A számítástechnikában alkalmazott generátorok alapelvei

A számítástechnikában alkalmazott generátorok alapelvei

Írta: Robert Wolfgang

93. tanulmány

Összefoglaló Minden informatikusnak, aki számítástechnikai eszközök működtetéséért felel, gondoskodnia kell róla, hogy az adatközpont vagy a hálózati helyiség fel legyen készítve hosszabb áramkimaradásokra. A készenléti generátorrendszerek működésének és alapelveinek megértése szilárd alapot nyújt az informatikusoknak a kritikus berendezések sikeres tervezéséhez, üzembe helyezéséhez és üzemeltetéséhez. Ez a tanulmány bemutatja a készenléti generátorokat és alrendszereket, melyek ellátják elektromos energiával a géppark kritikus fogyasztóit, amikor a hálózati áramforrás erre nem képes.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

2

Bevezetés A készenléti generátorrendszer két alapvető alrendszerből áll: a generátorból (1), amelynek részei az elsődleges hajtómű, a váltóáramú generátor illetve a vezérlőegység, és az elosztó rendszerből (2), amelyet az automatikus átkapcsoló (ATS), a kapcsoló-berendezések és az elosztó alkot. Az 1. ábrán egy tipikus készenléti generátor látható. Ez a tanulmány elmagyarázza ezt a három alrendszert és működésüket, ugyanakkor ez csak egy, a fejlettebb generátorrendszerekről szóló, APC rendszerekkel kapcsolatos tanulmánysorozat bevezetője, és célja a témával mélyebben foglalkozó olvasók részére segédanyagot nyújtani.

1. ábra – Készenléti generátor

Generátorrendszer vásárlásakor mindenképp érdemes figyelembe venni a mai rendszerek által nyújtott technológiai előnyöket és a megbízhatóság és a funkcionalitás terén az elmúlt 10–15 évben történt figyelemreméltó fejlődést. A régebbi generátorrendszerek utólag gyakran átalakíthatók az aktuális követelményeknek megfelelően. A létfontosságú berendezéseket ellátó generátorrendszerek követelményrendszerével az APC 90-es számú, „Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centers” című tanulmánya foglalkozik.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

3

Az elsődleges hajtómű: a belső égésű motor Mi a belső égés? Belső égésű motor hajtja például a mai autókat. A belső égésű motor a XX. század második felének köztiszteletben álló igáslova, amely az új évezredben is megőrizte szerepét. Egyszerűen szólva a belső égésű motor mozgó alkatrészei segítségével az üzemanyagot mechanikai mozgássá alakítja. A motorban a kívülről jövő levegő összekeveredik az üzemanyaggal, a mozgó alkatrészek begyújtják ezt a levegő–üzemanyag keveréket, így szabályozott robbanást hoznak létre a hengereknek nevezett üregekben. Bár több fajtája van a belső égésű motornak, készenléti generátorrendszerekben a legelterjedtebb a négyütemű változat. Ezt azért hívják négyüteműnek, mert a gyújtási ciklus négy elkülönülő szakaszból áll. Ezek a szakaszok a levegő–üzemanyag keverék beszívása, a keverék sűrítése, a gyújtás más néven robbantás és a kipufogás. A generátorrendszerekkel kapcsolatban a belső égésű motort elsődleges hajtóműnek nevezik. A következő szakasz az elsődleges hajtómű alapvető jellegzetességeit írja le.

Üzemanyag Négy fő üzemanyagtípust használnak belső égésű motorokban.Ezek a dízelolaj, a földgáz, a cseppfolyós PB-gáz és a benzin Az üzemanyagtípus megválasztása olyan paraméterektől függ, mint például a tárolási lehetőség, az ár és a hozzáférhetőség.

