Základní principy generátorů pro informační technologie

Základní principy generátorů pro informační technologie

Robert Wolfgang

White Paper č. 93

Resumé Každý odborník v oblasti informačních technologií, který je odpovědný za provoz počítačového vybavení, potřebuje zajistit, aby svěřená datová střediska nebo síťové sály byly připraveny na dlouhodobé výpadky napájení. Pochopení základních funkcí a konceptů záložních generátorových systémů představuje základ, který odborníkům umožňuje úspěšně definovat, instalovat a provozovat kritická zařízení. Tento dokument obsahuje základní informace o záložních generátorech a podsystémech zajišťujících napájení kritických zařízení v době výpadků napájecí sítě.

2004 American Power Conversion. Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být použita, kopírována, přenášena ani uložena v žádném úložném systému jakéhokoli druhu bez písemného souhlasu vlastníka autorských práv.www.apc.com Revize 2004-0

2

Úvod Záložní generátorový systém tvoří dva základní podsystémy: (1) generátor, který se skládá z pohonného ústrojí, alternátoru a regulátoru, a (2) distribuční systém skládající se z přepínače ATS (Automatic Transfer Switch), příslušného rozvaděče a rozvodné sítě. Typický záložní generátor je znázorněn na obrázku 1. V tomto dokumentu jsou popsány hlavní podsystémy a jejich základní funkce. Jedná se však pouze o úvodní informace k dalším dokumentům společnosti APC, které se týkající pokročilých témat z oblasti generátorových systémů. Jsou zde rovněž poskytnuty odkazy pro čtenáře, kteří chtějí získat ucelený obraz o této problematice.

Obrázek 1: Záložní generátor

Při analýze generátorového systému je vhodné zaměřit se na technologické inovace nabízené moderními systémy a na podstatná zdokonalení v oblasti spolehlivosti a funkčnosti, kterých bylo dosaženo za posledních 10 až 15 let. Starší generátorové systémy nemusí být často schopné vyhovět aktuálním požadavkům. Diskusi týkající se základních požadavků na generátorové systémy v moderních prostředích s kritickou důležitostí naleznete v dokumentu White Paper č. 90 „Základní požadavky moderních datových středisek na generátorový systém“.


3

Primární pohonné ústrojí: interní spalovací motor Co znamená termín interní spalovací motor? Interní vznětový nebo zážehový motor s největší pravděpodobností pohání váš automobil. Interní spalovací motor je masově rozšířené pohonné ústrojí, které se začalo široce používat v druhé polovině dvacátého století a zásadní význam má i v novém tisíciletí. Základním principem interního spalovacího motoru je transformace pohonné látky na mechanický pohyb. K tomu slouží interní pohyblivé součásti. V motoru se mísí vnější vzduch s tekutým palivem. Díky pohyblivým součástem dochází k zapálení palivové směsi a k následnému řízenému internímu výbuchu (spálení) ve speciálních dutinách, které se nazývají válce. Interní spalovací motor se vyrábí v bezpočtu provedeních. Nejrozšířenějším pohonným ústrojím pro záložní generátorové systémy je však motor 4dobý. Motor se nazývá 4dobým proto, že spalovací cyklus je rozdělen na čtyři samostatné fáze - nasátí směsi vzduchu a paliva, stlačení směsi, zapálení nebo vznícení stlačené směsi a výfuk zplodin. V kontextu generátorů se motor obvykle označuje jako primární pohonné ústrojí. Primárního pohonného ústrojí se týkají čtyři základní atributy, které jsou popsány v následujících odstavcích.

Palivo V interních spalovacích motorech se používají čtyři hlavní druhy paliva - motorová nafta, zemní plyn, zkapalněný plyn a benzin. Výběr typu paliva závisí na proměnných faktorech, jako je místo uložení, cena nebo dostupnost.

