Модулни UPS системи

За по-голямата част от съвременния бизнес системите за непрекъсваемо токозахранване (UPS) са станали по-скоро задължителни, отколкото опция. Същевременно, освен пред необходимостта от по-добра защита от своите UPS устройства, потребителите са изправени и пред бюджетни ограничения, както и натиск за по-висока екологосъобразност. За щастие, благодарение на технологичния напредък в областта на силовата електроника на пазара се появява модулната UPS топология, която осигурява нужната на потребителите защита на захранването по по-ефективен и икономичен начин.

Днес, за да бъдат конкурентни в бизнеса, много организации зависят изцяло от това тяхното информационно и комуникационно оборудване да е в непрекъсната експлоатационна готовност. Обикновено дейността на тези компании продължава 24/7 и включва обработка на онлайн транзакции на национално и международно ниво. Връщането към ръчни операции в случай на голяма повреда в оборудването вече не се смята за жизнеспособна алтернатива. Залозите са много по-големи, с много по-сериозни последствия за компаниите, а защитата и сигурността на съхраняваните данни са от изключително значение.

В по-широк план нуждата от експлоатационна достъпност в действителност е изискване за наличието на непрекъсваемо токозахранване, необходимо когато качеството и надеждността на основните захранващи линии са по-ниски и е вероятно да се влошат още. Безспорно защитата на непрекъсваемото захранване е жизненоважна, но ключови фактори вече са и разходната, и енергийната ефективност. В допълнение към необходимостта от спазване на изискванията на все по-строгото законодателство, организациите се нуждаят и от добро представяне пред клиентите, акционерите, служителите и медиите в екологично отношение. Затова реалният проблем при избора на UPS е да се намери решение, което да осигури най-добрата възможна защита на захранването на минимална цена и с оптимална енергийна ефективност.

Модулната топология и нейните предимства

Все по-често UPS с модулна технология е решението, което помага на операторите да се справят с описаните предизвикателства. Монолитните онлайн UPS системи с двойно преобразуване използват токоизправител, за да конвертират входното АС напрежение на мрежата до DC напрежение, което се използва за зареждане на резервната батерия на UPS и за захранване на инвертор за обратно конвертиране до чиста изходна AC вълна. Въпреки това е необходим и трансформатор, който да повиши изходния сигнал на инвертора до нужното за критичния товар ниво.

С напредъка в силовата електроника обаче и създаването на биполярните транзистори с изолиран гейт (IGBT) става възможно прилагането на различен подход, без трансформатор. При обичайния дизайн, базиран на IGBT, постояннотоков преобразувател усилва изходния ток от изправителя до много по-високо ниво, което позволява на инвертора директно да генерира АС напрежение, достатъчно, за да се отговори на критичния товар. В този случай трансформатор не е необходим.
Много от предимствата на UPS произтичат директно от безтрансформаторната схема.

Те включват по-добра ефективност, по-висок входящ фактор на мощността, по-ниски смущения на входния ток от хармоници, намалени капиталови и оперативни разходи, по-ниски нива на шум и удължен живот на батерията. В допълнение, елиминирането на трансформатора води също и до значително намаляване на физическия размер и теглото. Например площта, която заема една система 120 kVA, спада от 1,32 m2 до 0,53 m2, докато теглото намалява от 1200 kg до 370 kg.

Това редуциране на габаритите и спестените разходи дават възможност за различна, модулна конфигурация, при която критичният товар се захранва чрез няколко по-малки UPS, работещи в паралел, а не с една голяма монолитна система. Тази модулна топология предлага допълнително подобряване на ефективността, както и големи предимства като гъвкавост, експлоатационна достъпност, ограничаване на времето на престой и по-лесна поддръжка.

Как потребителите могат да се възползват най-добре от тези предимства може да бъде илюстрирано със следния пример. В конкретния случай център за данни изисква 120 kVA захранване, както и наличие на резервирана UPS конфигурация (поради критичното си естество), която ще продължи да осигурява захранване, дори и при отказ на едно от устройствата. Такова изискване може да се изпълни от два монолитни UPS шкафа от по 120 kVA, които си поделят натоварването. При отказ на едно от устройствата, другото разполага с достатъчно капацитет, за да поддържа товара от 120 kVA, докато неизправният UPS бъде ремонтиран.

