Egyszeres áramellátásra tervezett készülékek üzemeltetése kettős áramellátású környezetben

Átírás

1 Egyszeres áramellátásra tervezett készülékek üzemeltetése kettős áramellátású környezetben Írta: Victor Avelar 62. tanulmány

2 Vezetői összefoglaló A kettős áramellátást biztosító rendszerek két tápegységgel és tápkábellel rendelkező készülékekkel való használata a legjobban bevált gyakorlati megoldás az iparágban. A legtöbb létesítményben azonban elkerülhetetlen néhány csupán egyszeres tápellátásra tervezett készülék üzembe helyezése. Az egyszeres tápellátású készülékek nagy rendelkezésre állást biztosító, kettős áramellátású adatközpontokba integrálására számos megoldás létezik. Ez a tanulmány a különféle megoldások közötti különbségeket taglalja, illetve útmutatást ad a leginkább megfelelő megoldás kiválasztásához. 2

3 Bevezetés A legtöbb nagy rendelkezésre állást biztosító adatközpont olyan áramellátó rendszert alkalmaz, amely egészen a kritikus terhelésekig terjedően kettős áramutat biztosít, valamint a legtöbb vállalati szintű IT berendezés redundáns tápegységet és két tápkábelt használ, amelyek révén a kettős áramút egészen az egyes berendezések belső árambuszáig terjed. Ezzel a megoldással a berendezés még akkor is tovább üzemelhet, ha valamelyik áramút egyik pontján meghibásodás lép fel. Az egyszeres áramellátásra tervezett készülékek jelenléte ugyanakkor gyenge pontokat iktat be az egyébként nagy rendelkezésre állású adatközpontba. Az egyszeres tápellátásra tervezett készülékek rendelkezésre állásának javítására gyakran használnak a redundáns ellátás előnyeit ezekre a készülékekre is kiterjesztő tápátkapcsolókat. Hibás alkalmazás esetén azonban ez a gyakorlat olyan leállásokhoz vezethet, amelyeket egyéként el lehetett volna kerülni. Az egyszeres tápellátásra tervezett készülékek áramellátásának kettős tápellátású környezetben való biztosítására alapvetően háromféle megoldás létezik. Ezek a következők: Áramellátás biztosítása az egyik áramútról 1a ábra Tápátkapcsoló beépítése a használati pontra; ennek segítségével ki lehet választani a kívánt áramforrást, és ennek leállása esetén át lehet váltani a másik útvonalra 1b ábra Nagyméretű, központi, kettős áramellátású tápátkapcsoló használata, amely egy külön árambuszon keresztül látja el az egyszeres tápellátású készülékeket 1c ábra 1a ábra Egyszeres ellátás 1b ábra Használati helyen elhelyezett tápátkapcsoló Elsődleges áramút Energiaelosztó egység Elsődleges áramút Energiaelosztó egység 1. UPS 1. transzformátor 1. kapcsolótábla Szerver 1. UPS 1. transzformátor 1. kapcsolótábla Másodlagos áramút 2. UPS Energiaelosztó egység 2. transzformátor 2. kapcsolótábla X Másodlagos áramút 2. UPS Energiaelosztó egység 2. transzformátor 2. kapcsolótábla Rackbe szerelt tápátkapcsoló Szerver Elsődleges áramút 1. UPS 2. UPS 1c ábra Központi tápátkapcsoló PDU STS-sel Statikus tápátkapcsoló Feszültségcsökkentő transzformátor Kapcsolótábla Szerver Másodlagos áramút 3

4 A tápátkapcsolók feladatai A tápátkapcsoló gyakran látott rendszerelem az adatközpontokban, feladatai a következők: 1. Az UPS-ek és az egyéb terhelések átkapcsolása áramkimaradás esetén hálózati ellátásról generátorosra 2. Átkapcsolás meghibásodott UPS-modulról hálózatra vagy másik UPS-re (kiépítéstől függően) 3. Kettős áramellátású rendszerben a kritikus IT terhelések átkapcsolása az egyik UPS kimeneti buszról a másikra Ebben a tanulmányban csak a harmadik funkcióval foglalkozunk. Ha minden IT terhelés képes lenne a kettős áramellátás fogadására, akkor erre az alkalmazásra nem is volna szükség. Tény, hogy a felső kategóriájú hálózati berendezések, tárolóeszközök és kiszolgálók teljes mértékben redundáns tápegységekkel és két tápkábellel rendelkeznek. Ennek ellenére, még az üzletvitel szempontjából nélkülözhetetlen létesítmények berendezéseinek is körülbelül százaléka egyszeres áramellátású. Ha egy egyszeres áramellátásra tervezett készüléket kettős áramellátású környezetben csak az egyik áramúthoz csatlakoztatunk, akkor a teljes környezet rendelkezésre állását lerontjuk. Az APC 48., Comparing Availability of Various Rack Power Redundancy Configurations (csak angolul) című tanulmánya szerint egy 100 százalékosan kettős áramellátású, redundáns és független áramutakkal rendelkező adatközpont tízezerszer kevesebb leállási idővel üzemel, mint egy egyszeres áramellátású. Tápátkapcsolók alkalmazásával vagyis a redundáns áramutakat közelebb hozva a terhelő készülékekhez ez a szakadék szűkíthető. A tápátkapcsolók típusai A jobb áramút kiválasztására használt tápátkapcsolók között két alapvető típust különböztetünk meg, a statikus és az elektromechanikus készülékeket. Mindkettő alapvető feladata az elsődleges áramforrás és egy alternatív áramforrás közötti kapcsolás. Bár a kétféle típus működésének eredménye azonos, ezt az eredményt más módon érik el. Mindkét kapcsolótípusnak egyedi jellemzői vannak, és ezek más-más alkalmazásoknál bizonyulnak előnyöseknek. Az egyes típusok működését az alábbiakban csak röviden foglaljuk össze, részletesebb ismertetésüket az A függelék tartalmazza. Statikus tápátkapcsolók (STS) Alkalmazási lehetőségek Statikus tápátkapcsolót (Static Transfer Switch, STS) jelenleg 5 kva 35 MVA közötti teljesítménnyel lehet kapni. Az STS-eket számos helyen használják, többek közt elektromos rendszerekben, autógyártó üzemekben, félvezetőgyárakban, olajfinomítókban és adatközpontokban. Ezek a kapcsolók jellemzően a kva teljesítménytartományba esnek, és általában két egymás mellé helyezett IT szekrény helyét foglalják el. Azokon a helyeken, ahol az elektromos hálózat kevésbé megbízható, mint az üzletvitelhez nélkülözhetetlen adatközpontokban ilyenek például az olajfinomítók, gyakorlatilag vitathatatlanok a statikus tápátkapcsolók alkalmazásának előnyei. Az adatközpontok elektromos rendszere ugyanakkor 4