Výfukové plyny, emise a hluk Generátorové systémy znečišťují vzduch výfukovými plyny a způsobují značný hluk. Přestože strategie snižování hluku a nebezpečných emisí je zřejmá, otázky týkající se ochrany prostředí a příslušné zákony mohou často představovat těžko řešitelný problém. Organizace EGSA (Electrical Generating Systems Association) je světová organizace nabízející cenné informace o emisích a další údaje o záložních generátorech. Zákony týkající se ochrany životního prostředí, kolaudace budov a maximální doby provozu generátorů se v různých oblastech výrazně liší. Například federální agentura EPA (Environmental Protection Agency) v USA ponechala na uvážení jednotlivých států, jakým právním způsobem dosáhnou určených cílů ohledně kvality ovzduší. I další státy mají podobné regulační orgány omezující emise generátorů. Ve Spojeném království existuje oddělení Defra (Department for Environment Food and Rural Affairs), které určuje zásady ochrany životního prostředí. V Indii tuto roli hraje ministerstvo životního prostředí. Pokud se podnik nachází v oblasti s přísnými regulačními opatřeními, může být pro získání povolení nutné předložit prohlášení o emisích generátorového systému. Zkušenosti se schvalovacím procesem pro jednotlivé oblasti mají většinou průmysloví odborníci působící v dané oblasti.


4

Dalším cílem regulačních opatření ze strany vládních úřadů je snížení hlučnosti. Místní nařízení týkající se hluku obvykle předepisují nejvyšší hodnoty měřitelného hluku na pozadí, které lze zaznamenat za 24 hodin. Výfukové tlumiče se většinou rozdělují na tlumiče pro průmyslové zóny, obytné zóny a kritické zóny. Tlumiče pro kritické zóny mají nejvyšší úroveň redukce hluku. Chcete-li ušetřit náklady na změny původního návrhu, je vhodné před pořízením systému provést důkladnou analýzu prostředí a ještě v průběhu plánování zjistit od úřadů maximální povolené hodnoty hluku. K celkovému hluku a jeho vnímání obyvateli okolních prostor přispívají také mechanické vibrace. Tento problém lze minimalizovat speciální montáží a protihlukovými izolacemi. Třetím faktorem, který je třeba uvést, je estetická stránka, protože povolení generátorů může být závislé na rozhodnutí místních úřadů. Některé úřady místní správy mají požadavky ve smyslu umístění generátorů, včetně jejich uložení do betonové nebo cihlové přístavby, jejíž vzhled se musí shodovat se vzhledem celé budovy. Tak je zajištěno, že vzhled generátorů nebude působit rušivým dojmem a bude začleněn do charakteru budov v okolí.

Nasávání vzduchu pro spalování Do návrhu místnosti pro generátor je důležité zahrnout také přívod chladného a čistého vzduchu do motoru. Dostatek čerstvého vzduchu je rovněž zapotřebí pro obsluhu. Pro splnění těchto požadavků je často nutné použít velké ventilátory a případně dodatečné větráky. Je také třeba učinit opatření, aby se do systému nedostala dešťová voda, sníh a prach.

Chlazení Většina primárních pohonných ústrojí pro generátory je chlazena chladicím systémem, který je obdobou chladicího systému automobilu. Správnou teplotu motoru zajišťuje dostatečný proud vzduchu proháněný chladičem pomocí ventilátoru. Odpadní teplo je odváděno z chladiče do okolí potrubím, které má stejný průřez jako čelní plocha chladiče. Otvor pro přívod vzduchu do místnosti (zakrytý mřížkou) je většinou o 25 až 50 % větší než průřez odváděcího potrubí. Přísná údržba chladicího systému je základní podmínkou spolehlivé funkce celého zařízení. Požadovaný výkon bude k dispozici pouze v případě, že jsou pečlivě kontrolovány všechny hadice pro chladicí kapalinu, hladina chladicí kapaliny a funkce vodní pumpy a jsou prováděna opatření proti zamrznutí.

Mazání Moderní 4dobé motory využívají plnoprůtokové filtrační systémy čerpající mazací olej přes externí filtry a zachytávají nebezpečné částice a nečistoty, které by mohly poškodit pohyblivé části nebo ložiska. Správnou hladinu oleje udržují zásobníky oleje. Problémům s mazáním při vysokých teplotách se předchází pomocí externích chladičů oleje.


