом, что может привести к снижению резерва и повлиять на надежность работы энергосетей.


Можно ожидать, что в конечном счете будут построены новые генерирующие предприятия и случаи тотального нарушения энергоснабжения на большой территории станут относительно нечастыми. Но его периодическое отключение, перепады напряжения и отклонения по частоте продолжают представлять угрозу для работы критически важных систем. В большинстве случаев финансовые последствия отключения систем энергоснабжения бывают весьма серьезными (см. таблицу).


В прошлом пользователи полагались на стандартные резервные системы энергоснабжения, а именно на сеть источников бесперебойного электропитания, работа которых зависит от аккумуляторных батарей. Однако такие системы занимают много места, требуют регулярного технического обслуживания, устарели с экологической точки зрения и являются в ряде аспектов неэффективными. Они могут давать утечки, токсичны и должны в идеале утилизироваться с помощью дорогостоящих и экологически безопасных методов. К счастью, системам ИБП на  основе аккумуляторных батарей есть альтернатива. Энергетически эффективные, надежные и не требующие аккумуляторов системы ИБП для защиты критически важного оборудования от перепадов напряжения, резких колебаний и прерывания энергоснабжения были разработаны на основе интегрированной технологии махового колеса. Эти системы имеют КПД до 98% и потребляют меньше энергии по сравнению с обычными системами на основе аккумуляторов. Системы ИБП с маховиками могут работать с постоянной прогнозируемой производительностью в течение 20 лет без снижения работоспособности.


С помощью ИБП всю вселенную не обогреешь, но…


ИБП и резервные генераторные системы повышают качество электроэнергии и расширяют возможности ее использования. По данным центра сертификации Uptime Institute, отдельный ИБП обеспечивает энерговооруженность порядка 99,671% (среднее время простоя – 28,8 ч в год), а применение систем ИБП с высоким уровнем резервирования дает уровень защиты около 99,995% (среднее время простоя – 26 мин в год).



Требования к проектированию системы с высокой доступностью


В надлежащим образом спроектированной системе энергоснабжения с высокой доступностью дизельный генератор после получения команды должен включиться и взять на себя нагрузку. И так должно происходить каждый раз, когда возникает необходимость. В противном случае нет возможности обеспечить уровень доступности 99,999% и более.


Высокая готовность резервного генератора достигается путем оптимизации его конструкции и параметров эксплуатации. Обычно требуется провести анализ топлива, резервных пусковых батарей/цепей или других вариантов. Также необходимы регулярное техобслуживание и испытания в критическом режиме, намного более строгие, чем для обычных резервных систем. Именно такие меры повышают уровень надежности при запуске резервного генератора более чем на порядок по сравнению с резервными генераторами общего назначения. Для областей применения с очень высокой доступностью создается избыток мощности резервного генератора. Проектировщик может заложить N + 1, N + 2 или даже N + N уровни избытка мощности резервного генератора в зависимости от целей доступности.

Исторически трехфазные системы ИБП для критически важного оборудования имеют линейную топологию с двойным преобразованием энергии. Такие ИБП преобразовывают переменный ток на входе в постоянный, пригодный для работы батареи, а затем снова в переменный ток для подачи потребителям. При каждом преобразовании происходит потеря энергии. Электрическая эффективность традиционного ИБП, как правило, низкая и при 25%-ной нагрузке – таков общий сценарий для систем ИБП с высоким уровнем резервирования – составляет 81%. При предельных нагрузках КПД повышается, но не более чем до 95%. При выходной мощности 1 МВт прямые потери от ИБП колеблются в диапазоне 53–234 кВт. Эти потери рассеиваются внутри производственных помещений в виде тепла, которое должно отводиться системами кондиционирования и вентиляции. А энергопотребление последних достигает еще 50–100% величины прямых потерь в ИБП. В результате в пересчете на год на потери и рассеивание тепла уходит 0,7–4,1 МВт•ч электроэнергии, что при ее стоимости 1,5 руб. за 1 кВт•ч составляет $34,5–205 тыс.


