Calidad y continuidad eléctrica para Data Centers

Calidad y continuidad eléctrica para
Data Centers
Agenda
• Calidad de la energía
• Principales disturbios eléctricos
• Topologías de UPS
• Configuraciones Redundantes
Calidad de la energía
• Nuestro mundo tecnológico se ha vuelto totalmente
dependiente de la electricidad
• La tecnología inteligente exige un suministro
eléctrico libre de interrupciones y perturbaciones
• Los problemas en el suministro eléctrico tienen dos
orígenes
– Externo: Red eléctrica comercial
–
Condiciones Climáticas: tormentas, rayos, nieve, etc.
–
Operaciones de conexión y desconexión
–
Fallas
–
Otros
– Interno: Red y equipo local
El sistema de generación, transmisión y distribución no es perfecto!!
Calidad de la energía
•
•
“La calidad de la energía es un conjunto
de límites eléctricos que permiten que
un equipo pueda funcionar de la manera
prevista sin la pérdida significativa en su
rendimiento o en su tiempo de vida”*
Perturbación eléctrica: cualquier cambio
en el suministro (tensión, corriente o
frecuencia) que interfiere con el
funcionamiento normal del equipo
eléctrico.**
•
Los equipos se han vuelto cada vez más
a perturbaciones
*Fuente: sensibles
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/288/A5.pdf/
** Estándar IEEE-1159
MONITOREO
UPS
GENERADORES
SPD (antes TVSS)
PUESTA A TIERRA
Pirámide de la calidad de la energía
Principales disturbios eléctricos
•
Existen 7 perturbaciones eléctricas principales
1. Transitorios
2. Interrupciones
3. Bajada de tensión/subtensión
4. Aumento de tensión/sobretensión
5. Distorsión de la forma de onda
6. Fluctuaciones de tensión
7. Variaciones de frecuencia
1. Transitorios
¿Qué son?
●
●
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Rayos, puestas a tierra deficientes, cargas
inductivas, ESD, fallas de la red eléctrica,
etc.
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
●
Eventos repentinos de cresta alta que
elevan la tensión y/o los niveles de
corriente en dirección positiva o negativa.
Son muy rápidos: 5 nseg
Alcanzan valores de kV ó kA
Son potencialmente destructivos
Generan desde pérdidas de datos hasta
destrucción de los equipos o Ctos.
Impresos.
¿Cómo se pueden evitar?
●
●
TVSS
Aterrizaje y control de humedad
Impulsive Transient
(ESD)
Rise Time
Voltage
(kV)
Decay Time
8
6
4
2
0
●
10
20
30
Time (ns)
40
2. Interrupciones
●
¿Qué son?
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Daños a la red de suministro eléctrico, rayos,
animales, árboles, accidentes vehiculares,
clima, fallas de los equipos.
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
Es la pérdida total de tensión o corriente
Perdidas de datos, baja de productividad o
calidad industrial, posibles daños en equipos
o destrucción de producto
¿Cómo se pueden evitar?
●
Plantas de emergencia (generadores), UPS
(SAI), diseños eléctricos redundantes.
3. Bajada de tensión /subtensión
●
¿Qué son?
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Arranque de motores, falla grave en equipos o
problemas de configuración, red eléctrica
comercial
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
Es una reducción de CA a una frecuencia dada
con una duración de 0.5 ciclos a 1 minuto. Si
dura más tiempo entonces es una condición
de subtensión.
Paro de sistemas, perdidas de datos,
sobrecalentamiento de motores y fallas en
cargas no lineales( fuentes de computadoras)
¿Cómo se pueden evitar?
●
●
Arrancadores de tensión reducida
Plantas de emergencia (generadores), UPS
(SAI).
Bajada de tensión
Subtensión
4. Aumento de tensión /sobretensión
●
¿Qué son?
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Aumento de tensión
Conexiones neutras de alta impedancia,
reducciones repentinas de carga y fallas
monofásicas en sistema trifásicos
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
Es el aumento en la tensión de CA con una
duración de 0.5 ciclos a 1 minuto. Si dura más
tiempo entonces es una condición de
sobretensión.