5

Filtry: vzduchový a palivový Kritickými faktory pro spolehlivý provoz primárního pohonného ústrojí jsou vzduch a palivo. Je třeba postupovat podle správného plánu údržby. V případě aplikací s kritickou důležitostí, kdy je třeba zajistit provoz při dlouhodobém výpadku napájení, představuje významnou výhodu systém, jenž zahrnuje redundantní přívod paliva a filtry. Důvodem je, že přívod paliva a filtry lze odpojit a vyměnit přímo za běhu generátoru. Výpadkům také předejdete, pokud budete mít k dispozici náhradní díly pro filtry a další kritické součásti generátoru. Proaktivni monitorování těchto filtrů zajišťují indikátory diferenciálního tlaku. Indikátory ukazují rozdíly tlaku kolem filtrů a mezi přívody paliva při běhu motoru. V případě vzduchových filtrů se tato proaktivní monitorovací zařízení označují jako indikátory omezení přívodu vzduchu. Zajišťují vizuální indikaci potřeby výměny vstupního vzduchového filtru při běhu motoru.

Startér Startovací systém je jedním z nejdůležitějších a podílí se na úspěšném využití generátoru. Pro zařízení s kritickou důležitostí jsou většinou k dispozici systémy UPS, které umožňují převzít zátěž na dobu několika minut. Minimální doba na detekci problémů s napájením, spuštění primárního pohonného ústrojí, naběhnutí stabilní výstupní frekvence a napětí a připojení k zátěži je obvykle 10 až 15 sekund. Řada současných systémů však nezajišťuje spolehlivě tak krátké spouštěcí časy, například kvůli nenabitým nebo scházejícím bateriím. Mezi další rizikové faktory patří nesprávná údržba a lidský faktor. Pro úspěšné spuštění generátorového systému má kritickou důležitost svědomitá údržba a dobře navržený systém. Většina generátorových systémů používá bateriový startér (obdoba automobilu). Pro těžší pohonná ústrojí může být použita pneumatická nebo hydraulická verze startéru. Prvkem zásadní důležitosti u konvenčního startéru je jednoznačně baterie. Například alternátor pro nabíjení baterií nezabrání vybití baterií v době, kdy není generátor používán. Doporučeným postupem je zajištění samostatného, automaticky dobíjeného systému s dálkovou výstrahou. Baterii je také nutné udržovat v teple a zabránit její korozi. Zahřívání baterie zajišťuje topné těleso udržující teplotu vhodnou pro elektrolyt olověných článků baterie. V chladném podnebí se tak výrazně zvýší startovací proud dostupný pro startér motoru. Baterie jsou hodnoceny údajem CCA (Cold Cranking Amperes), který udává velikost proudu (v Ampérech) a je k dispozici po dobu 30 sekund při teplotě –17,8 °C. Při teplotách pod –17,8 °C a nad 26,7 °C je spolehlivost velmi nízká. K úspěšnému spuštění motoru přispívá také zahřátí bloku motoru. Zahřátí snižuje tření, které musí startér při roztáčení motoru překonat. Mnoho výzkumů ukazuje, že hlavní příčinou selhání generátorového systému je selhání během startování.


6

Alternátor: generování elektrického proudu Alternátor slouží k převodu mechanické energie z primárního pohonného ústrojí na střídavý proud. Je obdobou alternátoru u automobilu s tím rozdílem, že v automobilu je většinou poháněn řemenicí, zatímco v generátoru je osazen přímo na hlavní hřídel primárního pohonného ústrojí. Nejjednodušší verzi alternátoru lze vyrobit ze smyčky vodivého drátu a magnetu. Při pohybu smyčky magnetickým polem, které se vytváří mezi kladným a záporným pólem magnetu, se ve smyčce indukuje elektrické napětí. Smyčku vodiče lze také ponechat stát a pohybovat magnetickým polem. Alternátor takového typu by pochopitelně generoval pouze velmi malé proudy, ale lze na něm snadno demonstrovat fyzikální princip velkých alternátorů, které se používají v generátorech. V průběhu vývoje alternátorů byly zlepšeny některé jejich vlastnosti a bylo dosaženo lepší účinnosti, kapacity a spolehlivosti. Jednotlivé parametry alternátorů jsou popsány v dalším textu. Na obrázku 2 jsou znázorněny hlavní komponenty typického alternátoru, který je součástí generátorovém systému.