Égéstermék, károsanyag-kibocsátás és zaj A generátorrendszerből származó égéstermékek és hang jelentős lég- és zajszennyezési problémát okoznak. A zaj csökkentésének és az égéstermékek elvezetésének elvével ellentétben a környezetvédelmi és szabályozási rendelkezések cseppet sem magától értetődőek. Az EGSA (Electrical Generating Systems Association – Elektromos Generátorrendszer Egyesület) nemzetközi szervezet, amely rengeteg információt nyújt a károsanyag-kibocsátással és más készenléti generátorrendszerekkel kapcsolatos kérdésekben. A generátor használatának időtartama, a környezetvédelmi törvények és az építési engedélyek nagyban függnek az adott helytől. A United States Federal Environmental Protection Agency (EPA – Az Egyesült Államok Szövetségi Környezetvédelmi Ügynöksége) például az állomok saját törvényhozásának hatáskörébe utalta azt, hogy hogyan érik el az országos szintű levegőminőségi célkitűzéseket. Más országoknak is van hasonló szerepet betöltő, a generátorok károsanyag-kibocsátását szabályozó testülete. Az Egyesült Királyságban például a Környezetvédelmi, Élelmezésügyi és Vidékfejlesztési Minisztérium (Defra – Department for Environmental Food and Rural Affairs) határozza meg a környezetvédelmi irányelveket. Indiában pedig a Környezetvédelmi és Erdőgazdálkodási Minisztérium tölti be ezt a szerepet. Ha az üzem olyan területen van, ahol szigorú szabályok érvényesek, lehet, hogy a generátorrendszer kibocsátási specifikációját is be kell nyújtani az engedélyeztetés folyamán. Az iparágban dolgozók általában jól ismerik a helyi engedélyezési folyamatot.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

4

A zajszennyezés a másik probléma, amely a hatósági engedélyezés folyamán felmerül. A zajszennyezéshez kapcsolódó helyi rendelkezések általában egy 24 órás periódusban megfigyelhető legnagyobb háttérzajhoz viszonyítanak. A kipufogódobok felhasználásuk szerint három csoportba oszthatók: ipari, lakóterületi és kritikus. A kritikus felhasználású biztosítja a legjobb hangtompítást. Az utólagos átalakítás elkerülése érdekében ajánlott a rendszer zajszintjének vásárlás előtti ellenőrzése, és még a tervezési fázisban, a számadatokkal a területi hatóságok felkeresése. A mechanikus rezgések ugyancsak befolyásolják a tényleges és a környezetben élők által érzékelt teljes zajszintet. A zajszint csökkentésére léteznek megfelelő rögzítési és szigetelési technikák. Miután a generátorokra általában helyhatósági engedélyt kell kérni, az esztétikai követelmények a harmadik fontos téma, amit mindenképp meg kell említeni. Néhol a helyhatósági szervek követelményeket támasztanak a generátor elhelyezésével kapcsolatban, például megkövetelhetik, hogy a generátor beton vagy téglaépítményben helyezkedjen el, amely megjelenésében a főépülethez illik. Ez észrevehetetlenné és a környezet összképe szempontjából semlegessé teszi a generátort.

Légcserélő rendszer Fontos, hogy a friss, hűvös levegő motorhoz áramlását a helyiség kialakítása elősegítse. Ajánlott továbbá a dolgozók komfortjához bőséges friss levegő biztosítása. Ehhez legtöbbször nagy szellőzőnyílásokra, esetleg kiegészítő ventillátorokra van szükség. Még azt is biztosítani kell, hogy ne juthasson eső, hó vagy törmelék a rendszerbe.

Hűtés A generátorrendszerek fő hajtóművének hűtésére legtöbb esetben, a gépkocsikban használatos megoldáshoz hasonló bordás hűtőrendszert alkalmaznak. Egy ventillátor juttatja a szükséges mennyiségű levegőt a hűtőbordákra a motor mérsékelt hőmérsékleten tartásához. A felesleges hőt a hűtőborda felületével megegyező kiterjedésű csőrendszer vezeti el a rendszerből. A bemeneti szellőzőnyílás (zsalus szellőzőnyílás a helyiségen) általában 25–50%-kal nagyobb a csőrendszernél. A megbízható működés biztosításához a hűtőrendszer precíz karbantartása elengedhetetlen. Megfelelő teljesítmény eléréséhez a hűtőcsövek állapotát, a hűtőfolyadék szintjét, a szivattyú működését és fagyvédelmet gondosan ellenőrizni kell.

Olajozás A modern négyütemű motorokba olyan szűrőrendszereket szerelnek, amelyek a kenőolajat külső szűrőkön áramoltatják át, így megakadályozzák, hogy a szennyeződések a mozgó alkatrészekben és a csapágyakban kárt tegyenek. Kiegészítő olajtartályok biztosítják a megfelelő olajszintet, és külső olajhűtő berendezések gátolják meg a kenőrendszer magas hőmérséklet miatt bekövetkező meghibásodását.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