Как работает маховик


Принцип работы махового колеса основан на первом законе Ньютона, который гласит, что «любое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния». В случае маховика движение является вращательным, а не прямолинейным. Маховики используются в различных ситуациях, когда требуется добиться кратковременного выброса мощности при относительно низком усилии. В промышленности ударные прессы и кузнечные молоты часто оснащались низкоскоростными маховиками для создания максимальной нагрузки, требуемой для работы.


Требования к резервному времени


ИБП с маховиком предоставляет более чем достаточно времени для того, чтобы задействовать дизельные генераторы в качестве резервных источников питания. Фактически времени хватает на то, чтобы контролировать систему с целью снижения до минимума числа нежелательных запусков дизеля и дальнейшего снижения времени нахождения резервного генератора в дежурном состоянии. Дополнительный резерв, обеспечиваемый 5- или 15-минутными системами на основе батарей, по сути дела, лишний. Давать 15 минут на «мягкое отключение» компьютера или других нагрузок нецелесообразно, поскольку их отключение после этого времени не влияет на отказоустойчивость для большинства видов деятельности. Резервный генератор (генераторы) должен включаться и фактически покрывать 99,5% времени согласно статистике Gold Book IEEE. Рассуждения о том, что дополнительное время позволяет «завестись второй раз», безосновательны, так как если генератор не включается в течение первых 5–6 с, то, как и в автомобиле, он, по всей вероятности, не включится и в течение последующих 15 минут.

В современных системах маховиков для источников резервного питания применяется сложная комбинация механических и электрических технологий. Некоторые производители устанавливают высокопрочные роторы из авиационной стали, доказавшие свою надежность и эффективность в течение длительного времени. Для работы на средней скорости вращения для ротора используются простые и высоконадежные подшипники с керамическими роликовыми элементами. Подшипники такого типа задействованы в критически важном оборудовании с длительным сроком службы – в двигателях самолетов, конструкциях международной космической станции и других аэрокосмических летательных аппаратах. Интенсивность отказов роликоподшипников зависит от времени, поэтому следует соблюдать сроки замен, чтобы обеспечить максимальную надежность. Полевые данные от многочисленных систем показывают, что интенсивность отказа до замены меньше, чем самый оптимистичный прогноз интенсивности отказов, приводимый изготовителями магнитных подшипников.


Высокоскоростные маховики могут быть металлическими, но в настоящее время некоторые модели производятся из композитных материалов (армированного углеродом пластика). Вследствие низкой плотности композитных материалов, изготовленные из них маховики должны вращаться с более высокой скоростью, чем их металлические аналоги, для того чтобы добиться существенного накопления энергии. Такие облегченные конструкции привлекли внимание производителей аэрокосмических систем и электрических транспортных средств, в которых малый вес оправдывает более высокую стоимость. НАСА рассматривало возможность использования маховиков из композитных материалов для облегченных гироскопов и сохранения энергии, но все еще изучает характеристики их долговечности, так как связующие композитных пластиков, которые скрепляют волокна, могут деформироваться через какое-то время под действием больших нагрузок и повышенной температуры в процессе работы.


Модуль маховика для ИБП. Источник: ActivePowerЭлектродвигатель, который может также функционировать как генератор, встраивается в ротор маховика или соединяется с ним валом. Двигатель разгоняет маховик до рабочей скорости и поддерживает вращение мотора, компенсируя сопротивление воздуха и другие потери, которые в противном случае привели бы к замедлению вращения маховика. При перепадах или пропадании напряжения двигатель немедленно переключается в режим генерирования электроэнергии, которая может подаваться в ИБП. На сегодняшний день используются разные топологии моторов и генераторов, но наиболее часто применяется униполярный индукторный генератор, постоянный магнит или синхронизированная реактивная машина. Униполярный индукторный генератор менее известен, но является аналогом хорошо известных и надежных синхронизированных машин, использующихся с дизель-генератором, с тем отличием, что возбуждающие обмотки находятся на статоре, а не на роторе и обеспечивают более высокую скорость ротора. Все они устанавливаются в комбинации с приводом с переменной скоростью, который обеспечивает входной и выходной потоки мощности для маховика.