Obrázek 2: Průřez bezkartáčkovým alternátorem s vlastním buzením a externí regulací Hlavní alternátor s otáčivým polem Hlavní stator (vinutí kotvy)

Uložení prim árního pohonného ústrojí

Budicí alternátor s rotující kotvou Rotor budicího dynam a (kotva)

Kartáčk y hlavního rotoru

Hlavní hřídel

Usm ěrňovací agregát (stř. na ss.)

+ Ss. vstup (z regulátoru napětí)

Stator budicího dynam a (pole)

Stř. výstup: 3 fáze + nula

Hlavní rotor (pole)


7

Bezkartáčkový Označení „bezkartáčkový“ se vztahuje ke skutečnosti, že tato konstrukce neobsahuje žádné kontakty umístěné proti rotujícím částem, které by přenášely elektrickou energii mezi touto komponentou a okolím. V motorech a v malých generátorech je stále možné používat kartáčky, dochází však k jejich opotřebení a nelze je proaktivně kontrolovat. U velkých generátorů by konstrukce s použitím kartáčků nemohla dosáhnout standardů spolehlivosti vyžadovaných aplikacemi s kritickou důležitostí.

Vlastní buzení Ve výše uvedeném příkladu bylo magnetické pole vytvářeno pomocí magnetu. Velké alternátory ale vyžadují mnohem silnější magnetické pole, aby mohly generovat velké množství elektrické energie. Podobně například nelze ve sběrných dvorech přenášet železný šrot pomocí prostého magnetu, ale používá se jeřáb s elektromagnetem. Elektromagnetem se rozumí magnet napájený elektrickou energií. V případě moderních alternátorů pracuje tento magnet s „vlastním buzením“. Vlastní buzení označuje proces, kdy se elektrický proud používaný k vytváření elektromagnetické pole generuje v samotném alternátoru. Díky tomu lze alternátorem generovat velké množství elektrické energie bez nutnosti použití jiného zdroje než primárního pohonného ústrojí.

Hlavní stator nebo vinutí kotvy Hlavní stator nebo vinutí kotvy jsou stacionární smyčky vodiče, ve kterých dochází k indukování elektrické energie pro kritickou zátěž. Parametry indukovaného střídavého proudu jsou určeny počtem a geometrií vinutí cívky. Pro různé požadavky na kapacitu a výstupní napětí je k dispozici velké množství různých konfigurací. Třífázové vinutí je konstruováno jako tři samostatné cívky, které jsou uspořádány v úhlových odstupech 120 stupňů po obvodu otáčení. Pokud je magnetické pole alternátoru tvořeno jediným párem severního a jižního pólu, indukuje se při jednom otočení primárního pohonného ústrojí jedna perioda střídavého proudu na fázi. Jinými slovy, pokud je nutné generovat střídavý proud s frekvencí 60 Hz, musí primární pohonné ústrojí otáčet alternátorem rychlostí 3600 otáček za minutu. To je pro dieselové generátorové systémy poměrně vysoká rychlost otáčení, při které dochází k přibližně dvojnásobnému opotřebení v porovnání s motory pracujícími rychlostí 1800 otáček za minutu. Pokud má ale magnetické pole alternátoru čtyři magnetické póly, lze výstupu s frekvencí 60 Hz dosáhnout už při otáčení pohonného ústrojí rychlostí 1800 otáček za minutu. K dispozici jsou i generátorové systémy s nižší rychlostí otáčení, jejichž alternátory mají magnetické pole s 6 nebo 8 póly (tomu odpovídá rychlost otáčení 1200 nebo 900 otáček za minutu).