5

Szűrők: levegő és üzemanyag A fő hajtómű megbízható működése szempontjából a levegő és az üzemanyag kritikus tényezők. A helyesen ütemezett karbantartás elengedhetetlen. Olyan teljesítménykritikus felhasználások esetén, ahol a hosszú távú működést mindenképp biztosítani kell, nagy előnyt jelent kettős redundáns üzemanyag-vezetékekkel és szűrőkkel szerelt rendszerek alkalmazása. Ez az előny abból származik, hogy az üzemanyag-vezetékek és a szűrők lezárhatók és átválthatók a motor működése közben. Amennyiben nem állnak rendelkezésre cserealkatrészek a rendszer rövid élettartamú elemeinek pótlására, akár üzemkimaradással is számolni kell. A szűrők proaktív felügyeletét nyomáskülönbség-jelzőkkel oldják meg. Ezek a motor működése közben két szűrőn vagy két üzemanyag-vezetékben uralkodó nyomás közötti különbséget mutatják ki. Légszűrőkkel kapcsolatban ezeket a proaktív figyelőeszközöket korlátozott-légáramlat jelzőknek nevezik. Ezek a motor működése közben vizuálisan jelzik, hogy a légbeszívó nyílásokon lévő száraz szűrőket ki kell cserélni.

Indítómotor A generátor eredményes működése szempontjából az indítómotor a legkritikusabb alkatrész. A kritikus fogyasztók mellett legtöbbször olyan UPS rendszerek találhatók, melyek csak néhány perces akkumulátoros működést biztosítanak, ezért nagyon fontos a gyors indítás. A legkevesebb idő, ami alatt az áramkimaradás észlelhető, a fő hajtómű beindítható, és stabil kimeneti frekvencia és feszültség előállítható, legtöbbször legalább 10–15 másodperc. Sok ma is használatban lévő rendszer ennyi idő alatt sem tud megbízhatóan elindulni, mert akkumulátorát nem töltötték fel vagy ellopták. A többi ok között szerepel a nem megfelelő karbantartás és az emberi hiba is. Ahhoz, hogy a generátorrendszer sikeres indulásainak aránya elfogadható legyen, a lelkiismeretes tervezés és karbantartás elengedhetetlen. Bár a legtöbb generátorrendszer, a gépkocsikhoz hasonlóan, akkumulátoros indítómotorral rendelkezik, a nagy hajtóműveken pneumatikus vagy hidraulikus változatok is előfordulhatnak. A szokványos indítómotor kritikus elemei egyértelműen az akkumulátorhoz kapcsolódó rendszerek. A néhány motorban megtalálható akkumulátortöltő generátor például a használaton kívüli periódusokban nem tesz semmit, hogy megakadályozza az akkumulátor lemerülését. A legjobb megoldásnak egy automatikus akkumulátor-töltő és figyelmeztető rendszer beszerelését tartják. Az akkumulátor melegen tartása és korrózióvédelme is nélkülözhetetlen. Az akkumulátor melegítése egy fűtőberendezés feladata, amely fenntartja az ólom-sav akkumulátorok elektrolitjának megfelelő hőmérsékletét. Ez a megoldás hideg éghajlatokon jelentősen megnöveli az indítómotor számára rendelkezésre álló áramot. Az akkumulátorok osztályozása CCA (Cold Cranking Amperes – Hideg indítási áramerősség) szerint történik, amely megadja, hogy az akkumulátor hány amper erősségű áramot tud biztosítani 0°F (-17,8°C) hőmérsékleten, 30 másodpercen keresztül. 0°F (-17,8°C) hőmérséklet alatt, vagy 80°F (26,7°C) felett az akkumulátor megbízhatósága igen alacsony.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

6

A motorblokk fűtése is hozzájárul az indítás sikeréhez azáltal, hogy csökkenti a súrlódási erőket, amelyek ellen szintén az indítómotornak kellene dolgoznia. Sok tanulmány mutatott rá, hogy a generátorrendszer működésképtelenségének fő okai az indító-berendezések hibái.

A generátor: az áramfejlesztő komponens A generátor fő feladata a fő hajtómű mechanikai energiájának váltóárammá alakítása. Ez sokban hasonlít a gépkocsikban használatos generátorokra, bár azokat általában egy szíj hajtja, míg a generátorrendszerekben lévőket a hajtómű fő tengelye mozgatja. Egy fémhurok és egy mágnes felhasználásával nagyon egyszerű generátort lehet készíteni. Amikor a hurok a mágnes pólusai által alkotott mágneses mezőben elmozdul, áram keletkezik. Egy másik lehetőség az, ha a mágneses mező mozdul el, míg a hurok mozdulatlan. Ez a fajta generátor természetesen nagyon kevés áramot termel, mégis az elektromosság ugyanazon tulajdonságait használja ki, mint a nagy generátorrendszerekben alkalmazott generátorok. Az évek során a generátor elemeinek néhány tulajdonságát a hatékonyság, a kapacitás és a megbízhatóság növelése céljából módosították. Ezeket a tulajdonságokat lejjebb ismertetjük. A 2. ábra egy a generátorrendszerekben is megtalálható generátor elemeit mutatja be.

