A abordagem paralela oferece uma excelente solução para satisfazer as necessidades de crescimento de uma organização, ao mesmo tempo que alarga o valor dos sistemas UPS existentes. Este documento descreve as principais diferenças e preocupações comuns relativas aos sistemas de bypass centralizados e distribuídos, para o ajudar a determinar a solução ideal para a sua organização.
A necessidade de sistemas UPS paralelos
Os sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) fornecem energia contínua aos sistemas eletrónicos para proteger os dados críticos em todas as empresas. Se o inversor do UPS necessitar de ser desligado por qualquer motivo, alterna para um caminho de bypass interno, deixando as cargas críticas desprotegidas até que o UPS reinicie.
O funcionamento em paralelo prolonga o funcionamento normal de um UPS, oferecendo maior capacidade e/ou redundância. O sistema em paralelo continua a fornecer energia às cargas críticas durante as quedas de tensão da rede elétrica, apagões, surtos, subtensões e condições de frequência fora da tolerância. A arquitetura de um sistema de proteção de energia foi concebida para evitar a perda de dados eletrónicos valiosos, minimizar o tempo de inatividade dos equipamentos e minimizar os efeitos adversos nos equipamentos de produção devido a problemas inesperados de energia.
Organizações como os grandes centros de dados, hospitais e bancos estão cada vez mais a perceber que a utilização da rede eléctrica apresenta riscos significativos, mesmo que por períodos curtos. Uma vez que o custo da inatividade e o risco de perda de dados são proibitivos, estas organizações estão a implementar sistemas UPS redundantes para garantir o fornecimento ininterrupto de energia, mesmo em caso de falha de um sistema UPS.
Como as tecnologias de paralelismo melhoram a fiabilidade da eletricidade
Em paralelo, dois ou mais UPS são ligados elétrica e mecanicamente para formar um sistema unificado com uma única saída — seja para capacidade extra ou redundância. Numa configuração redundante N+1, terá pelo menos mais um módulo UPS do que o necessário para suportar a carga. Como sistema unificado, cada UPS está pronto para assumir a carga de outro UPS sempre que necessário, sem interromper a proteção da carga.
Uma configuração UPS redundante foi concebida para garantir que as cargas de trabalho críticas permanecem protegidas mesmo que uma ou mais UPS dentro dessa configuração estejam indisponíveis. As configurações redundantes paralelas, incluindo as arquiteturas N+1 e N+N, estão entre as variantes mais comuns e eficazes.
Num sistema paralelo redundante, uma falha de energia em qualquer módulo UPS resulta apenas no isolamento instantâneo do módulo afetado, sem desligar todo o sistema. Os restantes módulos UPS continuarão a suportar a carga crítica, com uma alimentação condicional, aumentando assim a fiabilidade da aplicação.
A vantagem em termos de fiabilidade decorre da redundância na fonte de alimentação protegida. Se o sistema estiver a funcionar corretamente, é altamente improvável que o utilizador necessite de operar diretamente a partir da rede elétrica. Qualquer falha de equipamento é tratada pela redundância do sistema, isolando o módulo com defeito, pelo que a ativação do bypass só é utilizada como último recurso. Essencialmente, a alimentação de bypass da rede elétrica só seria utilizada devido a fatores externos à UPS, como sobrecarga, sobreaquecimento ou curto-circuito. A manutenção de rotina do UPS não deve exigir a ativação do bypass.
Compreender o Sistema de Bypass Centralizado e o Sistema de Bypass Distribuído
Existem tipicamente dois tipos diferentes de sistemas UPS multi-módulo: sistemas de bypass centralizados e sistemas de bypass distribuídos.
Num sistema de bypass centralizado, existe um único interruptor estático grande e comum (também conhecido como módulo de bypass do sistema ou SBM) para todo o sistema UPS, dimensionado de acordo com o tamanho final conhecido do sistema. Se o sistema UPS necessitar de ser colocado em modo bypass, a corrente de carga é então fornecida através do módulo de bypass do sistema.
Num sistema de bypass distribuído, cada módulo de UPS possui o seu próprio disjuntor estático interno, dimensionado de acordo com o tamanho da UPS, tal como numa UPS individual. Cada UPS controla a sua própria saída e, se o sistema de UPS necessitar de ser transferido para o modo bypass, cada disjuntor estático de cada módulo é acionado simultaneamente, partilhando a corrente de carga.