Uzemnění Důležitým aspektem je uzemnění generátorového systému a určení nulového potenciálu. Kvůli odstranění poruch a dosažení kvalitního napájení je nutné, aby způsob zemnění odpovídal elektrickým předpisům v daném regionu. V USA se například používá standard NEC (National Electrical Code) článek 250 Ref. 4 (nebo jiná právní úprava).


8

Uzemnění pravděpodobně představuje nejméně srozumitelný aspekt zapojení zařízení všech velikostí, ve kterém se také nejčastěji dělají chyby. Příslušné informace naleznete ve standardu IEEE1 Standard 4461995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Oranžová kniha). Při napájení citlivých elektronických zařízení je třeba také věnovat velkou pozornost doporučením uvedeným ve standardu IEEE 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Smaragdová kniha).

Teplotní podmínky Dalším důležitým parametrem je teplota vinutí alternátoru. To platí zejména pro aplikace vystavené extrémním podmínkám okolního prostředí, jako je nadmořská výška, okolní teplota nebo ventilace. Snížení teploty vinutí se někdy dosahuje předimenzováním velikosti generátoru. Případně se zvyšuje odolnost proti vyšším teplotám použitím speciální izolace. Ve speciálních provozních prostředích mohou být zařízení vystavena náročným a tvrdým podmínkám ve smyslu vlhkosti, teploty, přítomnosti plísní nebo hmyzu. K dispozici jsou speciální návrhy a izolace, které chrání před okolním prostředím, pomáhají udržovat vinutí v suchu a zabraňují poškození izolace.

Regulátor: frekvence a regulace výstupního střídavého napětí Regulátor udržuje konstantní otáčky primárního pohonného ústrojí za různých vnějších podmínek. Regulace se dosahuje nastavením přívodu paliva do pohonného ústrojí. Požadovaná stabilita frekvence střídavého napětí je přímo závislá na přesnosti a době odezvy regulátoru. Tato komponenta je klíčová pro dosažení kvalitního střídavého napájení na výstupu. V případě stabilní elektrické rozvodné sítě se uživatelé nemusejí potýkat s problémy spojenými s kolísáním frekvence a jeho vlivem na kvalitu napájení. Je-li však napájení zajišťováno z generátoru, mohlo by docházet k náhlým změnám frekvence, na které jsou elektronická zařízení velmi citlivá. Schopnost generátoru udržet konstantní frekvenci přímo souvisí s rychlostí otáčení primárního pohonného ústrojí, které je řízeno regulátorem. Existuje řada řešení od jednoduchých pružinových regulátorů po složité hydraulické a elektronické systémy, které udržují konstantní otáčky dynamickým nastavováním škrticího ventilu paliva. Regulátor musí být schopen reagovat na změny podmínek, jako je přidání nebo odpojení zátěže či její střídavé zapínání.

1

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) je standardizační organizace, která definuje standardy pro řadu technických oblastí včetně napájení elektrickým proudem. Jedná se o neziskovou odbornou organizaci technického směru, která sdružuje více než 360 000 členů z přibližně 175 zemí. www.ieee.org 2004 American Power Conversion. Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být použita, kopírována, přenášena ani uložena v žádném úložném systému jakéhokoli druhu bez písemného souhlasu vlastníka autorských práv.www.apc.com Revize 2004-0