5 jóval robusztusabb. Ezekben az esetekben az STS hozzáadásából fakadó megbízhatóságcsökkenéssel összefüggő hátrányok felülmúlják az általuk biztosított előnyöket. Egy 200 kva-es STS-re láthatunk példát a 2. ábrán. Az ilyen kapacitású statikus tápátkapcsolók elsősorban háromfázisú, nagyméretű, egyszeres áramellátású terheléseknél előnyösek, például CNC gépeknél és egyéb gyártó berendezéseknél. Bár léteznek nagyméretű, háromfázisú IT berendezések is, például tárolórendszerek, ezeket általában kettős áramellátásra és redundáns tápegységgel tervezik. A kettős áramellátású készülékek esetében a megbízható áramellátást és a magas rendelkezésre állást azt garantálja, hogy a kettős áramforrás közvetlenül a terhelő készülékhez csatlakozik. Az 5-10 kva tartományba első statikus átkapcsolókat általában 19 -os (483 mm-es), szekrénybe szerelhető házba építik. (3. ábra) Az ilyen típusú statikus átkapcsolókat jellemzően IT környezetben használják, például huzalozási helyiségekben és adatszobákban. Kisebb STS-eket alkalmazva el lehet kerülni, hogy egy-egy kapcsoló meghibásodása az adatközpont nagyobb részét érintse, illetve a leállásokat egyegy szekrény egyszeres tápellátásra tervezett készülékeire lehet korlátozni. A nagyobb kapacitású STSekkel ellentétben a szekrénybe szerelt átkapcsolók jobb méretezhetőséget és rugalmasságot biztosítanak. A kisebb kapcsolók beszerzési ideje rövid, így az IT-vezetőknek csak akkor kell megvásárolniuk őket, amikor ténylegesen szükség van rájuk. Emellett ezeket a kapcsolókat könnyen lehet telepíteni, és az IT környezet átalakításakor áthelyezésük sem okoz problémát. 2. ábra 200 kva teljesítményű STS 3. ábra Szekrénybe szerelhető STS Forrás: Forrás: 5

6 Működés Mint nevük is utal rá, a statikus kapcsolók mozgó alkatrészeket nem tartalmaznak. Ennek lehetőségét a félvezető technológia alkalmazása teremtette meg. A kapcsoló egy egyfázisú STS esetében lényegében két pár szilícium félvezető kapcsolóból áll, ezeket szilíciumos egyenirányítóknak (Silicon Controlled Rectifier, SCR), más néven tirisztoroknak hívjuk. Vezérlésüket egy érzékelő áramkör végzi. Amikor az áramkör észleli, hogy az elsődleges áramút kilépett a tűrési tartományból, akkor az elsődleges áramút kapcsolóját leválasztja, és csatlakoztatja a másodlagos áramút kapcsolóját. Az átkapcsolási idő általában nagyjából 4 ms, bár tényleges értéke a két forrás állapotától függően kicsit nagyobb is lehet. Meghibásodási módok Általában elmondhatjuk, hogy minél bonyolultabb egy rendszer, annál többféle módon hibásodhat meg. Az elektromechanikus átkapcsolókhoz képest a statikus átkapcsolók jóval bonyolultabbak, már csak a források közötti átkapcsolásokra vonatkozó döntések meghozatalának gyorsasága miatt is. ** Például a vezérlőnek mindkét oldalon számos értéket kell figyelemmel kísérnie, ide értve a fázisszögeket, a tirisztorok, a megszakítók, a feszültségek és az áramerősségek állapotát. Statikus tápátkapcsoló vezérlőjének meghibásodása A statikus átkapcsolókban bonyolultsága miatt a vezérlés a legkritikusabb elem. Ha a vezérlés nem küld további jeleket a tirisztoroknak, akkor azok alapállapotukban, vagyis nyitva maradnak ilyenkor nem vezetik az áramot, tehát a terhelések áramellátása megszakad. Ez az oka annak, hogy szinte minden statikus átkapcsoló redundáns vezérlést és tápegységet tartalmaz. A tirisztoros kapcsolók vezérlése egyedileg történik, tehát a vezérléshez négyféle általános hibamód adható meg. 1) A vezérlő a preferált kapcsolót zárva tartja, pedig ki kellene nyitnia. Ekkor a terhelések áramellátása megszakad, ha a preferált forrás nem képes ellátni őket. 2) A vezérlő a preferált kapcsolót nyitva tartja, pedig zárnia kellene. Ekkor a terhelések ellátása megszakad, ha az alternatív kapcsoló nyitva van, vagy ha az alternatív kapcsoló nem képes ellátni a terheléseket. 3) A vezérlő az alternatív kapcsolót zárva tartja, pedig ki kellene nyitnia. Ekkor a terhelések áramellátása megszakad, ha az alternatív forrás nem képes ellátni őket. 4) A vezérlő az alternatív kapcsolót nyitva tartja, pedig le kellene zárnia. Ekkor a terhelések ellátása megszakad, ha a preferált kapcsoló nyitva van, vagy ha a preferált kapcsoló nem képes ellátni a terheléseket. Tirisztorhiba A tirisztor nagy megbízhatóságú eszköz, ám ha mégis meghibásodik, akkor az esetek 98 százalékában rövidre zár, ami miatt a terhelések ellátása megszakad, ha az átkapcsoló hálózati ellátása megszűnik. A tirisztor rövidre zárásának felismerése rendkívül nehéz, ugyanis a rövidre zárt és a jó példány közötti ellenállás-, vagyis feszültségesés-különbség kisebb mint 0,5 volt. A vezérlés bonyolultsága emiatt is növekszik. 6