2. ábra – Keresztmetszeti nézet: öngerjesztő, kívülről szabályozott, kefenélküli generátor Forgó m ezejű fő generátor Fő állórész (a fegyverzet tekercselése)

Forgó G erjesztő fegyverzet generátor

Elsődleges hajtóm ű burkolata G erjesztő rotor (Fegyverzet)

Fő tengely

A rotor fő érintkezői

Egyenirányító berendezés (váltóáram ból egyenáram ot készít)

+ -

Egyenáram ú bem enet (a feszültségszabályzótól)

G erjesztő állórész (M ező)

3 fázis + Sem leges váltóáram ú kim enet

Fő rotor (M ező)

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

7

Kefe nélküli generátorok A kefe nélküli megjelölés arra vonatkozik, hogy ez a konstrukció nem igényel az elektromos áram elvezetéséhez semmiféle, a mozgó alkatrészekkel fizikailag érintkező elemet. A kefeérintkezők használata motorok és kisebb generátorok esetén még elfogadható, de a kefék a használat során elkopnak, és nincs lehetőség állapotuk proaktív megfigyelésére. A kefeérintkezőket használó technológia nagy generátorrendszerek esetén a teljesítménykritikus működéshez megkövetelt megbízhatósági szintet nem éri el.

Öngerjesztő generátor A fenti példában egy mágnest használtunk a mágneses mező forrásaként. Nagy generátorokban sokkal erősebb mágneses mezőre van szükség a nagy mennyiségű elektromosság létrehozásához. Hasonlóképpen a szeméttelepeken sem tudnák a nagyobb vasdarabokat felemelni egy egyszerű mágnes segítségével, ehelyett elektromágneses darut használnak. Az elektromágnes olyan mágnes, amit elektromos áram hoz működésbe, a modern generátorok esetében ez az elektromágnes „öngerjesztő” elven működik. Az öngerjesztés elve annyit tesz, hogy az elektromágnes működtetéséhez felhasznált áramot is a generátor fejleszti, ezáltal lehetőség nyílik csak a fő hajtómű által szolgáltatott energia felhasználásával nagy mennyiségű áram létrehozására.

Az állórész vagy fegyverzet tekercselése Az állórész vagy más néven a fegyverzet tekercselése a kritikus fogyasztók áramát létrehozó, egy helyben álló huzaltekercs. A fejlesztett váltóáram tulajdonságai a tekercs geometriai és egyéb tulajdonságaitól függenek. Sokféle konfiguráció létezik a különböző áramerősség és feszültségkombináció iránti igények kielégítésére. A háromfázisú tekercselés a forgó tengely körül elhelyezkedő, három, egymással 120 fokos szöget bezáró tekercsből áll. Ha a generátor mágneses mezeje csak egy mágneses északi és egy déli pólusból áll, a fő hajtómű egy fordulata egy periódusnyi váltóáramot létre. Másként fogalmazva, 60 Hz frekvenciájú váltóáram létrehozásához a fő hajtóműnek 3600 fordulatot kell tennie percenként. Ez dízelhajtású generátorrendszereknél meglehetősen magas fordulatszám, a motort körülbelül kétszer annyira viseli meg, mintha 1800 fordulatot tenne percenként. Négypólusú mágneses mező használatával a 60 Hz kimeneti frekvencia megtartása mellet a fő hajtómű percenkénti fordulatszáma 1800-ra csökkenthető. Alacsonyabb fordulatszámú, 6 és 8 pólusú generátorral szerelt generátorrendszerek is léteznek (ezek motorja a pólusszámnak megfelelően 1200 és 900 fordulatot tesz percenként).

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

8

Földelés A generátorrendszer földelése és a nullavezeték bekötése életbevágóan fontos részlet. Elengedhetetlenül fontos a hibakeresés és az áramellátás színvonala szempontjából, hogy a földelés módszere az alkalmazási területen érvényben lévő elektromos szerelési szabályokkal összhangban legyen. Az Egyesült Államokban például a NEC Article 250 Ref. 4 (National Electrical Code – Nemzeti Villanyszerelési Kódex) van érvényben (illetve a törvényhozás által létrehozott kiegészítő rendelkezések). Valószínűleg a földelés a leginkább félreértett és rosszul alkalmazott területe a különböző méretű berendezések huzalozásának. A 446-1995 számú IEEE1 szabvány tartalmazza a megfelelő információt a témában, amely az IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book) címet viseli. Érzékeny elektromos fogyasztók áramellátása esetén figyelembe kell venni az 1100-1999 IEEE szabványt is, amely az IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book) címet viseli.