9

Konstrukce isochronního (stejná rychlost) regulátoru udržuje konstantní otáčky bez ohledu na zátěž. Otáčky primárního pohonného ústrojí však neustále drobně kolísají a rozsah tohoto kolísání určuje míru stability regulátoru. Moderní technologie regulace umožňuje udržovat frekvenci s přesností ± 0,25 % s rychlostí odezvy na změnu zátěže během 1 až 3 sekund. Současné propracované elektronické konstrukce zajišťují vysokou spolehlivost a frekvenční regulaci vyžadovanou pro citlivou zátěž. Pokud je z kapacitních důvodů nebo kvůli redundanci nutné zapojit paralelně dva nebo větší počet generátorů, je nutné zajistit, aby generátory měly stejné otáčky. K tomu se používá primární referenční frekvence, kterou určuje elektrická napájecí síť nebo vybraný generátor. Pokud totiž nejsou dva zdroje synchronizované, jeden z nich nese větší podíl zátěže a důsledkem je nutnost korekce. V poslední době byly vyvinuty složité elektronické regulační systémy určené pro obsluhu paralelních generátorů. Tyto systémy zajišťují špičkovou koordinaci a frekvenční stabilitu za nejrůznějších podmínek. Tato nová zařízení díky své spolehlivosti, sníženým nárokům na údržbu a skvělé koordinaci představují vítané doplňky pro prostředí moderních datových středisek s vysokými požadavky na dostupnost. Výběr regulátoru závisí na typu paliva generátoru a na předpokládané velikosti možných skokových změn zátěže. Vzhledem k tomu, že oba tyto faktory mají vliv na přesnost a stabilitu rychlosti primárního pohonného ústrojí, je nutné s nimi počítat při celkovém návrhu.

Regulace napětí Základní funkcí regulátoru napětí je jednoduše řídit napětí generované na výstupu alternátoru. Funkce napěťového regulátoru je důležitá pro kritickou zátěž vyžadující napájení s kvalitou dostatečnou pro počítačová zařízení. Cílem je nakonfigurovat systém s přiměřenou časovou odezvou, která minimalizuje snížení nebo zvýšení napětí při změně zátěže. Další problematikou, se kterou je třeba počítat, je chování regulátoru při nelineární zátěži (například při připojení staršího zařízení se spínacím napájecím zdrojem). Nelineární zátěž odebírá proud způsobem, který neodpovídá průběhu napětí. Odporové zátěže (například žárovka) odebírají proud synchronně s průběhem napětí. Nelineární zátěž může negativně ovlivnit generátorový systém a ohrozit tak dostupnost kritické zátěže při výpadku napájení. Podle definice standardu EGSA 101E část 5 je parametr napěťové regulace určen jako „rozdíl mezi napětím v ustáleném stavu bez zátěže a s plným zatížením vyjádřený jako procento z napětí při plném zatížení“. Napětí určují tři parametry alternátoru: intenzita magnetického pole, rychlost změny magnetického pole a počet závitů vinutí v cívce. Poslední dva parametry jsou v rámci uvedeného popisu konstantní. To znamená, že požadované regulace napětí lze docílit změnou intenzity magnetického pole.


10

Existuje řada technologií, které sledují výstupní napětí a zajišťují maximální kvalitu napájení pro datová střediska. Bez ohledu na konstrukci regulátoru je třeba analyzovat nejhorší scénář a zajistit, aby i v takovém případě byla výsledná změna napětí v přípustných mezích. Mezi faktory, které přispívají k nejhorším případům, patří pokles napětí způsobený vysokou teplotou vinutí nebo vysoký podíl nelineární zátěže. Moderní datová střediska obsahují pouze velmi omezený počet nelineárních zátěží, protože většina napájecích zdrojů provádí korekci účiníku. Pokud však má generátor sloužit jako záložní zdroj i pro další systémy v budově, je nutné identifikovat nelineární zátěž, aby mohl být zvolen správný typ generátorového systému.