7 Kimeneti megszakító meghibásodás Ha a kimeneti megszakító nyit, holott erre nem volna szükség, akkor a terhelések áramellátása megszűnik. Egyes esetekben két megszakító alkalmazásával próbálják megelőzni, hogy egy megszakító hibája teljes leállást okozzon, ám ezek vezérlése bonyolult. Emberi hibából fakadó meghibásodás Mint minden az üzletvitel szempontjából nélkülözhetetlen rendszernél, az emberi tényező itt is gyakori hibaok. Figyelembe véve a statikus tápátkapcsolók bonyolultságát, valamint a különféle áramforrásokkal fennálló kapcsolataikat, az emberi hiba sokféle módon jelentkezhet. Néhány gyakoribb példa: - A kapcsolóbeállítások alulméretezése negatív helyi jellegű kölcsönhatásokat eredményezhet. - Az STS megkerülő megszakítóinak helytelen használata. Ha például valaki zárja a preferált kerülőági megszakítót, ám a preferált forrás nem áll rendelkezésre, akkor a terhelések áramellátása megszakad. - Helytelen karbantartás. Végül fontos megjegyezni, hogy a meghibásodási módtól függetlenül a nagyobb átkapcsolók a létesítménynek mindig nagyobb részében okoznak kiesést, mint a kisebb méretűek. Elektromechanikus átkapcsolók vagy automatikus átkapcsolók (ATS) Alkalmazási lehetőségek Az elektromechanikus kapcsolók, más néven automatikus tápátkapcsolók (automatic transfer switch, ATS) ilyen alkalmazási környezetekben a nagyteljesítményű relék fizikai korlátai miatt általában legfeljebb 10 kva teljesítményt kapcsolnak. Ez az oka annak, hogy az ilyen jellegű automatikus tápátkapcsolók a legtöbb esetben 1 egység magas készülékházba kerülnek. (4. ábra) A szekrénybe szerelhető STS-ekhez hasonlóan a szekrénybe szerelhető ATS-ek is több tíz vagy több száz helyett egyetlen szekrényre korlátozzák a kapcsolóhibák hatókörét. A szekrénybe szerelt ATS-ekre is jellemző a méretezhetőség és a rugalmasság. Kisebb súlya és mérete miatt azonban egy szekrénybe szerelhető ATS-t könnyebb telepíteni, mint egy STS-t. 7

8 4. ábra Szekrénybe szerelhető ATS Működés Az elektromechanikus kapcsolók működése elektromos és mechanikus jellemzőkre alapul. Az STS-ekhez hasonlóan rendelkeznek egy vezérléssel, mely folyamatosan figyeli mindkét bemeneti forrást. A terhelés átkapcsolása ebben az esetben egy relével történik. A relé egy mechanikus kapcsoló, a megfelelő állásban mágneses erő tartja. Amikor a vezérlés érzékeli az elsődleges forrás határértéken kívülre kerülését, megvonja a megfelelő relé áramellátását, aminek hatására egy rugó a másodlagos forrásra állítja a kapcsolót. Az ilyen típusú készülékek átkapcsolási ideje 8-16 ms közötti. Meghibásodási módok Az elektromechanikus átkapcsolók jóval kisebbek és egyszerűbbek a statikus átkapcsolóknál. Ennek elsődleges oka az, hogy az elektromechanikus kapcsolókat könnyebb vezérelni, valamint nem igényelnek áramforrások közötti szinkronizálást. A relé fizikai mozgása miatt az elektromechanikus átkapcsolók leginkább mechanikai jelleggel hibásodnak meg. Reléolvadás Az egyik lehetséges meghibásodási mód az, amikor a relé hozzáolvad az érintkezőhöz. Erre nagyfeszültség kapcsolásakor kerülhet sor, ilyenkor ugyanis magas hőmérsékletű ív alakul ki, ami összehegeszti a fém felületeket. Háromfázisú relében ez a jelenség egy vagy több relékapcsolót is érinthet. Vezérlőhiba Bár kisebb kapacitásoknál ritkán, de előfordulhat, hogy a vezérlő hibás kapcsolási döntést hoz. Előfordulhat például, hogy az elsődleges ellátás kilép a tűrési tartományból, és a vezérlő ennek hatására a másodlagos ellátásra kapcsol, ami viszont egyáltalán nem üzemel. 8

9 A vezérlő tápegységének meghibásodása A vezérlő tápegységének hibája szintén okozhatja a vezérlő rendellenes működését. Ha a tápfeszültség instabillá válik, akkor a vezérlő kiszámíthatatlanul kezdhet viselkedni, illetve előfordulhat, hogy egyáltalán nem reagál. Megszakítóhiba Egy fontos hibamód, melyet érdemes ismerni, az átkapcsoló kimenetét védő megszakítók meghibásodása. Ezek sokszor átlagos, megbízhatatlan darabok, és meghibásodásuk teljes leálláshoz vezet. Az IT készülékek tápegységei Hangsúlyozzuk, hogy mindkét említett típus rövid átkapcsolási idővel vagyis olyan időtartammal, amely alatt a terhelő készülékek nem kapnak tápellátást dolgozik. Az IT berendezések hogyan őrizhetik meg üzemi állapotukat az áramkimaradások során? A 79., Technical comparison of On-line vs. Line-interactive UPS designs (csak angolul) című tanulmány részletes választ ad erre a kérdésre, de a kényelem kedvéért a B függelékben is megismételtük a vonatkozó részt. Az IT készülékek kapcsolóüzemű tápegységeinek (Switch-Mode Power Supply, SMPS) képeseknek kell lenniük a rövid idejű zavarok elviselésére, egyébként nem is alkalmasak a szinuszos váltakozó áramú tápfeszültség felvételére. Az IEC nemzetközi szabvány megadja azoknak a feszültségzavaroknak a maximális nagyságát és időtartamát, amelyeket egy SMPS terhelésnek át kell vészelnie. Az Information Technology Industry Council (ITI, korábban Computer & Business Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) kiadott egy alkalmazási feljegyzést, mely ismerteti, hogy az információtechnológiai készülékeknek funkciójuk ellátásának megszakadása nélkül milyen burkológörbéjű bemeneti feszültségjellemzőket kell elviselniük AC input voltage envelope which typically can be tolerated (no interruption in function) by most Information Technology Equipment (ITE). Az 5. ábra az ITIC által megadott görbét szemlélteti. Leolvasható róla, hogy 20 ms-nyi nulla voltos kimaradás után a készülékeknek zökkenőmentesen tovább kell üzemelniük. A görbe és a feljegyzés a következő címen érhető el: 9