Hőmérsékleti paraméterek A generátor tekercselésének hőmérsékleti paraméterei további fontos jellemzők, amelyek különleges figyelmet igényelnek, ha a berendezés ki van téve a magasság, a szellőzés vagy a környezeti hőmérséklet szélsőséges értékeinek. A szükségesnél nagyobb generátor építésével a tekercselés hőmérséklete alacsony szinten tartható. Alternatív megoldásként speciális szigetelést is lehet alkalmazni, hogy a berendezés elviselje a magas hőmérsékleteket. Az adott működési környezet tartogathat más leküzdendő akadályokat is, mint például nedvesség, hőmérséklet, gombásodás vagy kártevők jelenléte. A környezeti tényezők leküzdésére, így a tekercselés szárazon tartására és a szigetelés rongálódásának elkerülésére is léteznek speciális tervezési és szigetelési módszerek.

A vezérlőegység: a váltóáram szabályozása és kimeneti frekvenciája A vezérlőegység az üzemanyag-ellátás változtatásával a környezet változásait ellensúlyozva állandó fordulatszámon üzemelteti a fő hajtóművet. Stabil frekvenciájú váltóáramra van szükség, és a stabilitás egyenes arányban áll a vezérlőegység pontosságával és válaszidejével. Ez az elem a kulcs a váltóáram minőségének meghatározásához.

1

Az IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Elektronikai és Villamosmérnökök Intézete) a műszaki tudományok széles körének - többek közt a villamosságtannak is - meghatározó szakmai tekintélye. A műszaki tudományokkal foglalkozó non-profit társaság, melyet több mint 360000 tagja körülbelül 175 országban képvisel. www.ieee.org

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

9

A felhasználónak nem kell törődnie a frekvenciaváltozással és annak hatásaival az áram minőségére, ha stabil elektromos hálózathoz kapcsolódik. Ellenben az érzékeny elektronikus szerkezetek ki vannak szolgáltatva a generátor által előállított áram frekvenciaváltozás miatti zavarainak. A generátor a fő hajtómű fordulatszámától függően képes állandó frekvenciájú áramot termelni, azt pedig a vezérlőegység szabályozza. Sokféle rendszerkialakítás létezik, az egyszerű rugós változattól egészen a bonyolult hidraulikus és elektronikus szerkezetekig, amelyek a motorba jutó üzemanyag-mennyiség dinamikus szabályozásával biztosítják az állandó fordulatszámot. Az áramkör terhelésének változásai mind olyan feltételeket állítanak elő, amelyekre a vezérlőegységnek kell válaszolnia. Az izokrón (egyidejű) konstrukciójú vezérlőegységek terheléstől függetlenül fenntartják az állandó sebességet. Kismértékű ingadozás továbbra is jelen van a fő hajtómű sebességében, nagysága a vezérlőegység stabilitásától függ. Ma már létezik olyan vezérlőegység-technológia, amely képes a frekvenciaingadozást ±0,25%-os határon belül tartani és a terhelésváltozásokra 1-3 másodpercen belül reagálni. A jelenkor félvezető-technológiája nagy megbízhatóságot és az érzékeny fogyasztók számára megfelelő frekvenciaszabályozást tesz lehetővé. Ha két vagy több generátort párhuzamosan kapcsolunk nagyobb kapacitás vagy redundancia elérésére, elsődleges referencia frekvenciaként az elektromos közműhálózatot vagy egy másik generátort használva, a generátorok sebességét szinkronban kell vezérelni. Ennek oka az, hogy ha a két áramforrás nincs szinkronban egymással, az egyikre nagyobb terhelés jut, ami korrekciót tesz szükségessé. Nemrég párhuzamosításhoz használható kifinomult elektronikus vezérlőegységeket fejlesztettek ki, amelyek különböző feltételek mellett is magas színvonalú koordinációt tesznek lehetővé és biztosítják a stabil frekvencia fenntartását. Ezek a fejlesztések a mai adatközpontok rendelkezésre állásában rég várt fejlődést hoztak, azok megnövekedett megbízhatóságának, és a karbantartási és koordinációs munkák csökkenő mennyiségének köszönhetően. A generátor üzemanyagának típusa és a várható terhelésingadozás mértéke is befolyásolja a vezérlőegység megválasztását. Mivel mindkét tényező befolyásolja a fő hajtómű sebességének pontosságát és stabilitását, mindenképp figyelembe kell venni őket a rendszer tervezésekor.