A saída do sistema é normalmente fornecida pelos módulos de alimentação ininterrupta (UPS) listados em cada UPS. Vários UPMs (módulos de potência) são ligados com as suas saídas em paralelo (agrupados) para fornecer uma capacidade de carga superior a um único UPM, para redundância ou ambos. Os UPM em paralelo fornecem energia protegida à carga de saída, desde que a carga não exceda a capacidade combinada dos UPM em paralelo.
O sistema de alimentação é redundante, desde que uma das unidades UPS possa ser desligada do barramento de saída e as restantes unidades UPS continuem a fornecer energia à carga sem exceder as suas capacidades nominais. Quando a carga está a ser alimentada pelas unidades UPS, o barramento de saída do sistema é continuamente monitorizado quanto a condições de sobretensão ou subtensão. Se for detetada uma condição fora dos limites, as unidades UPS, em paralelo, transferem a carga para o bypass utilizando interruptores UPS estáticos.
Quais são os efeitos na fiabilidade – existem efeitos?
O tempo médio entre avarias (MTBF, na sigla em inglês) é frequentemente utilizado para descrever a fiabilidade do sistema, um componente essencial dos sistemas informáticos de qualquer organização. A fiabilidade é uma preocupação comum nos sistemas de bypass distribuídos, dado que um maior número de componentes resulta num menor tempo médio entre avarias (MTBF) e, consequentemente, numa menor fiabilidade. O MTBF, por si só, nem sempre satisfaz as necessidades dos sistemas complexos. Métodos mais sofisticados, como os modelos de Markov, podem ser utilizados para estimar a fiabilidade crítica de um sistema tolerante a falhas, como UPSs redundantes. Quando se considera a disponibilidade de um sistema UPS, o MTTR (tempo médio para reparação) é igualmente importante, assim como a capacidade de manutenção, entre outros fatores, embora estes não sejam abordados neste artigo.
Quando se compara um bypass centralizado com um bypass distribuído, é necessário diferenciar dois tipos de avaria: a avaria do interruptor estático em circuito aberto, impedindo o seu funcionamento normal, ou a avaria em curto-circuito, mantendo a corrente quando deveria estar desligada. Vamos analisar o que acontece nestes casos para obter uma visão mais precisa.
• Num sistema de bypass centralizado, se o interruptor estático apresentar uma falha de circuito aberto, o único interruptor estático do sistema simplesmente deixa de funcionar quando necessário, tornando o bypass indisponível.
Num sistema de bypass distribuído redundante, quando uma das chaves estáticas falha, as chaves restantes permanecem operacionais e podem suportar a carga quando necessário. Assim sendo, o sistema apresenta uma maior fiabilidade contra este tipo de falha, pois não depende do funcionamento de uma única chave estática principal.
Se o sistema estiver totalmente carregado e não for redundante, não há diferença em relação a um sistema de bypass centralizado, exceto no maior número de componentes.
Num problema menos comum, ocorre um curto-circuito na chave estática. Num sistema típico com um interruptor estático em curto-circuito, a linha de bypass defeituosa liga a saída do sistema à rede elétrica. Como resultado, os inversores têm eventualmente de ser desligados e todo o sistema entra em bypass. Com um maior número de componentes, este é um cenário provável.
No entanto, se o sistema UPS for bem concebido e possuir proteção contra realimentação, juntamente com uma deteção fiável de curto-circuitos no interruptor estático, o dispositivo de proteção contra realimentação pode abrir nesta condição de falha e os inversores podem permanecer online para suportar a carga.
Num sistema redundante de bypass distribuído, cada UPS pode detetar e isolar independentemente um disjuntor estático em curto-circuito, deixando assim capacidade de bypass suficiente para suportar a carga, se necessário. Portanto, na prática, o efeito de um maior número de componentes tem um impacto mínimo na fiabilidade global do sistema.
Como operar vários interruptores estáticos simultaneamente em condições de falha?