10 5. ábra Az ITIC által előírt görbe ITI (CBEMA) görbe (2000-ben kiegészítve) 500 A névleges feszültség százaléka (RMS vagy csúcsérték) Tiltott tartomány 120 V feszültségu egyfázisú eszköz feszültségtolerancia-burkológörbéje A muködés megszakadását nem okozó tartomány Folytonos határértékek Kárt nem okozó tartomány 0,01 c 1 ms 3 ms 20 ms 0,5 s 10 s Idotartam órajelciklusokban (c) és másodpercben (s) mérve A megfelelő tápátkapcsolók kiválasztása A nagyobb méretű statikus tápátkapcsolók jóval nagyobb kapacitásúak, mint a szekrénybe szerelhetők. Bár az adatközpontokban elhelyezett IT készülékek nagy része 6 kw alatti energiát igényel, vannak olyanok is, például a padlóhoz rögzített tárolórendszerek, amelyek ennél jelentősen nagyobb teljesítménnyel üzemelnek. Ilyen esetben nagyobb méretű statikus tápátkapcsolókat kell alkalmazni a berendezések redundáns áramellátásának biztosítására. Az ilyen méretű IT készülékek ugyanakkor az esetek túlnyomó részében redundáns tápegységgel és két tápkábellel rendelkeznek, vagyis statikus tápátkapcsolót nem igényelnek. Az 1. táblázat az egyes kapcsolótípusok kapacitását tartalmazza, így útmutatóként használható a megfelelő átkapcsoló kiválasztásához. A táblázatban további választási lehetőségként szerepel az, hogy nem használunk átkapcsolót. Az alábbi szakaszokban a választást befolyásoló egyes tényezőket részletesebben is áttekintjük. 10

11 TCO A birtoklási összköltség (Total Cost of Ownership, TCO) magába foglalja a vásárlásnál jelentkező beruházási költséget, az átkapcsoló vagy átkapcsolók telepítésének költségét, valamint a kapcsolók használatával összefüggő üzemeltetési költségeket. A témát az APC 37., Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra túlméretezéséből eredő többletköltségek elkerülése című tanulmánya tárgyalja részletesebben. Beruházási költség A nagyobb kapacitású, túlméretezett átkapcsolók kva-re vetített költsége nemcsak magasabb, de ezek bizonyos lehetőségek elmulasztását is okozzák, ami szintén költségekkel járhat. A nagyobb, 10 kva-nél nagyobb kapacitású statikus átkapcsolók általában fixen be vannak építve az épület elektromos infrastruktúrájába. A kisebb ATS-ek és STS-ek ellenben egyszerűen, villanyszerelő közreműködése nélkül is csatlakoztathatók a megfelelő aljzathoz. Üzemeltetési költségek Az üzemeltetési költségek az elektromos áram árát, a karbantartási kiadásokat és az adóterheket foglaljákmagukba. A statikus átkapcsolók a nagy számú összetevő miatt kevésbé hatékonyak, mint az elektromechanikusak. A hatékonyság akkor kerül előtérbe, amikor nagykapacitású átkapcsolókat csak kismértékben terhelünk. A karbantartási költségek a gyártó ajánlásaitól függően nagymértékben változhatnak, ám általában elmondható, hogy a statikus átkapcsolók karbantartási költsége bonyolultságuk és nagyobb alkatrészszámuk miatt magasabb, mint az ATS-eké. Az adózási vonzatokat általában figyelmen kívül hagyják az átkapcsolók kiválasztásakor, ám az adatközpont méretétől függően ezek is komoly megtakarítást eredményezhetnek. Az APC 115., Accounting and Tax Benefits of Modular, Portable Data Center Infrastructure (csak angolul) című tanulmánya részletesen is ismerteti, hogy a moduláris, hordozható elektromos készülékeket hogyan lehet tárgyi eszközzé minősíteni, és ezzel legális adócsökkenést elérni. Mindezek a lehetőségek az egyszerűen csatlakoztatható és áthelyezhető tápátkapcsolók esetében is kihasználhatók. Felügyelhetőség Az elektromos infrastruktúra felügyelhetősége az IT és távközlési hálózat integritása szempontjából alapvető fontosságú. A kritikus meghibásodások sokszor csak akkor mutatkoznak meg, amikor a kapcsolónak át kellene váltania az alternatív forrásra. Különösen a statikus átkapcsolók esetében kell kiemelt figyelmet fordítani rá, ezek ugyanis több meghibásodási móddal rendelkeznek, mint az elektromechanikusok. Az átkapcsolók távfelügyeletének lehetősége révén az IT vezetők és a létesítménykezelők figyelemmel követhetik a készülékek állapotát, naplózhatják az eseményeket, megváltoztathatják a beállításokat, firmware-frissítéseket hajthatnak végre, valamint elektronikus levélben és SNMP-n keresztül riasztásokat fogadhatnak. Az átkapcsolóknak biztosítaniuk kell a szabványos, HTTP (web), SNMP és telnet alapú távfelügyelet lehetőségét. 11

