ИБП большой мощности: статические или динамические?

При построении мегаваттных ЦОД часто встает вопрос выбора типа источников бесперебойного питания: статический или динамический. Ниже представлен взгляд на проблему экспертов компании Eaton. Несмотря на то что эта компания является поставщиком статических ИБП, а потому вывод в пользу этого типа решений был предопределен, в статье достаточно объективно представлены плюсы и минусы обоих вариантов.

В статическом ИБП (СИБП) в режиме двойного преобразования энергии используются активный транзисторный выпрямитель и инвертор с ШИМ-регулированием для регенерации практически идеального синусоидального выходного напряжения. «Многорежимный» ИБП может также работать в экономичном режиме. При приемлемом качестве электроэнергии в сети статический переключатель переводит ИБП в режим байпаса, что позволяет снизить потери на 85% — тем самым достигается КПД 99%. Таким образом, при приемлемом качестве электроэнергии в сети СИБП пропускает ее непосредственно на свой выход с фильтрацией и подавлением пульсаций.

При ухудшении качества электроэнергии СИБП практически мгновенно переключается в режим двойного преобразования, при работе в котором выходное напряжение регенерируется — ИБП формирует и регулирует значение, частоту и форму выходного напряжения. Современные источники обычно используют свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием (VRLA), для установки которых не требуется отдельного помещения или специальной вентиляции. Емкость батареи, как правило, подбирается таким образом, чтобы обеспечить питание нагрузки в течение 12–15 мин после пропадания напряжения в сети.

Дизельные динамические ИБП (ДДИБП), их еще называют дизель-роторными, состоят из дизельного двигателя, кинетического модуля (маховика) и синхронной электрической машины (мотор-генератора). Они позволяют подавлять гармоники и компенсировать реактивную мощность с КПД до 97%. Электромотор раскручивается «грязным» напряжением, поступающим из электросети, а с установленного с ним на одном валу генератора снимается «чистое» напряжение, которое и подается на нагрузку. В случае отключения городской электросети кратковременным источником энергии в ДДИБП служит маховик: при наличии напряжения во внешней сети он раскручивается, аккумулируя энергию, а при его пропадании начинает работать в качестве электрогенератора, отдавая накопленную энергию нагрузке.

Маховик поддерживает напряжение на время, необходимое для запуска дизельного двигателя, ведущий вал которого соединен через автоматическую муфту с валом мотор-генератора. Дизельный двигатель запускается от АКБ или через муфту, механически проворачивающую ведущий вал, подобно тому, как автомобиль можно завести стартером или заводной рукояткой. Система должна запустить двигатель в течение 2–10 с, иначе маховик начнет останавливаться и напряжение на выходе ИБП пропадет. Потенциальным преимуществом такой системы является отсутствие накопителя энергии в виде аккумуляторных батарей, благодаря чему экономится место и сокращаются эксплуатационное расходы

 

ПРИМЕНЕНИЕ В СОВРЕМЕННОМ ЦОД

С самого начала ДДИБП проектировались для использования на тех объектах, где нагрузки имеют высокий пусковой ток и генерируют много гармоник. Они позволяют уменьшить отрицательное влияние этих факторов, обеспечивая повышение коэффициента мощности и сокращая негативное воздействие гармонических составляющих. Однако в сегодняшних ЦОД множество импульсных источников питания имеют собственные цепи коррекции коэффициента мощности, поэтому компенсация реактивной мощности и подавление гармоник с помощью ИБП уже не столь актуальны. Современные СИБП, у которых активный выпрямитель генерирует мало гармоник (входной THDi < 4%), а входной коэффициент мощности составляет 0,99, даже несколько превосходят по этим характеристикам ДДИБП.

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

В принципе большинство ИБП высокой мощности формируется из модулей по 200–300 кВА. Деление на «сегменты» такого размера упрощает обслуживание и расширяет возможности наращивания и организации внутреннего резервирования, а независимое управление отдельными силовыми модулями (UPM) повышает эффективность питания менее мощных нагрузок.

Преимуществом внутреннего резервирования крупного СИБП является то, что при отказе одного модуля UPM он будет изолирован, а оставшиеся модули продолжат работу, перераспределив нагрузку между собой. И пока крупный ИБП не окажется перегружен, он сможет работать без одного или даже нескольких модулей UPM. Таким образом, отказ одной платы управления, одного силового транзистора или конденсатора не выведет из строя весь ИБП. Это обеспечивает резервирование по схеме N+1 без необходимости установки второго такого же ИБП с батареями. Такое 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 СИБП с отказавшим модулем может быть быстро и безопасно отремонтирован 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, уменьшаются начальные расходы и затраты на техобслуживание.

 

Предоставлено по материалам статьи журнала сетевых решений LAN: http://www.osp.ru/lan/2013/05/13035660/