Feszültségszabályozás A feszültségszabályozó feladata alapvetően a generátor kimenetén keletkező feszültség megfelelő szinten tartása. A feszültségszabályozó működése létfontosságú az olyan fogyasztók számára, melyek a számítógép által felvett teljesítményhez hasonló nagyságrendű árammal működnek. Olyan rendszerkonfiguráció létrehozása a cél, amely megfelelő válaszidővel rendelkezik a terhelésváltozáskor megjelenő feszültségkülönbségek minimalizálásához. Egy másik szempont, amit figyelembe kell venni, a feszültségszabályozó viselkedése nemlineáris fogyasztók, mint például egy régebbi típusú, kapcsolóüzemű tápegység, alkalmazásakor. A nemlineáris fogyasztók a feszültség hullámformájához képest eltéréssel, míg a lineáris, ellenállás jellegű fogyasztók (például egy villanykörte) a feszültségváltozással szinkronban veszik 2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

10

fel az áramot. A nemlineáris fogyasztók negatívan befolyásolhatják a generátor működését, így készenléti üzemmódban veszélyeztetik a kritikus fogyasztók ellátását. Az EGSA 101E 5. szakasza a következőképpen határozza meg a feszültségszabályozás mértékét: „a terhelés nélkül és teljes leterheltség esetén létrejövő állandósult állapotokban mért feszültség százalékosan kifejezett különbsége.” A generátor tulajdonságai közül három határozza meg a feszültséget: a mágneses térerősség, a mágneses térben mozgó vezető sebessége és a tekercselés menetszáma. A feszültségszabályozás szempontjából az utóbbi két tulajdonság állandónak tekinthető, így a kívánt hatás elérésére a mágneses térerősséget kell változtatni. Az adatközpontbeli felhasználáshoz megfelelő áramminőség előállításának segítésére sok feszültségfigyelő módszer létezik. A szabályozó felépítésétől függetlenül tervezéskor a legrosszabb esetet kell figyelembe venni, hogy a feszültségváltozás ilyenkor se haladja meg a megengedett mértéket. A legrosszabb eset meghatározásakor a tekercselés magas hőmérséklete miatt előálló alacsony feszültség lehetőségével, és a nemlineáris fogyasztók nagy számú jelenlétével is számolni kell. A jelenlegi adatközpontok nagyon kevés nemlineáris fogyasztót tartalmaznak a javított teljesítménytényezővel rendelkező (PFC) tápegységek túlsúlya miatt. Ugyanakkor, ha a generátort más felépítésű rendszerekhez kívánjuk tartalékként használni, számba kell venni a nemlineáris fogyasztókat, hogy biztosan a megfelelő generátorrendszert válasszuk.

A kapcsolóberendezés és az elosztó A generátor által fejlesztett áram kritikus fogyasztók közti elosztása a rendszer tervezés egy másik fontos szegmense. Az érzékeny eszközök áramellátása terén az IEEE Emerald Book (1100-1999 IEEE szabvány) az elfogadott útmutató. Ebben rendszerek tervezése esetén az IEEE Orange Bookban (446-1995 IEEE szabvány) leírtak követését ajánlják. Az IEEE Orange Book olyan automata rendszerekről tartalmaz szabványokat, amelyek felügyelik a villamos közműellátást, kezdeményezik motor beindítását és a fogyasztókat mielőbb a generátorra kapcsolják (amikor az már stabilan működik). Ezek feladata továbbá a fogyasztók visszakapcsolása a villamos közműhálózatra, amint helyreállnak az ehhez szükséges feltételek. Ezek a funkciók az úgynevezett automatikus hálózat-diesel átkapcsolókba (Automatic Transfer Switch, ATS) vannak be építve. A generátor automatikus tesztelésének időzítését és a generátor lekapcsolása után elengedhetetlen lehűlési időszak ütemezését is sokszor ezek végzik. Ezeket a berendezéseket több forrásból is beszerezhetjük, többek között a generátorrendszer vagy a kapcsoló-berendezés gyártójától és az automatikus átkapcsolók gyártására szakosodott cégektől is. Ennek ellenére előre gyártott rendszerek is kaphatók, amelyek megóvnak bennünket az egyedi megoldások hátrányaitól, mint például a szükségtelen bonyolultság vagy a magas birtoklási összköltség (TCO – Total Cost of Ownership). Ha többet szeretne tudni az ATS rendszerekről, olvassa el az APC 94. tanulmányát, melynek címe: „Fundamental Principles of Generator Transfer Switches for Information Technology”. A 3. ábra az automatikus hálózat-diesel átkapcsolónak egy épület áramellátásában betöltött szerepét mutatja be.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