12 Átkapcsolási idő Az átkapcsolónak a kapcsolásokat IT és távközlési berendezések ellátásakor legfeljebb 20 ms alatt végre kell hajtania. A telepítés nehézsége Figyelembe véve az IT berendezések másfél-két évente végrehajtott megújításának gyakoriságát, az átkapcsolókkal szemben elvárás a gyors újrakonfigurálás lehetősége. Az egyszeres tápellátásra tervezett készülékek áthelyezésekor például az átkapcsoló könnyű átkonfigurálására is lehetőséget kell biztosítani. Megbízhatóság Általában igaz, hogy minél bonyolultabb egy rendszer, annál nagyobb az esélye nemcsak annak, hogy elromlik valamelyik összetevője vagy a vezérlése, de annak is, hogy emberi hiba történik. A statikus átkapcsolók eleve bonyolultabbak, mint az elektromechanikusok, ezért üzemeltetésükhöz és javításukhoz magasabb szintű szaktudásra van szükség. Az elektromechanikus kapcsolók egyik jellemző mutatója a relék által elviselt kapcsolások száma. Az ilyen környezetben alkalmazott reléket általában százezer kapcsolásra minősítik. Az adatközpontokban alkalmazott átkapcsolóknak évente átlagosan négy átkapcsolást kell végrehajtaniuk. A relék élettartama tehát az adatközpontokéhoz hasonlítva hosszú. A javítás minősége Amikor egy rendszer meghibásodik, az IT- vagy üzemeltetési vezető célja általában a teljes modul lecserélése gyárilag javított vagy felújított példányra. A szekrénybe szerelhető statikus és elektromechanikus átkapcsolók teljes egészében kicserélhetők, ellentétben a nagyméretű STS-ekkel, amelyeket helyben, minden esetben más és más körülmények között kell megjavítani. A statikus átkapcsolók ugyanakkor kerülő megszakítókkal is rendelkeznek, amelyek a terhelések fenntartása mellett is lehetővé teszik a karbantartások és a javítások elvégzését. Konfigurációtól függően a kisebb elektromechanikus kapcsolókat is ki lehet cserélni a kritikus terhelések leállítása nélkül. Forrásszinkronizálás Az áramforrások közötti váltásnál előfordulhat, hogy a források nincsenek egymással szinkronban, ami miatt károsodhatnak a kapcsoló után található készülékek, illetve beindulhatnak a megszakítók. Ennek valószínűsége a kapcsolási sebességgel és az átkapcsoló méretével arányosan növekedik. A nagyobb átkapcsolók tehát érzékenyebbek erre a problémára, mint a kisebbek. A szinkronból kiesett kapcsolás az elektromechanikus kapcsolók esetében a terhelő készülékek számára nem jelent gondot, viszont reléolvadást okozhat; ezért ezeknek a kapcsolóknak egy része egy további, az ívek kialakulásának megelőzésére szolgáló relét is tartalmaz. 12

13 Méretezhetőség Az adatközpontokban lévő berendezéseket átlagosan két évenként lecserélik, ám az adatközpont tervezett élettartama általában meghaladja a 10 évet. A felújítások alkalmával a vezetők számos különböző energiasűrűséggel, redundanciaszinttel, feszültséggel és csatlakozótípussal találkozhatnak. A méretezhetőség, más szóval skálázhatóság lehetővé teszi az igényeknek megfelelő méretezést, leegyszerűsíti a tervezést, valamint hozzájárul az ezekhez kapcsolódó, kezdő beruházási költségek csökkentéséhez. Minél nagyobb az átkapcsoló, annál nehezebb a folyamatos változásokat követni, azokhoz igazodni, különösen akkor, ha a leállásokat el kell kerülni. Kisebb átkapcsolókkal dolgozva a vezetők a kritikus rendszerek leállítása nélkül is válaszolni tudnak az üzleti elvárások változásaira. Egyszeres és többszörös tápellátásra tervezett rendszerek vegyes használata A legtöbb adatközpontban az IT berendezéseket üzleti folyamatok vagy részlegek szerint rendezik el, soha nem az egyszeres és a kettős áramellátásra tervezett készülékek elkülönítésével. Az adatközpontok szekrényeibe tehát általában egyszeres és kettős tápellátású készülékek vegyesen kerülnek. A kettős áramellátású készülékekhez általában két tápkábelre és két elosztóra van szükség. Az egyszeres áramellátású készülékek ezzel szemben csak egy tápkábelt és egy csatlakozó aljzatot igényelnek. Ez főként a nagyméretű, padlóra helyezett átkapcsolóknál válik problémává, hiszen egy-egy szekrénynek három különböző tápkábelt és elosztót is be kell fogadnia, amelyek viszont sokszor a hálózati kábelezéstől és maguktól a készülékektől veszik el a helyet. Alternatív megoldás, hogy a kisebb, szekrénybe szerelt átkapcsolókat közvetlenül tápláljuk a két tápkábelről és elosztóról, az egyszeres tápellátású készülékeket pedig közvetlenül az átkapcsoló aljzataihoz csatlakoztatjuk. 1. táblázat A három átkapcsolótípus jellemzői Jellemző Átkapcsoló nélkül Nagyméretű STS 20 kva 35 MVA Szekrénybe szerelt STS 5 10 kva Szekrénybe szerelt ATS 5 10 kva TCO 0/kW USD/kW USD/kW USD/kW Felügyelhetőség Átkapcsolási idő A telepítés nehézsége Nincs szükség felügyeletre Nincs átkapcsolási idő Nincs szükség telepítésre Általában egyedi protokollokkal Általában egyedi protokollokkal Általában szabványos protokollokkal 4 ms 4 ms 8 ms 16 ms Elektromos kábelezéssel Szekrénybe szerelhető / nincs szükség kábelezésre Szekrénybe szerelhető / nincs szükség kábelezésre Megjegyzés Egy szekrénybe szerelt STS megvásárlása körülbelül hatszor annyiba kerül, mint egy szekrénybe szerelt ATS-é. A legtöbb átkapcsoló alapesetben csatlakozóreléket tartalmaz, de kiegészítő jelleggel szabványos fel-ügyeleti lehetőséget is biztosít. Az IT berendezések 20 ms alatti átkapcsolási időt igényelnek. A nagyobb statikus átkapcsolók üzembe helyezését csak villanyszerelő végezheti. 13

