W chwili obecnej parametr ten ma bardzo duże znaczenie przy wyborze systemów zasilania gwarantowanego. Każdy jeden punkt zbliżający, do niestety niemożliwej do osiągnięcia wartości 100%, przekłada się na realne oszczędności, szczególnie w przypadku obiektów typu Data Center.
Często w kartach katalogowych producentów zasilaczy bezprzerwowych sprawność podawana jest jedynie dla przypadku pracy urządzenia w ściśle określonych warunkach (zwykle znamionowych wartości napięcia i obciążenia). Czy to wystarcza w praktyce? Zacznijmy od tego, że każdy zasilacz typu UPS może pracować przy pełnym obciążeniu, jednak żaden nie powinien być w taki sposób dobierany na etapie projektu. Zawsze konieczne jest zachowanie pewnego zapasu mocy na wypadek pomyłki obliczeniowej lub nie do końca przewidywalnej pracy zabezpieczanych za jego pomocą urządzeń. Generalnie chodzi o to by nie dopuszczać do konieczności ciągłej pracy na tak zwanym by-pass’ie gdyż to w zasadzie pozbawia nas podstawowej funkcji zasilacza – zapewnienia zasilania gwarantowanego. I tak w przypadku pojedynczego urządzenia poziom rezerwy rzędu 10-20% mocy znamionowej wydaje się być wartością optymalną (to oczywiście duże uproszczenie, gdy np. konieczne jest zabezpieczenie zasilania maszyn elektrycznych – silników należy uwzględnić ich sposób rozruchu a co za tym idzie nawet znacznie zwiększyć wspomniany zapas szczególnie przy tak zwanym rozruchu bezpośrednim, podobnie jest w przypadku urządzeń medycznych np. angiografów). Pomimo, że urządzenia IT nie stwarzają tak wielkich zagrożeń to jednak jak mówi przysłowie „przezorny zawsze ubezpieczony”.
Przykład teoretyczny nr 1:
Projektowana moc obciążenia IT: ~180kW Maksymalna moc wyjściowa zasilacza UPS: 250kVA/225kW Poziom obciążenia: 80% Sprawność w zadanych warunkach: 95%
Straty mocy obliczamy korzystając z poniższego wzoru:
Obliczone powyżej straty mocy skutkują powstawaniem ciepła wewnątrz urządzenia i jego emisji, co skutkuje oczywiście wzrostem temperatury w pomieszczeniu, w którym dany zasilacz został zainstalowany. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne chociażby dla magazynu energii w postaci baterii akumulatorów wymagających utrzymania stałej wartości temperatury. Konieczna jest zatem neutralizacja powyższych „zysków ciepła” – instalacja klimatyzacji, która przecież także jest urządzeniem elektrycznym.
Przyjmując nawet stosunkowo niski współczynnik (0,3) umożliwiający przeliczenie mocy chłodniczej urządzenia na niezbędną moc elektryczną przez nie pobieraną otrzymana wartość jest stosunkowo wysoka 9,47kW x 0,3 = ~2,84kW.
Suma wyników powyższych obliczeń to 12,31kW i z taką nadwyżką w stosunku do mocy odbiorów IT należałoby się liczyć (oczywiście pomijając moc niezbędną do ewentualnego ładowania magazynu energii).
Pójdźmy jednak nieco dalej. Jeśli przemnożymy otrzymaną wartość przez ilość godzin w roku (365 dni x 24 godziny = 8760) to otrzymamy ilość energii elektrycznej za którą będziemy musieli dodatkowo zapłacić chcąc by nasze odbiory IT miały zapewnione zasilanie gwarantowane. Wynik: 107 835,6kWh. Przy założeniu kosztu jednej kilowatogodziny na poziomie np. 0,4zł zapłacimy za tę nadwyżkę aż 43 134,24 zł rocznie. A jeśli dostarczana do obiektu energia elektryczna wytwarzana jest w elektrociepłowni węglowej to przyczynimy się również do wyemitowania do atmosfery (wskaźnik 0,5kg CO2/kWh x 107 835,6kWh) niemal 54 ton dwutlenku węgla, natomiast jeżeli wspomniana energia wytwarzana jest np. w bloku gazowo-parowym to emisja tego szkodliwego związku chemicznego będzie na szczęście nieco niższa, jednak i tak przekraczająca 25 ton (wskaźnik 0,24kg CO2/kWh).