Reducción de vida útil de los equipos,
calentamiento excesivo, daños en equipo
¿Cómo se pueden evitar?
●
UPS (SAI), transformadores de control
“ferroresonantes”
Sobretensión
5. Distorsión de la forma de onda
●
¿Qué son?
●
●
●
●
●
●
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Sobrecalentamientos de transformadores,
paros de procesos, pérdida de datos y
comunicaciones, etc..
¿Cómo se pueden evitar?
●
Armónicos
Interarmónica
Corte intermitente
Cargas electrónicas, EMI/RFI, motores de
inducción, soldadoras, etc….
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
Deformaciones de la forma de onda de la
señal eléctrica.
Pueden ser:
Desplazamiento por CC
Armónica
Interarmónica
Corte intermitente
Ruido
Desplazamiento por CC
UPS (SAI)
Ruido
6. Fluctuaciones de tensión
●
¿Qué son?
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
Cualquier carga que exhiba variaciones
significativas de corriente.
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
Variaciones sistemáticas de la forma de onda
de tensión o un serie de cambios aleatorios
de tensión , de pequeñas dimensiones a una
frecuencia baja
Paro del sistema parpadeo de luces
incandescentes
¿Cómo se pueden evitar?
●
●
Eliminación de la carga problemática
UPS (SAI)
Fluctuaciones de tensión
7. Variaciones de frecuencia.
●
¿Qué son?
●
●
¿Qué los provoca?
●
●
●
La red eléctrica comercial es muy estable
Generadores muy cargados o con fallas
¿Qué efectos negativos tiene?
●
●
●
●
Cualquier variación de la frecuencia de la
señal eléctrica comercial (60Hz)
Calentamiento y degradación de motores
Funcionamiento ineficaz
Perdida de bases de tiempo en equipos de
control que tienen base en la periodicidad de
la señal
¿Cómo se pueden evitar?
●
Corregir o reemplazar el generador
Variaciones de frecuencia
Equipo de energía ininterrumpible: UPS (SAI)
● Un(a) UPS es un equipo que proporciona energía eléctrica
ininterrumpida a una carga eléctrica determinada, es decir,
proporcionan energía auxiliar o de respaldo cuando la fuente
principal falla
● En general, consta de 3 elementos básicos
● Un rectificador: Convierte de AC a DC, cargador de Batería
● Un banco de baterías: Almacén de energía
● Un inversor: Convierte de DC a AC
● Existen varios tipos de UPS dependiendo la forma de generar
energía auxiliar:
● Rotativas
● Estáticas
● Mixtas
UPS
•
Existen varios tipos de UPS estáticos pero
son 2 los usados en Data Centers son:
– Interactivo
– Doble conversión (incluye variaciones)
•
Características:
– Proporcionan energía de calidad
– Regulan el voltaje y corriente
– Eliminan efectos distorsiones en la forma
de onda
– Respalda la carga ante cortes de energía
– Protege la inversión en equipos sensibles o
especializados
Por qué es necesario un UPS?