11

3. ábra – Automatikus tápátkapcsolóval ellátott generátorrendszer

Normál

Automatikus tápátkapcsoló

áramellátás

Fogyasztók Kisegíto áramellátás

A rendszer tervezésekor nem szabad elfeledkezni megfelelő túláram elleni védelem beépítéséről sem. A kapcsolómechanizmus érintkezőinek ellen kell állniuk a bekapcsolási túláramnak anélkül, hogy megolvadnának. Az is fontos, hogy a kapcsoló ne melegedjen túl teljes terhelés esetén sem, és képes legyen megfelelő rövidzárlati áram átvezetésére (ez szükséges a túláramvédelmi eszközök, mint például megszakítók kioldásához). A közüzemre történő visszakapcsolódás több módja ismert, ilyenek a megszakításos és megszakítás nélküli átkapcsolási módok. A megszakításos átkapcsolás annyit jelent, hogy a generátor áramkörére való kapcsolás előtt a fogyasztót a közüzemi hálózatról leválasztják. Megszakítás nélküli átkapcsolás esetén a fogyasztót előbb kapcsolják a generátor áramkörére, minthogy leválasztanák a közműhálózatról. Ez azt jelenti, hogy egy rövid időre generátor és a villamos hálózat is csatlakoztatva van a fogyasztókhoz. A megszakítás nélküli átkapcsolás kidolgozottabb és a lehető legalacsonyabb mértékre csökkenti a pillanatnyi átvitelkieséseket.

Többszörös vagy párhuzamos redundáns generátorrendszerek Az, hogy hány generátorra van szükség, nagyban függ a rendszertől elvárt kapacitástól és a megbízhatóság szükséges szintjétől. Az olyan rendszereket, amelyek a szükséges maximális teljesítményt több kisebb, ugyanolyan típusú és egy kiegészítő egység segítségével állítják elő, N+1 redundáns rendszereknek hívjuk. A példa, melynek blokkvázlata a 4. ábrán látható, három, egyenként 800 kW teljesítményű, egymással szinkronizált egységből álló, összesen 1,6 MW teljesítményű generátorrendszert mutat be, amely további 800 kW tartalékkal rendelkezik.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

12

4. ábra – 1,6 MW teljesítményű, N+1 redundáns izokrón generátorrendszer Üzemanyagszabályzó

Üzemanyagszabályzó

Motor

Motor

Motor Sebességszabályzó

Fordulatszámfigyelő 800 kW teljesítményű generátor

Terheléselosztó

Feszültségfigyelő

Üzemanyagszabályzó

Sebességszabályzó

Sebességszabályzó Fordulatszámfigyelő 800 kW teljesítményű generátor

Terheléselosztó

Feszültségfigyelő

Fordulatszámfigyelő 800 kW teljesítményű generátor

Terheléselosztó

Feszültségfigyelő

Fogyasztó

Az indítási procedúra mindhárom motort beindítja, majd szinkronizálja működésüket. Így az 1,6 MW terhelés N+1 redundanciával kiszolgálható. A szinkronizáló kapcsoló egység többletköltséget jelent, de a rendszer statisztikai megbízhatóságát jelentősen növeli az egyetlen hajtóművel rendelkezőéhez képest. Ebben a példában annak az esélye, hogy egyszerre több mint egy rendszer romlik el az egy generátoros rendszerek működésképtelenségének valószínűségéhez képest nagyon kicsi. Azt természetesen nem szabad elfelejteni, hogy egy közös eredetű hiba, mint például az üzemanyag kifogyása, tönkreteheti a látszólag redundáns tervet. Az építőelemek összerakásán alapuló, a terhelést kisebb rendszerek összekapcsolásával kielégítő tervezési szemlélet másik haszna az így kialakuló rendszer skálázhatóságában rejlik. Növekedésben lévő vállalatok, ahol a rendelkezésre álló helyet és a huzalozás kapacitását a fennálló terhelésnek megfelelően választották meg, valószínűleg olyan rendszer építését fogják előnyben részesíteni, amely kapacitásának jövőbeni növelésére van lehetőség. Így a beruházást és az üzemeltetési költségek kifizetését olyan időkre halaszthatják, amikor a kritikus terhelés növekedése azokat szükségessé teszi. Fontos az igények körültekintő feltérképezése, hogy hibátlanul, az addigi döntésekkel összhangban választhassunk. A skálázhatóságról további információt az APC 37-es számú, „Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra túlméretezéséből eredő többletköltségek elkerülése” című tanulmányában találhat.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