Друга алтернатива включва използването на един-единствен шкаф, съдържащ четири модулни UPS от по 40 kVA. Това също е резервирана система, защото ако един 40 kVA модул отпадне, остават три модула, които заедно имат капацитет 120 (3x40) kVA – достатъчен, за да захрани критичния товар. В действителност и двете системи могат да се определят като N+1 резервиращи системи, където N е броят на UPS модулите, необходими за захранване на критичния товар (един в примера със самостоятелен шкаф и три в примера с модулна система).

Допълнителният +1 модул осигурява гъвкавост на UPS инсталацията, благодарение на която отказът на един UPS модул няма да бъде регистрирано от товара. Допълнително резервиране или гъвкавост могат да бъдат осигурени, ако товарът го изисква. Могат да се изградят системи с резервиране N+n, където n е броят на резервните модули.

Първото и най-очевидно предимство на модулната система е, че тя е по-малка и се реализира само в един шкаф, докато иначе са необходими два. Това е съществена икономия за съвременните центрове за данни, при които пространството става все по-ценно. Има обаче още много други ползи, една от които е енергийната ефективност. В примера с два отделни шкафа всеки UPS модул при нормална експлоатация захранва половината от товара, 60 kVA, което е 50% натоварване. От друга страна, всеки 40 kVA модул е по-тежко натоварен до 75% от капацитета си. Поради факта, че ефективността на UPS се увеличава с товара, в допълнение към подобрената ефективност спрямо дизайн без трансформатор, модулните системи постигат до 96% ефективност в сравнение с 91% при монолитните. Тази подобрена ефективност не само намалява директните енергийни разходи, но и допринася за допълнителни икономии от понижени разходи за охлаждане.

Друго предимство е повишената експлоатационна достъпност. Достъпността на всеки UPS модул може да бъде дефинирана като отношението между неговия среден период от време между отказите (MTBF) и средното време, необходимо за ремонт (MTTR). И докато за монолитно UPS устройство обикновено са необходими 6 часа за ремонт, то някои модули могат просто да бъдат подменени за по-малко от половин час.

Това намалено MTTR предоставя възможност за смяна на модула без изключване и достъпност от 99,9999%, дори без гъвкавостта, осигурена от конфигурацията N+1. Това ниво на защита срещу отказ на захранването е ключово за потребителите, но допринася и за увеличаване на икономията на разходи. Разходите за поддържане на наличност на специални части на склад също се понижават, а необходимостта от висококвалифицирани техници на обекта се елиминира.

През експлоатационния живот на UPS инсталацията възможността за надграждане може да се окаже допълнително предимство на модулната топология. Ако се допусне, че товарът от примера се промени от 120 до 150 kVA, поставянето на още един 40 kVA модул ще възстанови N+1 състоянието на резервиране без съществено увеличаване на натоварването на UPS или прекъсване на захранването на товара, т. е. непрекъсваемото захранване остава правилно оразмерено.

По-нататъшен ръст на товара може лесно да бъде посрещнат чрез допълнително увеличаване на броя на отделните модули в UPS системата. Капацитетът на шкафа по отношение на допълнителни модули е познат като възможност за вертикално надграждане на UPS системата. Ако този капацитет се изчерпи, може да се премине към хоризонтално надграждане чрез добавяне на още ракове.

От друга страна, добавянето на друг монолитен UPS 120 kVA винаги ще е свързано с необходимостта от допълнителна площ, полагане на още кабели и затруднена инсталация. Разликата между kVA на товара и капацитета на UPS устройствата също може да се увеличи, което може да доведе до понижаване на енергийната ефективност на системата.

Предимства по отношение на разходната ефективност

Модулната топология осигурява сигурно захранване с висока експлоатационна достъпност и ефективност, но тя е също и икономична. Въпреки че първоначалните капиталови разходи за модулна система обикновено са 10-15% по-високи от тези за еквивалентна по капацитет монолитна система, картината бързо се променя, когато се вземат предвид общите разходи за притежание (TCO). Подобрената енергийна ефективност, както и другите спестявания означават, че допълнителните разходи за модулна система ще бъдат възстановени в рамките на първата година от експлоатацията й. Размерът на дългосрочните разходи също е в полза на модулната система.

