Alimentación de equipos de fuente única en un entorno de doble

Alimentación de
equipos de fuente
única en un
entorno de doble
alimentación
Por Victor Avelar
Informe interno
N° 62
Resumen ejecutivo
El empleo de arquitecturas de circuito de alimentación doble en combinación con equipos
de IT con fuentes y cables de alimentación dobles es una mejor práctica de la industria. En
infraestructuras que utilizan este enfoque, inevitablemente existen algunos dispositivos de
IT que solo tienen un cable de alimentación. Existen diversas opciones para integrar los
dispositivos con fuente única en un centro de datos de circuito doble de alta disponibilidad.
Este informe explica las diferencias entre las distintas opciones y brinda una guía para
seleccionar el enfoque apropiado.
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Introducción
La mayoría de los centros de datos de alta disponibilidad utilizan sistemas de alimentación con circuitos de
alimentación dobles que llegan hasta las cargas críticas, y la mayoría de los equipos de IT empleados en el
entorno corporativo ofrecen fuentes y cables de alimentación redundantes para hacer llegar los circuitos de
alimentación dobles hasta el bus interno de potencia de los equipos de IT. De esta forma, los equipos
pueden continuar operando aunque se produzca una anomalía en cualquier punto de cualquier circuito de
alimentación. Sin embargo, los equipos con fuente de alimentación única (cable único) presentan una
debilidad respecto de un centro de datos que, si no fuera por esos equipos, ofrecería alta disponibilidad. Los
interruptores de transferencia se utilizan frecuentemente para aumentar la disponibilidad de los equipos de
fuente única, suministrando los beneficios de los circuitos redundantes de la red eléctrica. Si no se la
comprende, esta práctica puede conducir a tiempos de inactividad que podrían haberse evitado.
Existen tres enfoques fundamentales para alimentar los equipos de fuente única en un entorno de doble
alimentación. Se los enumera a continuación:
•
Alimentar los equipos con un cable – Figura 1a
•
Utilizar un interruptor de transferencia en el punto de uso para seleccionar la fuente preferida y, cuando
falla esa fuente, conmutar la carga al segundo circuito de alimentación – Figura 1b
•
Utilizar un gran interruptor de transferencia centralizado alimentado con dos fuentes, para generar un
nuevo bus de potencia a fin de abastecer un gran grupo de cargas de fuente única – Figura 1c
Figura 1a – Una fuente de alimentación de uso
Circuito de energía
primario
UPS 1
Circuito de energía
primario
PDU
Transf.
1
Subpanel
1
Servidor
UPS 1
PDU
Circuito de energía
de respaldo
UPS 2
Figura 1b – Interruptor en punto
Transf.
2
Subpanel
2
PDU
UPS 2
1
Interruptor
de transf.
para montaje
en rack
PDU
Circuito de energía
de respaldo
X
Subpanel
Transf. 1
Transf. 2
Subpanel
2
Figura 1c –Conmutación centralizada
Circuito de energía
primario
PDU con STS
UPS 1
Swich de
transf.
estática
Transf.
reductor
Subpanel
Servidor
UPS 2
Circuito de energía
de respaldo
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Servidor
Funciones del interruptor de transferencia
Un interruptor de transferencia es un componente común en los centros de datos y se utiliza para llevar a
cabo las siguientes funciones:
1.
Conmutar la UPS y otras cargas de la alimentación de la red eléctrica al generador durante la
interrupción en el suministro de la primera.
2.
Conmutación desde un módulo de la UPS con anomalías a la red eléctrica u otra UPS (según los
diseños).
3.
Conmutación de las cargas críticas de IT desde un bus de salida de la UPS a otro en un sistema
de alimentación con circuito doble.
Este informe abordará solamente la tercera función. Si todas las cargas de IT pudieran admitir cables de
alimentación de entrada doble (es decir, fuentes duales), la aplicación mencionada no tendría razón de ser.