14 Jellemző Átkapcsoló nélkül Nagyméretű STS 20 kva 35 MVA Szekrénybe szerelt STS 5 10 kva Szekrénybe szerelt ATS 5 10 kva Megjegyzés Megbízhatóság A 2N áramutak által biztosított megbízhatóság előnyei elvesznek MTBF = óra MTBF = óra MTBF = óra A statikus átkapcsolók több alkatrészt tartalmaznak és bonyolultabbak, mint az ATS-ek, viszont nem rendelkeznek mozgó alkatrészekkel. Az MTBF értékek iparági becslésekre alapulnak. Meghibásodási mód Nem alkalmazható Szakadás vagy fázisközi zárlat Szakadás vagy fázisközi zárlat Adott forrásra leragadva A szakadásoknál a terhelések ellátása megszakad. A fázis-közi zárlatoknál működésbe léphetnek a szekunder ági megszakítók. Javítás nehézsége Az elektromos rendszer üzem közben végzett karbantartására nincs lehetőség Helyszíni javítást igényel. Gyárilag javított darabra cserélhető. Gyárilag javított darabra cserélhető. A szekrénybe szerelt átkapcsolókat meghibásodás esetén általában új vagy javított egységre cserélik. Forrás szinkronizálás Nincs szükség a források szinkr onizálására A biztonságos átkapcsolásokhoz szükség van rá A nem szinkronizált átkapcsolás nem jelent különösebb problémát Nincs szükség a források szinkronizálására A fázison kívüli kapcsolás hátrányos hatásai a szekrénybe szerelt STS-eknél is jelentkeznek, ám az adatközpontnak csak egy kisebb részére korlátozódnak Méretezhetőség Nem alkalmazható Nincs méretezési lehetőség Méretezhető Méretezhető A szekrénybe szerelhető átkapcsolók rugalmasak, és képesek követni az adatközpont bővülését. Egyszeres és kettős tápellátású készülékek vegyes használata Szekrényenként csupán két betáplálásra van szükség az egyszeres áramellátású készülékek esetében semmilyen előnnyel nem jár Szekrényenként három betáplálásra van szükség Szekrényenként csupán két betáplálásra van szükség Szekrényenként csupán két betáplálásra van szükség A nagyméretű statikus átkapcsolókra épülő áramelosztó rendszer bonyolult kábelezést igényel, és értékes helyet foglal el. Megjegyzés: Kék háttérrel az adott jellemző tekintetében a legjobbat nyújtó megoldást emeltük ki. 14

15 Összegzés Az idő múlásával az adatok egyre fontosabbak és fontosabbak lesznek a vállalkozások számára, így nem lepődhetünk meg azon, hogy az üzletvitel szempontjából nélkülözhetetlen készülékek kettős áramellátást kapnak. Az IT-vezetők és a létesítménykezelők azonban továbbra sem találták meg a tökéletes választ arra a kérdésre, hogy hogyan biztosítsák a legjobb redundáns tápellátást a fennmaradó egyszeres tápellátásra tervezett készülékeknek esetleg egyáltalán ne biztosítsanak ilyet? Az egyszeres tápellátásra tervezett készülékek áramellátására 10 kva alatti teljesítmény esetén az optimális megoldás az, ha a redundanciát egészen a szekrényig biztosítjuk. Ezt szekrénybe szerelt STS-sel vagy ATS-sel érhetjük el. A tanulmányunkban szereplő kritériumok alapján az optimális választás a szekrénybe szerelt ATS használata. Néhány szó a szerzőről: Victor Avelar az APC a rendelkezésre állás témakörével foglalkozó mérnöke. Rendelkezésre állási tanácsadással és az ügyfelek elektromos rendszereinek és adatközpontjainak elemzésével foglalkozik. Victor 1995-ben szerezte gépészmérnöki diplomáját a Rensselaer Politechnikai Intézetben. Az ASHRAE és az American Society for Quality tagja. 15

16 A függelék Statikus tápátkapcsoló: a működés elméleti háttere A statikus átkapcsolók, más néven állandósult állapotú relék (solid state relays, SSR) két áramforrás közötti átkapcsolásra használt elektronikus készülékek. A nevükben szereplő statikus vagy állandósult jelző abból fakad, hogy elektronikus kapcsolóelemeket tartalmaznak. A kapcsolóelemeket szilíciumos egyenirányítóknak (Silicon Controlled Rectifiers, SCR) vagy tirisztoroknak nevezzük. A tirisztorok működésének megértéséhez először meg kell ismernünk a készítésükkor felhasznált anyaggal. Mint nevük is utal rá, a tirisztorok a szilícium nevű félvezető anyagból készülnek ugyanezt az anyagot találjuk a homokban és a kvarckristályokban is. A félvezető anyagok átmenetet képeznek az elektromos szigetelők és az elektromos vezetők között. A szigetelők megakadályozzák az elektromosság áramlását, a vezetők viszont szabad utat biztosítanak neki. Természetes állapotukban a félvezetők hőmérsékletüktől függően szigetelőkként és vezetőkként is viselkedhetnek. Ahhoz, hogy ezeket a vezetési tulajdonságokat jobban kézben lehessen tartani, a szilíciumot és az egyéb félvezetőket egy úgynevezett adalékolási eljárásnak szokták alávetni, amelynek során mesterségesen rontják az anyag tisztaságát. A szennyeződések révén a tirisztor már kis feszültség hatására is vezetővé válik. A tirisztor rajzszimbóluma és egy tényleges példány fényképe az A1 ábrán látható. A1 Tirisztor A tirisztor rajzszimbóluma Kapu Jégkorong tirisztor Katód Kapu Anód Katód Anód A tirisztor lényegében olyan szelepként funkcionál, amely az áramot csak egy irányba engedi folyni. A szívbillentyűkhöz hasonlíthatnánk, amelyek szintén csak egy irányba engedik áramlani a vért. A tirisztor bekapcsolásához, más szóval zárásához kis feszültséget kell a bázisára bocsátani, ekkor lehetővé válik az anód és a katód közötti elektromos áramlás. A tirisztor szelepe magától kikapcsol, vagyis nyit, amikor a váltakozó áram szinuszhulláma eléri a nullát. (Lásd az A2 ábrát.) Ezen a ponton a tirisztor vezetése megszűnik, ettől kezdve szigetelőként viselkedik, amíg újabb jelet nem kap a bázisára. A tirisztor semmilyen körülmények között nem engedi az áramot ellentétes irányba, a katód felől az anód felé áramlani. Így viszont hogyan lehet a váltakozó áramú szinuszhullám negatív és pozitív felét is kezelni? 16