13

A rendszer tervezésével kapcsolatos és kompatibilitási kérdések A generátorok méretezésével és terhelésével az APC 95-ös számú, „Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure” című tanulmánya foglalkozik. Ennek ellenére fontos kiemelni a teljesítménytényezőnek, a hálózat-diesel átkapcsolóknak és UPS rendszereknek az összetett rendszer eredő teljesítményére gyakorolt hatásait. Ha több beszállító vesz részt a rendszer összeállításában, fontos, hogy mindannyian jelen legyenek a rendszer beépítés utáni tesztelésekor és az üzembe helyezéskor. Ez a fajta eljárás felfedheti az előre nem látható kompatibilitási problémákat, mielőtt még azok a kritikus terhelések ellátását befolyásolhatnák. Ezeket a teszteket több terhelési szinten is el kell végezni, egészen a maximális, 100%-os terhelésig.. A tervezett terhelés helyettesítésére sok esetben műterheléseket kell a rendszerbe helyezni. Azonban előfordulhat, hogy ezek nem helyettesítik megfelelően a számítógépek áramfelvételét. Ha nem állnak rendelkezésre speciális reaktív műterhelések, akkor kiegészítő tesztsorozatokat kell végezni, amikor a tényleges fogyasztók már a rendszerbe vannak illesztve. Ha olyan komplett rendszert választunk, amelyet az ISO 9000 szabványoknak megfelelően terveztek, gyártottak le és teszteltek, elkerülhetjük egy feleslegesen bonyolult rendszer kialakítását és az egyedi generátorok, automatikus hálózat-diesel átkapcsolók és UPS berendezések több szállítóval is együttműködő tesztelését. Az előre megtervezett rendszerek másik előnye az, hogy folyamatosan javul a minőségük és megbízhatóságuk a szabványosított gyártási technikáknak köszönhetően, amelyek segítik a hibák felfederítését és kiküszöbölését..

Összegzés A fő hajtómű szolgáltatja a generátorrendszer energiáját, és pontos vezérlőegységre van szüksége, hogy a terhelés változásai mellett is állandó frekvenciájú váltóáramot tudjon előállítani. Az átkapcsoló által a kritikus fogyasztókhoz továbbított minőségi váltóáram létrehozásához a generátorra, a feszültségszabályzóra és a többi vezérlő egységekrere van szükség. A hagyományos generátorrendszerek bonyolult felépítésűek, ebből következően tervezési költségük és meghibásodási valószínűségük is magasabb. Ezzel szemben az előre megtervezett rendszerek, a szabványosított gyártási technológiáknak köszönhetően, megbízhatóbbak.

Hivatkozások NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, 1999 Edition, National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org) NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, 1996 Edition National Fire Prevention Association, 1999

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

14

IEEE Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book) (http://ieee.org) IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment. (Emerald Book) IEEE Standard 602-1996, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities, (White Book) EGSA Standards 100, 101, & 404 (http://www.egsa.org) "On-Site Power Generation," Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN 0-9625949-3-8

Néhány szó a szerzőről: Robert Wolfgang az APC vezető alkalmazási mérnöke. Jelenleg az ügyfelek elektromos rendszereinek és adatközpontjainak a NEC szabványnak, és az ágazatban alkalmazott gyakorlatnak megfelelő számítógépes elemzéssel és ezzel kapcsolatos tanácsadással foglalkozik. Az APC rendelkezésre állással foglakozó tudományos csapatának az Electrical Generating Society Association (EGSA) által képzett tagjaként, figyelmét a hálózatkritikus fizikai infrastruktúra területén számos alrendszerekkel kapcsolatos optimális megoldás kifejlesztésére fordította. Bobnak gépészmérnöki diplomája van, 15 évet töltött az APC vállalatnál különböző – minőségellenőri, technikai szaktanácsadói és a rendelkezésre állás területével kapcsolatos – munkakörökben.

2004 American Power Conversion. Minden jog fenntartva. A tanulmány sem egészében, sem részlegesen nem használható fel, nem reprodukálható, nem másolható, nem továbbítható és nem tárolható adatlekérdező rendszerekben a szerzői jog tulajdonosának írásos engedélye nélkül. www.apc.com Rev 2004-0

15