Outra preocupação comum é que um sistema de bypass distribuído não consegue realizar a comutação simultânea de comutadores estáticos em condições de falha, podendo os comutadores tornar-se inutilizáveis. Isto levou alguns especialistas a questionar a utilização de um sistema de bypass distribuído nos seus projetos de data centers. Para compreender como opera um sistema de bypass distribuído em situações de falha, vamos analisar dois casos: uma transferência normal para o bypass e uma transferência de emergência para o bypass.
Uma transferência normal (ou planeada) ocorre quando o utilizador comanda o sistema UPS para realizar o bypass a partir do painel frontal do UPS, através de um sinal externo ou devido a determinadas falhas, como sobrecarga, sobreaquecimento ou problemas semelhantes. Seja qual for o motivo, o sistema detetou a necessidade de realizar o bypass. Neste caso, um dos módulos inicia a transferência e energiza o seu próprio interruptor estático.
Simultaneamente, transmite o pedido de transferência para outras unidades na linha de comunicação. Estas outras unidades recebem o pedido e também transferem os dados. O processamento dos dados a enviar e a receber resulta em pequenos atrasos, no máximo cerca de 2 milissegundos no tempo de activação da chave estática.
Este atraso é insignificante, uma vez que os inversores ainda conseguem suportar a carga durante a transferência normal para o bypass. Os níveis de corrente à saída do sistema são moderados, pelo que os dispositivos de potência nos interruptores não correm risco.
• A Transferência de Emergência para Bypass (ETB) ocorre quando os variadores não conseguem manter a tensão de saída do sistema dentro dos limites normais. Uma situação mais crítica seria um curto-circuito no lado da saída do sistema UPS. Neste caso, os inversores fornecem a maior corrente possível para manter a tensão de saída e podem atingir o seu limite de corrente para proteger os componentes de energia.
Se os dispositivos de proteção entre o UPS e a falha não forem suficientemente pequenos e/ou rápidos, a tensão de saída do UPS irá baixar e sair dos limites. Neste caso, ocorre imediatamente uma transferência de emergência para o bypass (ETB), resultando numa elevada corrente de defeito que flui pelo bypass para corrigir a falha. Assim, é crucial que todas as chaves de transferência estáticas sejam acionadas simultaneamente e partilhem a corrente entre si.
No sistema de bypass distribuído, cada UPS monitorizará individualmente a sua própria saída (a mesma do sistema) e passará para o bypass caso esta esteja fora dos limites. Cada unidade detetará a falha de saída de forma independente.
A deteção da tensão de saída correta é rápida e a necessidade de ETB (Transferência Eletrostática de Corrente) é detetada quase simultaneamente em todas as unidades. Estas, por sua vez, ativarão as suas chaves estáticas de forma independente, sem os atrasos das linhas de comunicação. Quaisquer atrasos entre unidades resultam da execução de loops de programa para deteção da tensão de saída e são frações de milissegundo. Isto permite a transferência simultânea para distribuir adequadamente a corrente de falha entre os interruptores estáticos.
É importante compreender como um sistema UPS opera sob diferentes condições de falha. Como se pode observar, as duas configurações de bypass apresentam a mesma fiabilidade em vários cenários de falha, tanto dentro como fora do sistema UPS, quando estes cenários foram considerados no projeto do produto. Num sistema UPS com dispositivos de deteção de falhas e feedback adequados, os interruptores estáticos podem operar simultaneamente ou o interruptor estático defeituoso pode ser isolado, permitindo que os variadores continuem a operar normalmente. Nos sistemas UPS e SBM da Eaton, a proteção por feedback está integrada de série, e ambos utilizam os mesmos métodos de deteção de falhas para garantir a máxima fiabilidade em aplicações críticas.
Configuração da chave de bypass estática para o suporte de carga
A principal diferença entre os sistemas de bypass centralizados e distribuídos reside na configuração do interruptor de bypass estático do sistema UPS.
Num sistema de bypass centralizado (ou SBM), o interruptor de bypass estático é dimensionado para suportar toda a carga do sistema UPS, quer momentaneamente, quer continuamente.
Num sistema de bypass distribuído, cada unidade UPS possui o seu próprio interruptor de bypass dimensionado para UPS, e estas são ligadas em paralelo.