Analogicznie gdyby sprawność zasilacza była wyższa jedynie o 1 punkt procentowy i wynosiła 96% to wyniki wcześniejszych obliczeń kształtowałyby się w następujący sposób: straty mocy 7,5kW; klimatyzacja 2,25kW; łącznie 9,75kW; ilość energii 85 410kWh; koszt 34 164,00 zł; emisja CO2 ponad 42 tony (elektrociepłownia węglowa), ponad 20 ton (blok gazowo-parowy). Zatem im wyższa sprawność tym mniejsze zużycie energii, niższe koszty wynikające z instalacji i eksploatacji klimatyzacji, a nawet niższa emisja dwutlenku węgla – a to wszystko da się w miarę dokładnie oszacować.
Przykład teoretyczny nr 2:
W praktyce, w obiektach typu Data Center spotykamy się jednak najczęściej z systemami zasilania gwarantowanego zapewniającymi wyższy poziom niezawodności – pewności działania. Budowane są różnego rodzaju układy redundantne np. typu 2N, gdzie całkowita moc obciążenia podzielona jest na dwa tory zasilania, których zasilacze w normalnych warunkach pracują znacznie poniżej 50% swoich możliwości.
Załóżmy, że całkowita moc odbiorów IT to 800kW. Zaprojektowano dwa niezależne tory zasilania, z których każdy w normalnych warunkach pracy zasila połowę maksymalnego obciążenia. W każdym torze zainstalowano po trzy identyczne zasilacze UPS o maksymalnej mocy wyjściowej równej 500kVA/450kW w układzie N+1 (w sytuacji awaryjnej jeden tor przejmie pełną moc równą 800kW – do tego celu wystarczą oczywiście tylko dwa zasilacze, zatem trzeci według przyjętych założeń ma pełnić rolę jednostki redundantnej).
A) Praca normalna:
Jak wynika z powyższego rysunku, w normalnych warunkach pracy poziom obciążenia każdego z zasilaczy to około 30% jego mocy maksymalnej. Sprawność w tych warunkach wynosi 91,5%, zatem suma strat mocy obu torów zasilania osiąga wartość 74kW (klimatyzacja około 22kW). 74kW + 22kW = 96kW. Nadwyżka ta stanowi 12% mocy odbiorów IT.
B) Awaria jednostek redundantnych obu torów zasilania:
W tych warunkach poziom obciążenia poszczególnych zasilaczy to około 45%, przy czym sprawność wynosi 93%. Straty mocy: 60kW. Moc klimatyzacji: 18kW. Łącznie 78kW (9,75% mocy odbiorów IT).
C) Awaria jednego z dwóch torów zasilania:
W tym przypadku poziom obciążenia każdego z zasilaczy to około 60% mocy maksymalnej. Jeżeli sprawność w tych warunkach wynosi powiedzmy 94% to suma strat mocy obu torów zasilania osiągnie wartość 51kW (klimatyzacja około 15kW). 51kW + 15kW = 66kW. Nadwyżka ta stanowi 8,25% mocy odbiorów IT.
D) Awaria jednego z dwóch torów zasilania i jednostki redundantnej toru sprawnego:
Jak wynika z powyższego rysunku, w tych warunkach pracy poziom obciążenia to 90%. Sprawność 95%. Straty mocy: 42kW. Moc klimatyzacji: 13kW. Łącznie 55kW (9,875% mocy odbiorów IT).
Jak wynika z powyższej analizy parametr określający sprawność urządzenia podany jedynie dla wartości bliskich znamionowym to jednak nie wszystko. Ważna jest wiedza o tym jaką wartość przyjmie on dla mniejszego obciążenia, gdyż zwykle jest ona znacznie niższa.