Разликите в разходите стават ясни непосредствено след закупуване на системата. Монолитната система с трансформатори ще тежи до два или три пъти повече от модулното решение без трансформатор. Това може да увеличи транспортните разходи с до 50% или повече. При пристигане на обекта монолитната система, съставена от две устройства, обикновено се нуждае от два до три пъти повече площ, а разходите за инсталирането й са до 50% по-големи.

Веднъж пусната в експлоатация, модулната система понижава не само разходите за енергия, както беше обяснено по-рано, но предоставя възможност за реализиране и на други спестявания. Разходите за поддръжка намаляват няколко пъти. Работата с традиционна система, с нейните по-големи размери и скъпи конструктивни елементи, изисква много повече време, отколкото модулната система. Отделните компоненти на модулната система са по-малки, което улеснява работата с тях и подмяната им. Икономиите на разходи, свързани с поддръжката, могат да достигнат до 10%.

Други фактори са свързани с поддържането на наличност на резервни части на склад и логистиката. Монолитните системи трябва да бъдат ремонтирани на място чрез диагностика и подмяна на ниво компонент. Определянето на разходно ефективна наличност на склад на ниво компонент за няколко UPS устройства може да бъде трудно, а поддържането на такъв запас допълнително създава разходи за управление и логистика.

Дори тогава няма никаква гаранция, че точната критична част ще е налична, когато е необходима. За разлика от това, модулните решения могат да бъдат ремонтирани на ниво модул чрез подмяна, без да е необходимо изключване на системата. Това, освен че рязко намалява времето за ремонт, в голяма степен опростява съхранението на склад и управлението на резервни части.

Складовите наличности може да се сведат до един резервен модул и дори в обекта да има различни диапазони на мощността, съхраняването на склад на модул с най-висока kVA стойност като резерв ще покрие всички възможни нужди. Този подход позволява икономии до 50% от разходите за логистика и управление на наличностите.

Подмяната на ниво модул намалява разходите за обучение, както и времето за ремонт. Замяната на модул може да се извърши и от по-нискоквалифицирани техници, отколкото е необходимо за диагностика и ремонт на ниво компонент. Тези техници могат да работят със системи с различни мощности, но с една и съща архитектура и режим на работа. От друга страна, техниците, отговорни за поддръжката на монолитни системи, обикновено не само се нуждаят от задълбочени познания, но те трябва също и да разширяват тези знания, за да покриват многообразие от системи, които са с различен дизайн. Елиминирането на необходимостта от специализирани техници и обучение може да спести до 67% от разходите.

Недостатъци

Недостатъците на модулните системи са условни и зависят от няколко фактора. При по-малките модулни системи (до около 120 kVA) има тенденция да се инсталират “в редица” като допълнителни шкафове. Това означава допълнително пространство и тегло в машинното помещение.

В зависимост от това колко редици шкафове са инсталирани така и как са опроводени техните разпределителни вериги, може да се регистрира и загуба на мащабируемост, тъй като допълнителният капацитет от един UPS може да не е лесно достъпен за друга част от системата, която се нуждае от него. Това може да се компенсира в някаква степен като UPS модулите се преместят там, където има нужда от тях, ако големината на шкафа го позволява. Но презапасяването с 80 kVA в ред, който никога няма да се нуждае от повече от 30 kVA, просто не е разходно ефективно решение.

Друг фактор включва присъщото резервиране на повечето модулни системи. Ако шкафът е запълнен изцяло, тогава няма никакъв проблем. Ако обаче шкафът не е изцяло запълнен, мощността трябва да се управлява така, че винаги да има неизползван капацитет, равен на този на поне един модул. В противен случай резервирането се губи.

Най-големият дебат, свързан с модулните UPS, е по отношение на надеждността. Добре известно е, че колкото повече части има в която и да е система, толкова по-голяма е вероятността нещо да се повреди.

Привържениците на традиционните UPS може да оспорят това твърдение, но производителите на по-нови модулни системи разполагат с доказани експерти, които извършват статистически анализ на техните системи и могат да предоставят теоретични и практически данни, оборващи конвенционалната теория. Факт е, че всички съвременни UPS системи от основните доставчици се отличават с висока надеждност.