Esta configuração distinta afeta a configuração do quadro de distribuição de saída:
num sistema de bypass centralizado, é necessário um conjunto completo de interruptores de potência adicionais no quadro de distribuição de entrada e outro conjunto completo de interruptores de potência adicionais no painel de distribuição de saída para alimentar e isolar o interruptor de bypass estático. São também necessárias múltiplas chaves dimensionadas para UPS no quadro de distribuição de entrada e no quadro de distribuição de saída para alimentar e isolar os módulos UPS. Para mais informações, consulte a Figura 2.
• No sistema de bypass distribuído, existe a necessidade de múltiplos interruptores dimensionados para UPS no quadro de distribuição de entrada e no quadro de distribuição de saída para alimentar e isolar os UPS com os interruptores estáticos em paralelo.
Como o interruptor de bypass de manutenção (MBS) precisa de ser dimensionado para fornecer a potência total do sistema, não há diferença no design do sistema neste aspeto. A MBS fará parte da entrada e da saída do equipamento de manobra.
Os interruptores das unidades UPS nas caixas de comutação de entrada e saída serão os mesmos em ambas as configurações, desde que as especificações da UPS ou do módulo de entrada/saída (IOM) sejam as mesmas. Neste caso, UPS refere-se à unidade UPS utilizada para um sistema de bypass distribuído com interruptor estático, e UPS-OIM refere-se à unidade UPS utilizada para um sistema de bypass centralizado sem interruptor estático.
Normalmente, uma UPS ou um sistema de bypass distribuído possui alimentadores separados para o retificador da UPS e para o interruptor estático (consulte a Figura 3 para obter mais informações). Num sistema de bypass distribuído redundante, no entanto, pode ser utilizado um alimentador comum para o retificador e o interruptor estático sem comprometer a fiabilidade do sistema e para reduzir os custos de instalação.
Quando se utiliza um sistema de bypass distribuído, é essencial garantir que a cablagem ou barramento da unidade UPS que liga o painel de comutação de entrada ao bypass estático da UPS, e a saída da UPS ao painel de comutação de saída, têm o mesmo comprimento e impedância. Isto é necessário para distribuir a carga igualmente pelas chaves estáticas da UPS quando o sistema está em bypass ativo. Se estas impedâncias não forem iguais, ocorrerá um desequilíbrio de carga entre os interruptores estáticos, podendo levar à sobrecarga de um ou mais deles.
A ilustração seguinte mostra o princípio básico da fiação. (Ilustração) - Figura 4.
Esta é a principal razão pela qual os sistemas distribuídos em paralelo não são a escolha ideal para utilizar até 100% da sua capacidade, mas são adequados para redundância N+1 ou até 90% (conforme especificado na classificação Tier III). O sistema de bypass centralizado é mais tolerante às impedâncias de cablagem entre UPSs.
O sistema de bypass distribuído oferece maior flexibilidade no dimensionamento do sistema, uma vez que pode ser expandido adicionando UPSs com potências nominais semelhantes em paralelo para aumentar a redundância ou a capacidade. Com um sistema de bypass centralizado (SBM), a potência nominal é limitada à potência nominal do módulo SBM, mas permite a utilização de UPS-IOMs com diferentes potências nominais em paralelo.
Centralizado ou Distribuído? Escolhendo um Sistema UPS Paralelo.
As grandes organizações precisam de configurações personalizadas que satisfaçam os seus requisitos de disponibilidade e gestão. A escolha da configuração é também influenciada pela situação atual, quer o cliente esteja a instalar, atualizar ou substituir um sistema UPS existente por um novo.
Na tabela abaixo, listamos alguns dos prós e contras a considerar ao avaliar a configuração adequada para um sistema UPS paralelo.
Em termos de custos de sistema, comparando dois sistemas simples de dois módulos, um distribuído e outro centralizado, o sistema distribuído será menos dispendioso. No entanto, à medida que o tamanho do sistema UPS paralelo aumenta, a diferença no custo total do sistema UPS, incluindo a ligação e a instalação, torna-se mais significativa.
Na solução da Eaton, a tecnologia paralela HotSync® é partilhada por ambos os sistemas. Embora a maioria das tecnologias paralelas disponíveis no mercado satisfaça as necessidades de sincronização, partilha de carga e desligamento seletivo, geralmente requerem uma quantidade significativa de cablagem entre os módulos e, por vezes, entre os módulos e o painel de bypass. Essencialmente, a falha de qualquer um destes "loops" resultará na transferência de energia do sistema paralelo para o bypass, que é exatamente o resultado que os clientes tentam evitar ao adquirir um UPS paralelo redundante. Com a tecnologia paralela HotSync® da Eaton, os problemas mencionados são eliminados.