En realidad, la mayoría de los equipos de comunicación entre redes, dispositivos de almacenamiento y
servidores sofisticados poseen fuentes de alimentación de entrada totalmente redundantes y cables de
alimentación dobles. Sin embargo, los equipos de fuente única aún conforman entre alrededor del 10 y el
20% de la totalidad de los equipos de IT en infraestructuras de misión crítica. Cuando los equipos de fuente
única son conectados con un circuito único de la red eléctrica de un entorno de circuito doble de la red
eléctrica, puede ponerse en peligro la disponibilidad del proceso comercial general. De acuerdo con el
Informe interno N° 48 de APC, “Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de energía
redundante de montaje en rack”, los centros de datos con fuentes duales completo y circuitos de la red
eléctrica redundantes e independientes pueden ofrecer 10.000 veces menor tiempo de inactividad que los
de diseño de circuito único. Los interruptores de transferencia ayudan a cerrar esta gran brecha,
proveyendo circuitos redundantes de la red eléctrica más cercanos a la carga.
Tipos de interruptores de transferencia
Existen dos tipos principales de interruptores de transferencia utilizados como mejores selectores de fuente:
de transferencia estática y de transferencia electromecánica. Ambos se basan en el principio de
conmutación entre una fuente de energía primaria y una fuente de energía alternativa. Aunque brindan la
misma salida, lo logran en formas diferentes. Cada tipo de interruptor tiene características únicas que
ofrecen beneficios para diferentes tipos de aplicaciones. A continuación se brinda una breve reseña del
funcionamiento de cada uno; puede consultarse una descripción más detallada en el Apéndice A.
Interruptores de transferencia estática (STS)
Aplicaciones
Los interruptores de transferencia estática disponibles en la actualidad pueden tener entre 5kVA y 35 MVA
de potencia. Las unidades STS se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen compañías
eléctricas, plantas de fabricación automotriz, plantas de producción de semiconductores, refinerías de
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petróleo y centros de datos. La mayoría de estos interruptores operan en el rango de entre 100 y 300 kVA y,
por lo general, ocupan la superficie de dos racks de IT ubicados uno a continuación del otro. En
aplicaciones como las refinerías en donde la red eléctrica y la arquitectura eléctrica son menos confiables
que las de los centros de datos de misión crítica, existe poco debate respecto a los beneficios de los
interruptores estáticos. Por el contrario, la red y la arquitectura eléctricas de los centros de datos de misión
crítica son mucho más robustos. En estos casos, la disminución de la confiabilidad asociada con el uso de
unidades STS es mayor que el beneficio que ofrecen estas unidades. La Figura 2 ilustra un ejemplo de un
STS de 200 kVA. Los interruptores estáticos de esta capacidad son más adecuados para grandes cargas
trifásicas de fuente única, como las de las máquinas CNC y otros equipos de fabricación críticos. Aunque en
la actualidad existen grandes equipos IT trifásicos, tales como dispositivos de almacenamiento,
generalmente estos equipos trabajan con cable doble y fuente de alimentación redundante. En los casos de
dispositivos de fuentes duales, la confiabilidad y disponibilidad del suministro se optimizan acercando a la
carga los suministros dobles de la red eléctrica.
Los interruptores estáticos que se encuentran en el rango de entre 5 y 10 kVA suelen diseñarse para su
montaje en racks de IT estándar de 19 pulgadas (483 mm), tal como se ilustra en la Figura 3. En general,
los interruptores estáticos de este tipo se utilizan en entornos de IT, tales como salas de cableado y salas
de datos. El uso de interruptores más pequeños evita que una falla en la unidad STS afecte una gran
porción del centro de datos; así, el tiempo de inactividad resultante de la anomalía tiene consecuencias solo
para los equipos de fuente única de un rack. A diferencia de los STS de mayor capacidad, los interruptores
para montaje en rack admiten la escalabilidad y agilidad. El tiempo que transcurre entre la planificación de la
incorporación de interruptores más pequeños y la efectiva incorporación permite que los gerentes de
sistemas adquieran interruptores solamente si se presenta la necesidad. Más aun, estos interruptores
pueden instalarse y desplazarse fácilmente en función de las actualizaciones del entorno de IT.