Oczywiście wspomniane straty mocy nie są tak do końca związane tylko i wyłącznie z emisją ciepła, gdyż składają się na nie: straty bezobciążeniowe (związane z zasilaniem wewnętrznych elementów zasilacza takich jak np. transformatory, kondensatory, płyty sterowników czy też karty komunikacyjne), straty proporcjonalne do obciążenia (związane np. z przełączaniem elementów półprzewodnikowych) oraz straty cieplne (proporcjonalne do iloczynu kwadratu prądu przepływającego przez elementy zasilacza i ich rezystancji).
Producenci zasilaczy UPS proponują różne rozwiązania mające na celu zwiększenie sprawności produkowanych przez nich urządzeń: technologia (zastąpienie tyrystorów SCR – Silicon-Controlled Rectifier tranzystorami IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor w układach przełączających, zastosowanie modulacji szerokości impulsów PWM – Pulse With Modulation czy też cyfrowych/mikroprocesorowych sterowników), topologia (promowanie zasilaczy typu VI i ich pochodnych – UPS’y dynamiczne, UPS’y kinetyczne, UPS’y z konwersją Delta itp.), modułowość (sposoby na optymalny dobór mocy i przyszłą rozbudowę).
Podsumowując – sprawność jest parametrem, który należy brać pod uwagę przy wyborze zasilacza bezprzerwowego.
Dla zainteresowanych:
- R. L. Sawyer, White Paper 108 “Making Large UPS Systems More Efficient”, APC 2011
- I.F. Bitterlin, White Paper “The importance of ‘partial load’ efficiency for power systems in critical data-centre applications”, UK, BSc(Hons) DipDesInn MCIBSE MIEE
Bardzo fajny artykuł przybliżający szerszemu gronu sposoby bezpiecznego zasilania urządzeń IT. Warto by jednak wspomnieć, że wartości dopuszczalnych obciążeń UPS-ów podane przykłady są czysto teoretyczne i nieosiągalne w rzeczywistych systemach zasilania gwarantowanego.
W większości rozwiązań informatycznych potrzebne jest zasilanie jednofazowe. W podanych przykładach i rozpatrywanych zakresach mocy dostępne są tylko UPS-y 3-fazowe na wejściu i na wyjściu, bo największe dostępne na rynku UPS-y jednofazowe mają moce rzędu około 10kVA.
Praktycznie niemożliwe jest idealnie równe obciążenia UPS-a na wszystkich 3 fazach. Z mojego doświadczenia wynika, że osiągnięcie zrównoważenia 3 faz na poziomie 10% jest dużym osiągnięciem.
Przykładowy UPS o mocy 500kVA musi być w takim razie 3-fazowy i może dostarczyć na jednej z faz maksymalnie około 166,6kVA niezależnie od poziomu obciążenia pozostałych dwóch faz. Oczywiście w granicach ich mocy znamionowej, czyli również 166,6kVA.
Przedstawię sposób obliczenia łącznej mocy przykładowego obciążenia takiego UPS-a 500kVA.
Przyjmijmy, że 1 faza jest obciążona na poziomie 90% (to już jest bardzo niebezpieczna granica), a pozostałe dwie fazy mają obciążenie o 10% mniejsze.
1 faza = 166,6kVA * 0,9 = 150kVA
2 faza = 150,0kVA * 0,9 = 135kVA
3 faza = 150,0kVA * 0,9 = 135kVA
——————————–
Razem = 420kVA
Jak widać w powyższym przykładzie nasz UPS będziemy mogli obciążyć maksymalnie na 84% jego mocy znamionowej.
Z powyższej analizy wynika, że należy szukać danych o sprawności danego UPS-a przy obciążeniu poniżej 80%.
Sprawa dodatkowo się komplikuje w systemach zasilania, gdzie jest wykorzystywana praca równoległa UPS-ów, tzn. w układach N+1.
Proponuje zapytać zaprzyjaźnionego dostawcę takich systemów UPS-ów, czy pracujące równolegle UPS-y będą zawsze „sprawiedliwie” dzieliły się obciążeniem?
