Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Рост нового поколения источников бесперебойного питания (ИБП) без трансформаторов поднимает вопрос о преимуществах и недостатках этого типа ИБП. Обратите внимание, что в этой статье безтрансформаторные ИБП сравниваются с трехфазными модулями двойного преобразования, в которых встроенный трансформатор является неотъемлемым компонентом системы преобразования, а не простым входным или выходным трансформатором, предназначенным только для преобразования напряжения.

За последние пять или семь лет безтрансформаторные ИБП стали вытеснять трехфазные (не более 30 кВ-) источники бесперебойного питания. Эти модули намного меньше, легче и дешевле, чем трансформаторные ИБП предыдущего поколения. Этот тип схемы быстро расширил диапазон ИБП до 100 кВА и создал прочное основание для повышения выходной мощности ИБП до 300 кВА, а в случае модульных систем, и до 1000 кВА и более.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и ИБП без трансформаторов

Сначала немного истории. Старые ИБП были основаны на тиристорных преобразователях, которые имели два состояния: включено или выключено. Они регулировались трансформаторами, поэтому практически все ИБП изначально имели трансформаторы. Ситуация изменилась с появлением биполярного изолированного транзистора (IGBT). Использование биполярных изолированных транзисторов – это основная технология, на которой основана работа ИБП без трансформаторов. В современных ИБП, основанных на использовании технологии IGBT, применяется высокочастотная широтно-импульсная модуляция для практически точного восстановления синусоидального сигнала и устранения необходимости в громоздких выходных трансформаторах или больших выходных фильтров с железным сердечником. Биполярные транзисторы также используются в трансформаторных ИБП.

Сначала схемы без трансформаторов стали появляться в небольших ИБП в середине 1990-х и приобрели широкую популярность к 2000 году. В более ранних ИБП входной трансформатор использовался для усиления низкого входного напряжения, не требуя переключения ИБП на батарейное питание во время снижения напряжения. В более новых системах технология IGBT также используется для более эффективного выпрямления переменного тока, позволяя шине постоянного тока и преобразователю поддерживать устойчивое выходное напряжение при более широких интервалах изменения входного напряжения и частоты, и при этом не требовать перехода на питание от батарей.

Безтрансформаторные и трансформаторные ИБП — что эффективнее и лучше?

Для современных центров обработки данных требуется более эффективный ИБП. То есть источник бесперебойного электропитания, который будет иметь более выской коэффициент полезного действия (КПД). Трансформатор по самой своей природе вносит дополнительные потери, а значит КПД у него будет, естественно, меньше чем у ИБП без трансформаторов. Один из серьезных доводов в пользу безтрансформаторных систем заключается как раз в том, что трансформаторы увеличивают энергетическую эффективность. При нелинейных нагрузках потери, создаваемые старыми трансформаторами, составляли более 2-3%. Благодаря появлению трансформаторов типа Tр1 (а также использованию высокого значения K, т.e., K20), этот показатель уменьшился до 1.5-2%.

Однако не надо забывать, что в дата центре имеет большое значение уровень надежность, и современные цоды строятся с уровнем не менее tier 3. Один из аргументов поставщиков и производителей следующий — трансформаторные ИБП являются более устойчивыми и поэтому они более надежные.

Конечно, теоретический анализ технических различий не будет иметь почти никакого значения без оценки имеющихся изделий и рыночных тенденций. Помимо технических доводов, приводимых сторонниками обоих технологий, иногда все зависит от личных предпочтений. Во многих случаях выбор делается на основе мнения главного инженера или тех, кто принимает окончательное решение о приобретении той или иной технологии. Эти два направления тесно соотносят себя и свой выбор с разными производителями этих систем.

Итак, кто вы — «либеральный» сторонник безтрансформаторных систем или «консервативный» приверженец использования трансформаторов? Это всего лишь противостояние «старой и новой школы» или каждая технология действительно имеет свои четкие отличия и преимущества.

Предложения поставщиков ИБП

Особенно один производитель, Emerson-Liebert, оказывает сильное предпочтение использованию трансформаторных систем в своей ведущей серии мощных ИБП, с максимальной мощностью 750 кВА при использовании одного модуля. Этот производитель также предлагает целую серию безтрансформаторных систем для более низких диапазонов мощности.