Figura 2 – STS de 200 kVA
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Figura 3 – STS para montaje en rack
Fuente: www.spdtech.com
Fuente: www.cyberex.com
Operación
Como su nombre lo indica, los interruptores estáticos no poseen partes móviles. Esto es posible como
resultado de la tecnología de semiconductores. Esencialmente, el “interruptor” de un STS monofásico
consta de dos pares de interruptores con semiconductores denominados Rectificadores controlados de
silicio (SCR), o tiristores, que son controlados por un circuito de detección. Cuando ese circuito detecta que
el circuito primario se encuentra fuera de tolerancia, desconecta el interruptor del circuito primario y conecta
el interruptor del circuito alternativo. La duración de la conmutación suele ser de aproximadamente 4
milisegundos, pero puede ser ligeramente mayor, según el estado de ambas fuentes.
Modos de falla
En general, cuánto más complejo es un sistema, más modos de falla son posibles. En comparación con los
interruptores de transferencia electromecánica, los interruptores estáticos son mucho más complejos, dada
la velocidad a la cual deben tomarse las decisiones cuando se conmuta la carga entre fuentes.
** Por ejemplo, el controlador debe monitorear diversas variables para ambos lados, que incluyen ángulos
de fase, estados del SCR, y estados de los disyuntores, tensiones y corrientes.
•
Falla de control del interruptor estático
Los controles son el componente más crítico, con independencia de cualquier otro, de los interruptores
de transferencia estática debido a su complejidad. Si los controles interrumpieran el envío de señales a
los SCR, según el estado predeterminado de los SCR estos deberían permanecer abiertos, es decir no
conducir electricidad, por lo que caería la carga. Esta es la razón por la cual casi todos los interruptores
estáticos incorporan controladores y fuentes de alimentación redundantes. Los interruptores SCR son
controlados en forma individual y por lo tanto el controlador exhibe cuatro modos generales de falla.
1)
El controlador indica que el interruptor preferido está cerrado pero debería estar abierto. Esto
generará la caída de carga si la fuente preferida no puede soportarla.
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2)
El controlador indica que el interruptor preferido está abierto pero debería estar cerrado. Esto
generará la caída de la carga si el interruptor alternativo está abierto o si la fuente alternativa no
puede soportar la carga.
3)
El controlador indica que el interruptor alternativo está cerrado pero debería estar abierto. Esto
generará la caída de la carga si la fuente alternativa no puede soportarla.
4)
El controlador indica que el interruptor alternativo está abierto pero debería estar cerrado. Esto
generará la caída de la carga si el interruptor preferido está abierto o si la fuente preferida no
puede soportar la carga.
•
Falla del componente SCR
Un SCR es bastante confiable pero cuando falla, entra en cortocircuito el 98% del tiempo, lo que
genera que caiga la carga si se pierde la alimentación que recibe ese interruptor de la red eléctrica. Es
difícil detectar un SCR en cortocircuito porque la diferencia de resistencia (caída de tensión) entre el
que está en cortocircuito y el que opera correctamente suele ser menor que 0,5 voltios. Esto se suma a
la complejidad de los controles.
•
Falla del disyuntor de salida
Si el disyuntor de salida se abre cuando no debe, caerá la carga. En algunos casos, se utilizan dos
disyuntores de salida para eliminar los puntos de falla únicos, pero esto puede dificultar la coordinación
de disyuntores.