17 A2 ábra Szinuszhullám 1. alternatív oldali tirisztor: a vezérlojel elküldve Nulla feszültség 2. alternatív oldali tirisztor: a vezérlojel elküldve Az egyetlen megoldás a teljes szinuszhullám átengedésére az, hogy egymással szembe fordítva két tirisztort használunk. (A3 ábra) Ekkor a második tirisztor bázisára vezérlő jelet bocsátva szabad utat engedünk az A2 ábrán látható szinuszhullám alsó, negatív felének. Az A2 ábra két teljes hullámának átengedéséhez tehát az első tirisztor a vízszintes tengely első és harmadik érintésekor nyit, a második tirisztor pedig a tengely második és negyedik érintésekor. Ebből már látható, hogy a statikus átkapcsoló vezérlőjének rendkívül gyorsan és megbízhatóan kell küldenie a bázisjeleket, legalábbis ameddig az elsődleges áramforrás elfogadható jellemzőkkel rendelkezik. Ha a hálózat 50 Hz-es váltakozó áramú (50 szinuszhullám másodpercenként), akkor a vezérlőnek minden másodpercben 100 bázisjelet kell kiadnia és ez csak egy egyfázisú statikus átkapcsoló. A statikus átkapcsolók túlnyomó része háromfázisú; ezekben a vezérlésnek másodpercenként és fázisonként 100 jelet kell kiadnia, ami összesen 300 jel másodpercenként. Az A3 ábra egy statikus átkapcsoló egyetlen fázisát ábrázolja. Egy háromfázisú statikus átkapcsoló preferált és alternatív oldala tehát 3-3 pár szembefordított tirisztort tartalmaz, vagyis összesen 12 darabot. Megjegyzés: a nagykapacitású átkapcsolók több sorozatot is tartalmaznak a fenti összeállításból, így összességében akár több száz tirisztort is magukba foglalhatnak. 17

18 A3 ábra Egyfázisú statikus tápátkapcsoló K Karbantartási kerülőág 1. forrás 2. forrás K VEZÉRLÉS K Szembefordított tirisztorok K Szembefordított tirisztorok Kimenet K Karbantartási kerülőág K Kirk kulcsos zár Ismerjük a tirisztorok működését és vezérlésüket, de a gyakorlatban a statikus átkapcsoló vajon hogyan hajtja végre az átkapcsolást az egyik áramforrásról a másikra? A válasz a tirisztorok működésében rejlik. Ne feledjük, hogy a tirisztor, ha bázisjelet kap, akkor addig vezeti az elektromos áramot, amíg a szinuszhullám el nem éri a nullát. Ezen a ponton az átkapcsoló vezérlése dönthet úgy, hogy az azonos oldali tirisztort kapcsolja be, de úgy is, hogy amennyiben az elsődleges forrást elfogadhatatlannak találja az alternatív oldal tirisztorát engedélyezi. Ezeket a döntéseket mikroszekundum nagyságrendű idők alatt kell meghozni, ellenkező esetben megszakadhat a terhelések áramellátása. A szekrénybe szerelt kapcsolókhoz képest a nagyobb átkapcsolókat még súlyosabban érinti ez a probléma, hiszen ezeknek több terhelés ellátását kell biztosítaniuk, és esetükben a szekunder ági rövidzárak előfordulásának is nagyobb az esélye. A szekunder ági rövidzár mellett végrehajtott átkapcsolás katasztrofális hatással lehet, ilyenkor ugyanis az üzemzavar a stabil áramútra is átterjed. Az egyéb döntések meghozatala mellett tehát a nagyobb átkapcsolóknak azt is figyelniük kell, hogy van-e rövidzár, és ha igen, nem szabad engedélyezniük az átkapcsolást. 18

19 Elektromechanikus vagy automatikus átkapcsolók (ATS): a működés elméleti háttere Ahol a statikus átkapcsolók tirisztorokat, ott az elektromechanikus kapcsolók reléket használnak a preferált és az alternatív áramforrás közötti átváltásra. A relék az elektromágnesek egyszerű és gazdaságos működésére alapulnak. A legegyszerűbb elektromágnest úgy készíthetjük, hogy egyszerűen rátekerünk egy huzalt egy szögre, majd a vezeték két végét egy akkumulátorhoz csatlakoztatjuk. (Lásd az A4 ábrát.) A csatlakozás létrehozása után áram fog folyni a tekercsben, és az mágneses mezőt hoz létre. A mágneses mező felmágnesezi a szöget, amivel fel tudunk venni más fémtárgyakat, például iratkapcsokat. A roncstelepeken üzemelő elektromágneses daruk pontosan ilyen elv szerint emelik fel az autókat, kivéve persze azt, hogy jóval nagyobb energiával üzemelnek, mint amit egy apró akkumulátor biztosítani tudna. A4 ábra Egyszerű elektromágnes Hogyan lehet tehát elektromágnes segítségével áramforrások között váltani? Az A5 ábráról könnyedén leolvasható a válasz. A relé két áramkörrel áll kapcsolatban: a működtető és a kapcsolt áramkörrel. Az elektromágnes a működtető oldalra esik, a reléérintkezők (C1 és C2) pedig a kapcsolt áramkörbe. Mivel az áram alá helyezett elektromágnes vonzza a közelében lévő fémtárgyakat, a forgórész közelébe helyezzük. A forgórész a relék esetében az elektromos érintkezők között mozgó fém alkatrész. Amikor az elektromágnesre áramot adunk, mágneses mezője magához vonzza és a C1 érintkezőhöz szorítva tartja a forgórészt, ezzel zárva az áramkört. Amikor az elektromágnes áramát elvesszük, a forgórésznek át kell kapcsolnia, és a C2 érintkezőhöz kell hozzányomódnia. Ezt a forgórész másik végén található rugó segíti. Így bármilyen körülmények közé kerüljön is, a forgórész a C1 és a C2 érintkező valamelyikével biztosan kapcsolatban lesz. 19

20 5A ábra Mechanikus relé rajza KÖZÖS TERMINÁL LÉTREJÖTT MÁGNESES MEZO ÉRINTKEZOK FEGYVERZET CSAPSZEG RUGÓ TEKERCS JELFOGÓTEKERCS TERMINÁLOK A statikus tápátkapcsolóhoz hasonlóan az ATS-nek is szüksége van egy vezérlőre, amely folyamatosan figyeli az elsődleges és a másodlagos áramforrás által biztosított ellátást. Vezérlése ugyanakkor jóval egyszerűbb, mivel nem kell másodpercenként több száz alkalommal bázisjelet kiadnia. A vezérlőnek mindössze az elsődleges és a másodlagos áramforrást kell figyelnie, és el kell döntenie, hogy mikor adjon vagy ne adjon áramot a relének. 20