Rozvaděč a rozvodná síť Další důležitou oblastí při návrhu celého systému je distribuce výstupu z generátoru ke kritické zátěži. Základní principy z oblasti napájení citlivých zařízení jsou uvedeny ve standardu IEEE Standard 1100-1999 (Smaragdová kniha). Doporučeným postupem je návrh systému podle standardu IEEE Standard 446-1995 (Oranžová kniha). Tento standard obsahuje pokyny týkající se automatických systémů, které sledují napájení ze sítě a zajišťují spuštění motoru a přenos zatížení na generátor, jakmile je k dispozici stabilní výstupní napětí. To zahrnuje také zpětný přenos zatížení na napájení ze sítě, jakmile dojde k obnovení normálních podmínek. Všechny tyto funkce jsou obvykle integrovány do systému označovaného jako přepínač ATS (Automatic Transfer Switch). Mezi další běžné funkce patří plánování automatického testu generátoru a velmi důležitý cyklus odstavení generátoru, jakmile je obnoveno napájení ze sítě. Tento hardware obvykle pochází od nejrůznějších dodavatelů včetně výrobců generátorů, výrobců rozvaděčů a rozvodů i specializovaných společností, které se soustředí pouze na návrhy přepínačů ATS. V současnosti existují také předkonfigurované systémy, které řeší hlavní problémy zákaznických implementací včetně vysokých celkových nákladů na vlastnictví (TCO) a komplexnosti. Další informace týkající se přepínačů ATS naleznete v dokumentu White Paper č. 94 „Základní principy přepínačů generátorů pro informační technologie“. Na obrázku 3 je znázorněna funkce a umístění přepínače ATS v podnikovém rozvodu elektrické energie.

Obrázek 3: Záložní generátorový systém vybavený přepínačem ATS

Běžn

Přepínač ATS

napájení

Zatížení Nouzové napájení


11

V návrhu systému je také třeba počítat s odpovídající ochranou před přepětím. Kontakty přepínacího mechanismu musí snést vysoké proudy, aniž by došlo k jejich přitavení. Je také důležité, aby se přepínač při plném zatížení nepřehříval a vydržel odpovídající zkratový proud (proud potřebný k aktivaci ochranných zařízení, jako je například elektrický jistič). Pro zpětné přepojení na napájení ze sítě existují různá přepínací schémata, označovaná jako otevřený přechod a zavřený přechod. Otevřený přechod znamená, že je zatížení nejprve odpojeno od napájení ze sítě a teprve poté je připojeno ke generátoru. Zavřený přechod znamená, že je zatížení nejprve připojeno ke generátoru a teprve poté je odpojeno od napájení ze sítě. Důsledkem je, že po krátký časový interval jsou současně připojeny generátor i napájecí síť. Zavřený typ přechodu je propracovanější a minimalizuje okamžitá přerušení napájení.

Násobné nebo paralelní redundantní generátorové systémy Otázka „kolik?“ přímo souvisí s požadovanou kapacitou a spolehlivostí systému. Systém obsahující několik (stejných) menších jednotek, které dohromady pokryjí maximální zátěž, a jednu jednotku navíc je označován jako redundantní N+1. Příklad uvedený na obrázku 4 znázorňuje 3 generátorové systémy s výkonem 800 kW, které jsou vzájemně synchronizovány a podporují zatížení 1,6 MW. Dalších 800 kW představuje rezervu.

Obrázek 4: Isochronní generátorový systém 1,6 MW s redundancí N+1 Řízení paliva

Řízení paliva

Motor

Motor

Motor Regulátor rychlosti

Monitorování otáček

Sdílení zátěže

Generátor 800 kW

Monitorování napětí

Řízení paliva

Regulátor rychlosti Monitorování otáček

Sdílení zátěže

Generátor 800 kW


Regulátor rychlosti Monitorování otáček

Sdílení zátěže

Generátor 800 kW


Zátěž


12

Spouštěcí postup provede zapnutí všech tří generátorů a jejich vzájemnou synchronizaci. Zatížení 1,6 MW je nyní podporováno redundancí N+1. Paralelní rozvaděč představuje dodatečné náklady, ale zvyšuje statistickou spolehlivost oproti samostatné primární pohonné jednotce. V uvedeném příkladu je pravděpodobnost, že dojde k poruše více než jednoho generátoru, malá ve srovnání se systémem tvořeným jediným generátorem. Je samozřejmě nutné přihlédnout k častým příčinám selhání, jako je například nedostatek paliva, na kterých může ztroskotat sebelepší redundantní plán. Další klíčovou výhodou blokového konceptu (tj. přidávání menších systémů až do pokrytí celé zátěže) je škálovatelnost. Pro rozrůstající se společnosti může být výhodné navrhnout systém tak, aby počítal s možností přidání dalších prvků zvyšujících kapacitu. Je třeba počítat s dalším místem a kabeláž již musí být připravena na možnou cílovou zátěž. Investiční náklady a související údržba jsou odloženy do doby, až si investici vyžádá růst kritického zatížení. Je důležité pečlivě analyzovat potřeby a jasně zdůvodnit výsledný výběr ve shodě s výše uvedenými definicemi. Další informace týkající se škálovatelnosti naleznete v dokumentu White Paper č. 37 „Předcházení nákladům plynoucím z předimenzování infrastruktury datových středisek a síťových sálů“.