•
Falla por error humano
Como sucede en la mayoría de los entornos de misión crítica, el error humano es un modo de falla
común. Dada la complejidad de los interruptores estáticos y sus interacciones con diferentes fuentes de
alimentación de entrada, el error humano puede presentarse de maneras diversas. A continuación se
incluyen algunos ejemplos comunes:
- La elección subóptima de los valores iniciales del interruptor estático puede causar interacciones
negativas específicas de la instalación.
- Operación inadecuada de los disyuntores de bypass del STS. Por ejemplo, si alguien cerrara el
disyuntor preferido de bypass pero no se encontrara disponible la fuente preferida, caería la carga.
- Procedimientos de mantenimiento inadecuados.
Finalmente, es importante destacar que independientemente del modo de falla, los interruptores de
transferencia más grandes harán caer una proporción mayor de la carga total en una infraestructura en
comparación con interruptores más pequeños.
Interruptores electromecánicos o Interruptores de transferencia automática (ATS)
Aplicaciones
La mayoría de los interruptores de transferencia electromecánica, también denominados interruptores de
transferencia automática (ATS), utilizados en esta aplicación no conmutan más allá de 10 kVA de potencia
debido a las limitaciones físicas de los relés con capacidades de potencia tan altas. Esta es la razón por la
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cual los interruptores de transferencia automática para montaje en rack tienden a tener 1U de altura, tal
como se ilustra en la Figura 4. Al igual que el STS para montaje en rack, el ATS para montaje en rack acota
las fallas del interruptor a un rack en lugar de propagarlas por decenas o centenas de racks. En forma
similar, el ATS para montaje en rack admite la escalabilidad y agilidad. Sin embargo, la instalación de un
ATS para montaje en rack es más simple que la de un STS para montaje en rack debido al menor tamaño y
peso.
Figura 4 – ATS para montaje en rack
Operación
Los interruptores electromecánicos dependen de una combinación de propiedades eléctricas y mecánicas.
Al igual que los STS, estos interruptores poseen un controlador que monitorea ambas fuentes de entrada. El
mecanismo para la transferencia de la carga en este caso es un relé. Un relé es un interruptor mecánico
que, por acción de una fuerza magnética, permanece en una posición determinada. Cuando el controlador
detecta que la fuente primaria se encuentra fuera de tolerancia, desenergiza el relé y un resorte fuerza el
pasaje del interruptor a la fuente secundaria. El tiempo total de transferencia para este tipo de interruptor de
transferencia oscila entre 8 y 16 milisegundos.
Modos de falla
Los interruptores electromecánicos son mucho más pequeños y menos complejos que los interruptores de
transferencia estática. Esto se debe fundamentalmente al hecho de que los interruptores electromecánicos
son más fáciles de controlar y no requieren sincronización entre las fuentes de la red eléctrica. Debido al
movimiento físico de un relé, los modos de falla para los interruptores electromecánicos tienden a
relacionarse con los componentes de hardware.
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•
Falla de soldadura del relé
Un posible modo de falla consiste en que el relé se suelde al contacto. Esto sucede en casos de
transferencia de alta tensión que causan un arco de alta temperatura, por lo que se sueldan las superficies
metálicas. En un relé trifásico esto puede ocurrir con uno o más interruptores de relé.
•
Falla del controlador
Aunque las probabilidades son menores con capacidades de potencia menores, es posible que el
controlador tome la decisión de conmutación equivocada. Por ejemplo, si la potencia del lado primario está
fuera de tolerancia, puede suceder que el controlador conmute la carga al lado secundario que directamente
no recibe potencia.
•
Falla del suministro de energía del controlador
El suministro de energía del controlador también puede causar la operación errónea del controlador. Si la
tensión del suministro de energía se torna inestable, es posible que el controlador actúe imprevisiblemente
o que directamente no haga nada.
•
Falla del disyuntor
Un modo de falla importante que debe contemplarse es el de los disyuntores defectuosos que protegen la
salida del interruptor de transferencia. Estos disyuntores suelen ser poco confiables y constituyen puntos
únicos de falla.