Uczciwy producent/dostawca poda jakąś wartość procentową i sądzę, że będzie to wielkość około 10% „średniego” niezrównoważenia obciążenia dla równolegle pracujących UPS-ów.
Poniżej przedstawię obliczenie dostępnej mocy dla 3 UPS-ów o mocy 500kVA każdy i pracujących równolegle bez redundancji, czyli w trybie sumacyjnym (z uwagi na ryzyko niezrównoważenia faz, do obliczeń należy przyjąć moc 500kVA*0,9=420kVA):
1 UPS = 420kVA * 0,9 = 378kVA
2 UPS = 378kVA * 0,9 = 340kVA
3 UPS = 378kVA * 0,9 = 340kVA
——————————–
Razem = 1058kVA
Tak jak w poprzednim przykładzie otrzymaliśmy ciekawą wartość. Powyższy wynik oznacza, że nasz system UPS-ów pracujący w układzie sumacyjnym (tzn. bez żadnego zapasu na wypadek awarii jednego UPS-a) będziemy mogli obciążyć maksymalnie na poziomie około 70% jego mocy znamionowej.
Tutaj zakończę moje trochę przydługie wywody, ale zachęcam dociekliwych czytelników, aby stosując podobne analizy wyliczyli maksymalne obciążenia systemów UPS-ów N+1 oraz dwóch systemów N+1 pracujących na dwa równoległe tory zasilania.
Pozdrawiam
Zenek
Witam,
Pisząc ten artykuł miałem na celu jedynie sygnalizację zagadnienia, tym bardziej cieszę się, że temat został przez Zenka tak znacznie rozwinięty. Tak, w powyższych przykładach pojawiły się UPS’y trójfazowe – a jak Zenek słusznie zauważył, pojedyncze urządzenia IT są zwykle jednofazowe. Problem asymetrii obciążenia układów trójfazowych dotyczy jednak nie tylko zasilania gwarantowanego, nie mniej jednak to bardzo cenna uwaga – i w praktyce, przy podłączaniu odbiorów jednofazowych do takich układów należy dążyć do możliwie równomiernego ich obciążenia (a także ciągłego monitorowania obciążenia poszczególnych faz w każdej szafie z serwerami). Zasilacze bezprzerwowe dobiera się zwykle na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej (może nieco rozwiniemy ten temat w kolejnym artykule) przy założeniu właśnie równomiernego obciążenia – ale jak zauważył Zenek w praktyce nie do końca jest to możliwe. Generalnie każda faza może być nieco inaczej obciążona, jej współczynnik mocy może być inny. Przeciążenie tylko jednej fazy zasilacza trójfazowego to też przeciążenie i do tego nie należy dopuszczać. Pamiętajmy o tym, że mamy do czynienia z obwodami prądu przemiennego, sinusoidalnie zmiennego, a co za tym idzie posługujemy się wartościami skutecznymi (nie są addytywne), mocy pozornych (kVA) się nie sumuje, występują bardzo trudne do przewidzenia stany nieustalone/przejściowe itp. itd. Mam nadzieję, że pomimo pewnych uproszczeń razem z Zenkiem udało nam się zwrócić Państwa uwagę na złożoność zagadnienia związanego ze sprawnością zasilaczy UPS, a dokładniej na to, że w praktyce jest ona jednak inna niż mówią o tym karty katalogowe ze względu zarówno na poziom jak i charakter obciążenia. Jeśli jeszcze w każdym przypadku tak nie jest to myślę, że niebawem stanie się powszechną praktyką publikowanie przez producentów zasilaczy bezprzerwowych danych dotyczących sprawności swoich urządzeń przynajmniej dla wartości 25, 50, 75 i 100% obciążenia (także wartość sprawności przy 10% byłaby informacją przydatną) lub kompletnych wykresów (ale nie zapominajmy o tym, że nasze sumaryczne obciążenie i tak nie będzie identyczne z tym, przy którym producent dokonywał pomiarów).