•
A partir de 2000 la “curva”
del Information Technology
Industry Council (ITI), antes
CBEMA, establece los
parámetros operativos de los
equipos electrónicos, p. ej.:
–
Caída a 70% por 0.5 s
–
Caída a 80% por 10 s
–
Pico a 120% por 0.5 s
–
Interrupción de 20 ms
–
Continuo 90-110%
UPS: Línea Interactiva
•
Topología: línea Interactiva
CA
CC
UPS: Línea Interactiva
●Beneficios
- Regulación a la salida, +/- 8%
- Eficiencia típica alta: hasta 96%
●Limitaciones
- Capacidad limitada (kW)
- Forma de onda en baterías
(Cuasisenoidal)
- Tiempo de transferencia típico a
baterías 4- 6 ms
UPS: Doble conversión online
CA
CA
CC
CC
UPS: Doble conversión online
CA
CA
CC
CC
UPS: Doble conversión online
●Beneficios
- Regulación a la salida, en modo NORMAL,
+/- 3%
- Forma de onda en baterías 100%
Senoidal
- Tiempo de transferencia a batts: 0 ms
- Tiempo de transferencia a bypass: 4ms
●Limitaciones
- Mayor costo
- Capacidades mayores a 5 KVA
- Eficiencia menor al interactivo: 85 – 93 %
UPS: Doble conversión online, variaciones
ECO mode:
La energía fluye por el
Switch estático
La calidad de la energía
de salida depende del
suministro
Eficiencia típica alta: 97 –
99 %
ECO Conversion
La energía fluye por el Switch estático
El inversor permanece encendido
Regulación de la corriente de entrada:
Inyección de corriente, no de armónicos
Recarga de baterías durante operación
ECO conversion
Eficiencia típica alta: 97 – 99%
Como se recomienda conectar un UPS?
Fuente: IEEE 1100 - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic
Equipment (2005)
Configuraciones Redundantes: N
•
Ventajas de Capacidad (N)
–
–
–
•
Concepto sencillo
Configuración costo beneficio
Expandible
Desventajas de Capacidad (N)
–
–
Disponibilidad limitada
Carga expuesta a energía sin
protección para mantenimiento
– Muchos puntos únicos de falla
(single points of failure)
Configuración “N”
Configuraciones Redundantes: N+1
•
•
Ventajas de Isolated Redundant (N+1)
– Permite UPSs de marca y modelos diferentes
– No requiere de sincronización entre UPSs
– Solución económica para llegar a
redundancia
Desventajas de Isolated Redundant (N+1)
– El UPS secundario debe aceptar carga
completa de repente
– Menos eficiente que “N” (2do UPS consume
energía continuamente)
– Sistema más complejo
– Requiere de interruptores costosos
Configuración “N+1”
Isolated Redundant
Curva de eficiencia típica de un UPS
A menor carga,
Menor EFICIENCIA
Configuraciones Redundantes: N+1
•
•
Ventajas de Parallel Redundant (N+1)
–
Nivel más alto de disponibilidad que redundante
aislado
–
Más confiable que redundante aislado (los 2 UPS
están en línea 100% del tiempo)
–
Expandible
–
Configuración más sencilla
Desventajas de Parallel Redundant (N+1)
–
Los dos UPS deben ser de la misma marca y
mismo modelo*
–
Carga expuesta a energía sin protección para
mantenimiento
–
Menos eficiente
Configuración
“N+1”
Parallel
Redundant
Configuraciones Redundantes: N+1
•
Ventajas de Distributed Redundant (N+1)
– Permite “mantenimiento concurrente”
– Menos costoso que Sistema + Sistema (2N)
– Mantenimiento con equipo protegido por UPS
•
Desventajas de Distributed Redundant (N+1)
– Configuración compleja
– Ineficiencias debido a carga de UPS
– Sistema depende de STS
Configuración “N+1”
Distributed Redundant
Configuraciones Redundantes: 2N y
2(N+1)
•
Ventajas de Sistema + Sistema (2N+1)
–
Dos rutas de distribución; tolerante a fallas
–
Redundancia desde acometida hasta equipo
crítico
–
Mantenimiento con equipo protegido por
UPS
•
Desventajas de Sistema + Sistema (2N+1)
–
Solución más cara debido a cantidad de
componentes redundantes
–
Ineficiencias debido a carga de UPS
–
Edificios típicamente no idóneos para áreas
Configuración “2(N+1)” System +
System
Algunos servicios recomendados
• Estudios de calidad de la energía
• Coordinación de protecciones
• Filtrado de armónicos
• Compensación de energía reactiva
• Arc Flash
• Flujo de carga
• El mantenimiento de los equipos no es una opción ,
deber!!!
es un
• Preguntas?
J. Alberto Llavot, ATD #669
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Cel.: 55 2690 8414
Twitter: @jallavot