Fuentes de alimentación de los equipos de IT
Es importante destacar que los dos tipos de interruptores tratados anteriormente exhiben un tiempo de
transferencia reducido durante el cual no se ofrece suministro a la carga crítica. ¿En qué forma pueden
seguir operando los equipos de IT durante las interrupciones en el suministro? En el Informe interno N° 79,
“Comparación técnica de los diseños de UPS en línea vs. de línea interactiva” se responde esa pregunta
con gran detalle. Parte de esa respuesta se incluye en el Apéndice B del presente para la conveniencia del
lector. En esencia, la Fuente de alimentación conmutada (SMPS) de los equipos de IT debe experimentar
breves perturbaciones energéticas para poder tomar potencia de una tensión de entrada de CA senoidal.
Las especificaciones de IEC 61000-4-11, un estándar internacional, definen los límites de magnitud y
duración de las perturbaciones de la tensión que resultan aceptables para la carga de una SMPS. En forma
similar, el Information Technology Industry Council (ITI, anteriormente conocido como Computer & Business
Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) ha publicado una Nota sobre aplicaciones que describe la
envolvente de tensión de entrada de CA que pueden tolerar en forma típica (sin interrupción en el
funcionamiento) la mayoría de los equipos informáticos (ITE)”. La Figura 5 ilustra la curva del ITIC y
muestra que los equipos de IT continuarán operando normalmente durante 20 milisegundos con cero
voltios. Es posible acceder a la Curva y la Nota sobre aplicaciones mencionadas en:
www.itic.org/technical/iticurv.pdf
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Figura 5 – Curva del ITIC
Porcentaje de tensión nominal (valor eficaz o equivalente a valor
de cresta)
Curva del ITI
(CBEMA)
(modificada en el año 2000 )
500
Región prohibida
400
Envolvente de tolerancia de
tensión para equipos de 120
voltios monofásicos
300
200
Límites continuos
140
120
100
80
70
110
Región sin interrupción en el
funcionamiento
90
Región sin daño
40
0,01 c
1 ms
3 ms
20 ms
0,5 s
10 s
Duración en ciclos (c) y segundos (s)
Selección de los interruptores de transferencia
apropiados
Los interruptores estáticos más grandes tienen una capacidad mucho mayor que los interruptores para
montaje en rack. Aún cuando la mayoría de los equipos de IT de un centro de datos requieren menos de 6
kW de potencia, algunos equipos, como los dispositivos de almacenamiento de montaje en el piso,
requieren mucha más potencia. En esos casos, deben usarse interruptores estáticos más grandes para
suministrar energía redundante a los equipos. Sin embargo, los equipos de IT críticos de este tamaño
suelen contar con fuentes de alimentación / cables redundantes que no deberían requerir un interruptor
estático. La Tabla 1 ilustra las capacidades de potencia para cada tipo de interruptor y sirve como guía para
la selección del interruptor de transferencia apropiado. Asimismo, se incluye la posibilidad adicional de no
utilizar interruptores de transferencia. Las subsecciones que aparecen a continuación describen cada factor
de selección en detalle.
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TCO
El Costo total de propiedad incluye costos de capital relativos a la adquisición e instalación del(de los)
interruptor(es) de transferencia y los costos operativos asociados con el uso del(de los) interruptor(es). Este
tema se desarrolla en mayor detalle en el Informe interno de APC N° 37, “Cómo evitar los costos que
ocasiona el sobredimensionamiento de la infraestructura de los centros de datos y las salas de gestión de
redes”.
Costos de capital
Además de ser más costosos por kVA utilizado, los interruptores estáticos de mayor capacidad que están
sobredimensionados generan costos relacionados con la pérdida de oportunidades. Los interruptores
estáticos más grandes (superiores a 10 kVA) suelen integrarse mediante cableado permanente a la
infraestructura eléctrica del edificio. Los interruptores ATS y estáticos más pequeños simplemente se
conectan a un tomacorrientes, por lo que se evita el gasto de la contratación de electricistas.