ИБП со встроенным маховиком vs традиционный ИБП


Основными элементами традиционного ИБП с двойным преобразованием являются входной выпрямитель, шина постоянного тока и батареи, выходной инвертор и статическая обходная цепь. В устаревших системах выходной инвертор не мог подавать напряжение в линию питания непосредственно, поэтому использовался повышающий трансформатор. В более новых бестрансформаторных конструкциях используются повышающие преобразователи для создания напряжения переменного тока от батарей постоянного тока.


Стандартный ИБП со встроенным маховиком. Источник: ActivePowerПример комплексного решения. Система PowerHouse ИБП с маховиком и дизель-генератор в едином корпусеРыночный спрос на ИБП как лучшее решение для обеспечения гарантированного энергоснабжения стимулировал развитие технологии применения маховиков. Поскольку на рынке преобладали системы с двойным преобразованием энергии на основе батарей, то первые системы с маховиком были предназначены для замены простых батарей постоянного тока.


Вскоре после их успешного внедрения появилась идея встроить маховик непосредственно в ИБП. Преимущества маховика, встроенного в ИБП, были перечислены в патенте США № 6657320. Объединение таких функций,  как емкостная шина постоянного тока, система охлаждения, схема контроля, источник питания и интерфейс дисплея, приводит к уменьшению количества деталей, повышению надежности системы, снижению энергопотребления при более высокой эффективности и позволяет создать конструкцию меньших размеров, чем ИБП на основе аккумуляторной батареи. Кроме того, архитектура системы имеет только один существенный рассеивающий элемент на пути основной мощности – линейный индуктор. Сервисный канал преобразователя пропускает только зарядный ток маховика во время работы при номинальном входном напряжении и объединенном коэффициенте выходной мощности. Поскольку при работе системы наблюдается отклонение от номинального входного напряжения или объединенного коэффициента выходной мощности, ток в сервисном преобразователе увеличивается, но остается небольшая доля общего тока системы, которая изменяет ее эффективность приблизительно на 1%. В конечном счете напряжение вставки постоянного тока между маховиком и сервисными конвертерами выше, чем напряжение в шине постоянного тока в традиционном ИБП с двойным преобразованием. Это устраняет необходимость использования выходного трансформатора или повышающего преобразователя для достижения желаемого напряжения на выходе. Комбинация этих факторов обеспечивает КПД системы до 98%. В 2005 г. «Лоуренс Беркли Нэйшнл Лаб» в подробном исследовании эффективности ИБП отметила, что ИБП с маховиком имеют самый высокий КПД среди конструкций всех протестированных типов и что разница между максимальным и минимальным КПД составила около 15%.


  



ИБП со встроенным маховиком отличаются от ИБП с двойным преобразованием и батареями эффективностью, надежностью и экологической безопасностью. Объединенные функции и высокая плотность энерговыделения маховика позволяют соединить все эти свойства в одном устройстве, которое размещается на площади в четыре раза меньшей, чем занимают аналогичные системы на базе традиционных технологий. Высокая эффективность использования энергоресурсов и минимальная потребность в техобслуживании – вот основные составляющие снижения эксплуатационных расходов, которые обеспечивают окупаемость инвестиций в течение трех-четырех лет, что редко достижимо при применении традиционных систем бесперебойного питания.  икс 

Снижение теплового воздействия


Самый простой и эффективный способ снизить тепловое воздействие в дата-центре (предотвратить состояние, когда серверы перегреваются и отключаются из-за прерывания питания), состоит в сокращении времени, которое требуется для восстановления питания систем охлаждения (механических систем). Один из способов добиться этого – уменьшить время отправки сигнала включения резервному двигателю. Однако, по данным EPRI (Электроэнергетический научно-исследовательский институт США), почти 99% всех случаев отключения электричества длятся менее 10 с. Поэтому, чтобы предотвратить так называемый ложный запуск, т.е. получение двигателем сигнала о включении даже в том случае, когда энергоснабжение восстановилось в течение нескольких секунд после первоначального отключения, необходимо установить задержку в 5–10 с. В правильно разработанных системах энергоснабжения с высокой доступностью дизельный двигатель должен включаться и принимать нагрузку через 5–6 с после получения команды.



Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!