Uma arquitetura baseada num algoritmo de partilha de carga HotSync® fornece conectividade e controlo do modo de funcionamento, e realiza a sincronização de múltiplos UPS e a distribuição de carga sem depender de redes de cablagem entre módulos. O sistema de bypass distribuído é constituído por duas a seis unidades de UPS, cada uma com uma placa controladora de rede (CAN) (ligada em paralelo à UPS) e um quadro de distribuição de carga ou armário fornecido pelo cliente para atuar como ponto de ligação. Uma arquitetura ponto a ponto opera o sistema em paralelo sem a necessidade de uma quota de carga mestre ou controlos de sincronização mestre, uma vez que cada inversor que utiliza o algoritmo de distribuição de carga HotSync é capaz de regular a sua própria saída e quota de carga partilhada de forma independente, com base nas suas próprias medições.
Ambos os sistemas podem utilizar a Arquitetura de Vantagem Energética (EAA) da Eaton para poupar energia e, consequentemente, reduzir os custos operacionais do sistema de TI. As duas tecnologias patenteadas complementares, o Sistema de Gestão de Módulos Variáveis (VMMS) e o Sistema de Economia de Energia (ESS), maximizam a eficiência do UPS e reduzem significativamente o consumo de energia e o impacto ambiental.
Considerações finais
As empresas estão a investir em sistemas UPS paralelos para evitar a perda de dados eletrónicos valiosos, minimizar o tempo de inatividade dos equipamentos e reduzir os efeitos adversos das falhas de energia nos equipamentos de produção. Já na década de 1970, estavam a ser implementadas instalações de UPS em diversas instalações militares, de defesa, industriais, comerciais, governamentais e de saúde.
Nos sistemas modernos, não existe um único ponto de falha. Utilizando uma arquitetura ponto a ponto, cada módulo de UPS opera de forma independente, sem um controlador mestre externo ou cablagem entre os módulos de controlo. Tanto os sistemas de bypass centralizado (SBM) como os de bypass distribuído oferecem o benefício de uma maior fiabilidade energética e, portanto, de uma maior disponibilidade do próprio data center. Isto ocorre de duas formas: (1) redundância do sistema UPS e (2) a capacidade de realizar manutenção simultânea em qualquer UPS ou SBM enquanto todo o sistema continua a fornecer energia condicionada e com bateria de reserva.
Ao escolher um sistema UPS paralelo da Eaton, pode ter a certeza de que a sua carga crítica está protegida pelo sistema mais fiável do mercado. Durante o projeto de um sistema UPS, as três perguntas mais importantes que os engenheiros se colocam são: "E se..." para eliminar qualquer ponto único de falha. Ao contrário das ideias erradas comuns sobre os sistemas de bypass distribuídos, a solução da Eaton pode oferecer o mesmo nível de fiabilidade que um sistema de bypass centralizado, desde que o design do UPS seja feito corretamente e as diversas condições de falha sejam devidamente consideradas.
O comprimento da cablagem do sistema paralelo necessário deve ser igual para garantir uma distribuição de corrente aproximadamente proporcional no modo bypass. Para o funcionamento correto, deve ser verdade o seguinte:
1A=2A=3A=4A
1B=2B=3B=4B
Para poupar nos custos de cablagem, a seguinte condição também é considerada suficiente:
1A + 1B = 2A + 2B = 3A + 3B = 4A + 4B
Qualquer diferença no comprimento do cabo resultará numa diminuição da capacidade do sistema UPS no modo bypass. Por exemplo, uma diferença de 10% entre os comprimentos dos cabos mais longo e mais curto resultará numa diminuição de 10% na capacidade do modo bypass. Isto pode impedir a transferência para o variador.
Autor:
Janne Paananen: Engenheiro de Aplicações, Grupo de Grandes Sistemas da Eaton;
Carlos De la Guardia: Engenheiro de Aplicações de Produto, UPS Trifásicos da Eaton