Costos operativos
Los costos operativos incluyen el servicio de la compañía eléctrica, el mantenimiento y los impuestos. Los
interruptores estáticos son menos eficientes que los electromecánicos debido a su mayor número de
componentes. La eficiencia se transforma en un tema mayor cuando los interruptores estáticos de alta
capacidad tienen poca carga. Los costos de mantenimiento varían según las recomendaciones del
proveedor; sin embargo, en general, los costos de mantenimiento para los interruptores estáticos son
mayores que los de los ATS debido a la mayor complejidad y cantidad de componentes de los primeros. Es
raro que se tengan en cuenta las cuestiones impositivas cuando se seleccionan interruptores de
transferencia, pero su consideración puede permitir importantes ahorros en función del tamaño del centro
de datos. El Informe interno de APC N° 115, “Beneficios contables e impositivos de la infraestructura portátil
y modular para centros de datos” describe la forma en que pueden clasificarse los dispositivos eléctricos
portátiles y modulares como equipos comerciales, de modo de generar ahorros impositivos (mayor
desgravación fiscal). Es posible obtener los beneficios de la aplicación de la norma mencionada cuando se
utilizan interruptores de transferencia que simplemente se enchufan y que se reubican fácilmente.
Capacidad de administración
La capacidad de administración de la infraestructura eléctrica resulta crítica para la integridad de la red de
IT y telecomunicaciones. Frecuentemente, se identifican los modos de falla crítica recién cuando el
interruptor debe transferir la carga a la fuente alternativa. Esto resulta cada vez más importante con relación
a los interruptores estáticos, dado que estos poseen muchos más modos de falla que los electromecánicos.
La administración remota de los interruptores de transferencia permite que los gerentes de sistemas y los
gerentes de infraestructura monitoreen el estado, registren eventos, configuren valores, lleven a cabo
actualizaciones de firmware y reciban alertas a través del correo electrónico y SNMP. Los interruptores
deberían permitir la administración en base a estándares a través del protocolo HTTP (Web), SNMP y
Telnet.
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Tiempo de transferencia
El interruptor de transferencia debe poder conmutar la carga entre fuentes en 20 milisegundos o menos
cuando ofrece soporte a equipos de IT y telecomunicaciones.
Facilidad de instalación
Dada la alta frecuencia de actualizaciones de IT (1 ½ a 2 años), los interruptores de transferencia deberían
permitir una rápida reconfiguración. Por ejemplo, en casos en los que se reubican equipos de fuente única,
el interruptor de transferencia debería reconfigurarse fácilmente.
Confiabilidad
En general, cuánto más complejo es un sistema, mayor es la probabilidad de que algo falle no solamente en
sus componentes y controles, sino por la intervención humana. Los interruptores estáticos son
inherentemente más complejos que los interruptores electromecánicos y, por lo tanto, requieren un nivel
mayor de comprensión cuando se los opera y repara. Los interruptores electromecánicos tienen la limitación
del número de veces en que el relé debe conmutar. Los relés utilizados para esta aplicación tienen un
régimen nominal típico de 100.000 operaciones. En promedio, los interruptores de transferencia de un
entorno de centro de datos experimentan cuatro transferencias por año. Por lo tanto, los relés brindan una
vida útil prolongada con respecto a la vida útil de los centros de datos.
Calidad de las reparaciones
Cuando los sistemas fallan, el objetivo de todo gerente de sistemas o de infraestructura debería ser
reemplazar el módulo completo con uno reparado o renovado en fábrica. Los interruptores estáticos y
electromecánicos para montaje en rack pueden reemplazarse completamente, a diferencia de los STS más
grandes, que se reparan en el establecimiento del cliente, en entornos poco estandarizados o sin
estandarizar. Sin embargo, la mayoría de los interruptores estáticos incorporan disyuntores de bypass para
permitir el mantenimiento y la reparación al tiempo que se ofrece soporte a la carga. En función de la
configuración, también resulta posible reemplazar interruptores electromecánicos más pequeños sin
desconectar la carga crítica.