«Пограничная линия проходит где-то в интервале 200-300 кВА», — сказал Алан Френч, руководитель технического отдела в Emerson-Liebert. «Ниже этого уровня, существенную часть наших продаж составляют новые безтрансформаторные системы, тогда как более мощные системы являются в основном трансформаторными. Мы думаем, что нашим традиционным крупным заказчикам требуется больший уровень надежности, обеспечиваемый трансформаторными ИБП».

Другие компании, такие как Schneider Electric's APC и MGE, предлагают системы двух типов. APC предлагает модульные и безтрансформаторные системы, в то время как MGE использует трансформаторы в больших системах и безтрансформаторные модули в более низких (не более 150 кВ-А) диапазонах. «APC производит как трансформаторные, так и безтрансформаторные ИБП, но в настоящее время наблюдается тенденция к переходу на безтрансформаторные модели», - сообщил Джон Коллинз, руководитель маркетингового отдела по трехфазным ИБП. «Не стоит считать трансформаторные ИБП более или менее надежными, или менее или более производительными только потому, что в них есть трансформаторы. Мы советуем нашим клиентам не беспокоиться о топологии. Давайте вашим потенциальным поставщикам точные электрические характеристики, предоставляйте данные о своих приложениях и указывайте совокупную стоимость владения (TCO) или минимальные капиталовложения».

     Eaton-Powerware обошлась без трансформаторов практически во всей серии продуктов, в том числе системы мощностью 1100 кВА, состоящих из нескольких модулей). «Мы выпускаем безтрансформаторные системы главным образом потому, что они обеспечивают уменьшение размера, веса, низкочастотного шума и выходного импеданса», — заявил маркетолог Эд Спирз. «В число дополнительных преимуществ входит повышенная системная эффективность, составляющая 1-4%, и, конечно же, более низкий тепловой коэффициент. В наших новых моделях, благодаря отсутствию выходного трансформатора, мы можем мгновенно, в течение 2 мс переводить ИБП из „состояния готовности“ в полнофункциональный режим, в виду отсутствия необходимости в намагничивании трансформатора. Это полезное качество наших энергосберегающих систем и адаптивных систем управлениями модулями, которое существенно повышает эффективность (2-10%), по сравнению с предыдущими и стандартными моделями».

     По словам Чака Хеллера, менеджер Three Phase Power в Chloride, компания предлагает оба типа ИБП, но переходит на безтрансформаторные системы. «Мы наблюдаем общую тенденцию перехода на безтрансформаторные ИБП в дата-центрах, при этом использование внутренних трансформаторов обусловлено специфическими системными требованиями», заявил он. «Интерес к использованию энергетических систем мощностью 415/230 вольт в качестве средства повышения общей эффективности дата-центра растет».

Рост потребности в безтрансформаторных ИБП

Помимо эффективности, эти два типа систем значительно отличаются по размеру, весу и стоимости. Одной из движущих сил этого нового поколения ИБП является стремительно растущая потребность в общей энергии и плотности мощности в дата-центре. Когда одной серверной стойке требовалось только 1-2 кВт, ИБП была относительно небольшой и не занимала слишком много места в дата-центре. По мере увеличения требований до 5, 10, 20 кВт на одну серверную стойку коэффициент площади, требуемой такой ИБП, значительно изменился.

     Не так давно ИБП мощностью 30-50 кВА была более чем достаточной для небольшого дата-центра, но теперь одна серверная стойка с четырьмя блейд-серверами может потреблять 20-30 кВА, поэтому сейчас для дата-центра «маленьким» считается ИБП мощностью 100-250 кВА. Для удовлетворения потребности заказчиков в более мощных системах, размещаемых в ограниченном пространстве, производители начали использовать безтрансформаторные схемы в больших и мощных ИБП.

     Также, удаление трансформатора значительно уменьшило стоимость ИБП, что имеет немаловажное значение для конечного клиента и рынка. Даже владельцам датацентров, которые уверены в большей надежности трансформаторных ИБП, более низкая стоимость ИБП позволяет вложить средства в дополнительное оборудование и строить схемы N+1, 2N или даже 2 (N+1). При такой дополнительной избыточности, даже в случае отказа одного ИБП, остальные ИБП будут в состоянии поддерживать нагрузку. И поскольку безтрансформаторные модули имеют меньший размер, являются более эффективными и менее дорогими, в ЦОД лучше было бы использовать это решения с учетом схемы N+1 или 2N. Это помогло преодолеть проблему надежности и рабочей готовности, которые производители трансформаторных систем считали своим основным преимуществом.