Celkový návrh a kompatibilita systému Koncepty týkající se velikosti a zatížení generátorů jsou popsány v dokumentu White Paper č. 95 „Odhad velikosti motorového generátoru pro infrastrukturu s kritickou důležitostí“. Je však důležité zdůraznit, že celkový výkon kombinovaného systému je ovlivněn účiníkem, přepínači a zařízením UPS. Pokud se dodávky účastní více dodavatelů, je důležité, aby se všichni zúčastnili komplexního testování instalace a prověřovacího procesu. Takový typ testovacího plánu může odhalit neočekávané problémy s kompatibilitou ještě před tím, než by měly za následek výpadek napájení kritických zařízení. Testování je třeba provést pro různá zatížení až do 100% výkonu. Cílovou zátěž je často nutné nahradit pomocí zátěžových modulů. Je třeba si dobře uvědomit, že zátěžové moduly nemusí dobře simulovat účiník při zatížení počítači. Pokud nejsou k dispozici speciální reaktanční zátěžové moduly, je třeba počkat, až bude k dispozici skutečná zátěž, a poté je nutné provést dodatečné testy. Existuje způsob, jak se vyhnout složitému testování zákaznických generátorů, přepínačů ATS a systému UPS za účasti mnoha dodavatelů. Stačí vytvořit specifikaci úplného systému a zadat jeho návrh, výrobu a testování v souladu s normou ISO 9000 jedinému dodavateli. Další výhodou předkonfigurovaných systémů je neustálé zvyšování kvality a spolehlivosti, které je výsledkem standardizovaných postupů při výrobě. Tyto postupy eliminují defekty a jsou známy vzrůstající spolehlivostí.


13

Závěry Primární pohonné ústrojí dodává energii generátorovému systému. K dosažení stabilní frekvence při měnícím se zatížení je nutné použít přesný regulátor. Nezbytnými součástmi generátoru pro generování kvalitního střídavého napětí jsou alternátor, regulátor napětí a další řídicí prvky. Přepínače pak zajišťují distribuci generovaného napětí ke kritickým zařízením. Návrh tradičních generátorových systémů může být velmi složitý a výsledkem jsou nákladné technické práce a vysoká pravděpodobnost poruchy. Alternativní předkonfigurované systémy poskytují díky standardizovaným výrobním postupům vyšší spolehlivost.

Odkazy NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, vydání 1999, National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org) NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, vydání 1996 National Fire Prevention Association, 1999 IEEE Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Oranžová kniha) (http://ieee.org) IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment. (Smaragdová kniha) IEEE Standard 602-1996, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities, (Bílá kniha) EGSA Standards 100, 101 a 404 (http://www.egsa.org) „On-Site Power Generation“, Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN 0-9625949-3-8


14

Informace o autorovi: Robert Wolfgang je hlavním aplikačním inženýrem společnosti APC. V současnosti je odpovědný za poskytování konzultací v oblasti datových středisek a za analýzu fyzických topologií klientských řešení v prostředí CAD podle standardů NEC a doporučených postupů. Je klíčovým členem organizace Electrical Generating Society Association a pracuje na výzkumu úrovní dostupnosti společnosti APC. Jeho oborem je určování doporučených postupů pro řadu podsystémů v oblasti fyzické infrastruktury kritických sítí. Robert je absolventem bakalářského studia strojního inženýrství a ve společnost APC pracuje15 let na různých pozicích v oddělení kvality, ve správě technické podpory a ve výzkumu úrovní dostupnosti.


15

Základní principy generátorů pro informační technologie

Recommend Documents