21 B függelék Az IT készülékek és a váltakozó áram: hogyan működnek a kapcsolóüzemű tápegységek? Az IT berendezések hogyan őrizhetik meg üzemi állapotukat az áramkimaradások során? Először vegyük az elektromosság előállításának módját. A hálózatról kapott és a tartalék generátorok által előállított elektromosságot váltakozó áramú elektromosság formájában továbbítjuk. A váltakozó áram pozitív és negatív ágak között váltogat, ideális esetben szinuszhullámot leírva, a nulla voltos feszültséget ciklusonként kétszer érintve. Puszta szemmel nem észlelhető ugyan, de egy hálózati feszültségre kapcsolt villanyégő másodpercenként 100 vagy 120 alkalommal kialszik (50 vagy 60 váltakozó áramú ciklus), ahogy a feszültség a polaritásváltások alkalmával eléri a nullát. De vajon a számítógépes berendezések is kikapcsolnak másodpercenként száz vagy még több alkalommal, ahogy a vonali feszültség polaritást vált? Egyértelmű, hogy itt egy megoldásra váró probléma merül fel. A megoldás gyakorlatilag minden korszerű IT berendezés esetében a kapcsolóüzemű tápegység (Switch-Mode Power Supply, SMPS) használata. 1 A kapcsolóüzemű tápegység először a váltakozó áramot minden rendellenes összetevőjével (feszültségtüskék, torzítás, frekvenciaváltozások stb.) együtt egyenletes egyenárammá alakítja. A folyamat során feltöltésre kerül egy energiatároló egység, amit kondenzátornak nevezünk, és amely a váltakozó áramú bemenet és a tápegység egyéb részei között helyezkedik el. A váltakozó áram ciklusonként két lökettel tölti fel a kondenzátort, amikor a szinuszhullám eléri negatív és pozitív csúcsértékét, és olyan gyakran kerül kisütésre, amilyen gyakran azt a szekunder oldali áramkör megköveteli. A kondenzátort úgy tervezik, hogy a normál váltakozó áramú impulzusokat, valamint a rendellenes feszültségtüskéket tervezett élettartama során egyaránt folyamatosan képes legyen felvenni. A villogó égővel szemben tehát az IT berendezések folyamatos egyenárammal üzemelnek, és nem a hálózaton kapott, pulzáló váltakozó árammal. A tápellátás biztosítása azonban nem fejeződik be ennyivel. A mikroelektronikai áramkörök alacsony, 3,3; 5; 12 stb. voltos egyenáramot igényelnek, miközben a kondenzátorról kapott feszültség akár a 400 voltot is elérheti. Az SMPS feladata az is, hogy ezt a nagyfeszültséget pontosan szabályozott, kisfeszültségű egyenáramú kimenetté alakítsa. A feszültségcsökkentés közben az SMPS még egy fontos feladatot ellát: galvanikus leválasztást biztosít. A galvanikus leválasztás két áramkör fizikai elválasztását jelenti, és kettős célt szolgál. Az első a biztonság, az áramütések elleni védelem. A második a készülék védelme a károsodástól és a közös módusú feszültségek és zajok nyomán kialakuló működési zavaroktól. A földelésről és a közös módusú feszültségről bővebben az APC 9., Common Mode Susceptibility of Computers (csak angolul) című és 21., Neutral Wire Facts and Mythology (csak angolul) című tanulmányában lehet olvasni. 1 A kapcsolóüzem a tápegység belső felépítésére utal, amivel ezen a helyen nem foglalkozunk. 21

22 Ahogy a kapcsolóüzemű tápegységek átugorják a váltakozó áram szinuszhullámának csúcsai közötti időszakokat, úgy az egyéb rendellenességeket és a tápegység áramellátásának rövid idejű kimaradásait is átvészelik. Az IT készülékek gyártói számára ez egy rendkívül fontos jellemző, ők ugyanis olyan készülékeket akarnak készíteni, amelyek UPS hiányában is működőképesek. Egyetlen készülékgyártó sem fogja veszélyeztetni termékeinek minőségét, teljesítményét és jó hírnevét azzal, hogy a legkisebb rendellenességek elviselésére sem képes tápegységeket alkalmaz. Mindez a felsőbb kategóriájú, általában jobb minőségű tápegységekkel ellátott hálózati és számítógépes eszközök esetében fokozottan érvényes. A zavarok átvészelésére vonatkozó képességet úgy szemléltethettük, hogy erős terhelés alá helyeztünk egy átlagos számítógép-tápegységet, majd megszüntettük váltakozó áramú tápellátását. Ezután figyeltük, hogy a tápegység a kimenetén a váltakozó áramú ellátás megszűnése után mennyi ideig volt képes elfogadható feszültségszintet szolgáltatni. Az eredmény a B1 ábrán látható. Az ábrán látható grafikonok a tápegység bemenő feszültségét, a bemenő áramerősséget és az egyenáramú kimenő feszültséget adják meg. B1 ábra Tápegység átvészelési képessége Bemeneti feszültség Bemeneti áramerosség 18 ms Az egyenáramú kimenet összeomlik Felső görbe: A tápegység kisfeszültségű, egyenáramú kimenete A bemeneti váltóáram megszakad Középső görbék: Bemeneti feszültség és áram A váltakozó áramú ellátás megszűnésekor az erősen leterhelt számítógépes tápegység kimenete ugyan összeomlik, de csak számottevő késleltetés után. Az áramellátás megszakadása előtti bemenő feszültség a B1 ábra bal oldalán látható szinuszhullám. A bemenő áram a tüskés vonal a feszültséggörbe alatt egy-egy rövid impulzus a feszültség pozitív és a negatív csúcsértékénél. A tápegység kondenzátora csak ezen rövid áramimpulzusok ideje alatt töltődik. A fennmaradó időben az áramellátást a kondenzátor töltése biztosítja. A tápegység kimenetén mérhető egyenáramú feszültséget a B1 ábra felső grafikonja adja meg. Érdemes megjegyezni, hogy a kimenő feszültség a váltakozó áramú ellátás elvétele után még 18 ms-on keresztül pontosan szabályozott marad. Az APC számos különböző számítógép és egyéb IT berendezés tápegységét vizsgálta meg, és minden esetben hasonló eredményeket kapott. Ha a tápegység kisebb terhelés alatt üzemel, akkor az átvészelési idő jóval hosszabb lesz, ugyanis a kondenzátor töltésének kisütése lassabban történik meg. 22