Sincronización de fuentes
Cuando se realiza la conmutación entre dos fuentes de la red eléctrica, existe la posibilidad de que las
fuentes no estén sincronizadas, lo que puede causar daños a los equipos aguas abajo del interruptor o
provocar el disparo de los disyuntores. La probabilidad de que esto ocurra aumenta en proporción a la
velocidad de conmutación y el tamaño del interruptor de transferencia. Por lo tanto, los grandes
interruptores estáticos están mucho más expuestos a este problema que los más pequeños. La
conmutación fuera de sincronización de los interruptores electromecánicos no presenta un problema con
respecto a las cargas, pero puede causar una soldadura del relé en el interruptor. Por eso, algunos
interruptores de este tipo incluyen un relé adicional para evitar los arcos eléctricos.
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Escalabilidad
Los equipos de los centros de datos se actualizan aproximadamente cada 2 años, pero los centros de datos
poseen una vida útil esperada de más de 10 años. Durante las actualizaciones, los gerentes enfrentan
diferentes densidades de potencia, niveles de redundancia, tensiones y tipos de enchufes. La escalabilidad
permite lograr un dimensionamiento adecuado, simplifica la planificación y reduce las inversiones iniciales
de capital asociadas con estas variables. Cuánto más grande es el interruptor de transferencia, resulta más
difícil escalarlos y adaptarlos a estos cambios constantes, en especial si desea evitarse el tiempo de
inactividad. Usar interruptores de transferencia más pequeños permite a los gerentes reaccionar a los
cambiantes requisitos comerciales sin desconectar los sistemas críticos.
Combinación de equipos de fuente única y de fuentes múltiples
La mayoría de los centros de datos organizan los equipos de IT por proceso o departamento comercial,
pero nunca se considera de manera exclusiva el hecho de que los equipos sean de fuente única o de
fuentes duales. Por lo tanto, la mayoría de los racks de los centros de datos combinan dispositivos de
fuente única y doble. En la mayoría de los casos, los dispositivos de fuente dual requieren dos cables de
alimentación y bloques de tomacorrientes independientes. Sin embargo, los dispositivos de fuente única
requieren un único cable de alimentación y un solo bloque de tomacorrientes. Esto resulta problemático en
el caso de grandes interruptores estáticos montados en el piso, dado que el mismo rack ahora debe permitir
el acceso de tres cables de alimentación y tres bloques de tomacorrientes independientes que ocupan
espacio necesario para el cableado y los equipos integrados en red. Por su parte, los interruptores de
transferencia pequeños para montaje en rack reciben alimentación directamente de dos cables y bloques de
tomacorrientes, mientras que los equipos de fuente única se conectan directamente en los tomacorrientes
del interruptor.
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Tabla 1 – Características de los tres tipos de interruptores de transferencia
Característica Sin interruptor STA grande
20 kVA – 35
de
MVA
transferencia
STS para
montaje en
rack
ATS para
montaje en
rack
5 – 10 kVA
5 – 10 kVA
US$ 0 / kW
US$ 200 - US$
300 / kW
US$ 550 - US$
700 / kW
US$ 100 - US$
150 / kW
Capacidad de
administración
No se requiere
capacidad de
administración
Protocolos
basados en
estándares no
incluidos en
forma típica
Protocolos
basados en
estándares no
incluidos en
forma típica
Protocolos
basados en
estándares
incluidos en forma
típica
Tiempo de
transferencia
Sin tiempo de
transferencia
4 ms
4 ms
8 ms – 16 ms
Facilidad de
instalación
No se requiere
instalación
Se requiere
cableado
eléctrico
Montaje en rack/
no se requiere
cableado
Montaje en rack/
no se requiere
cableado
Confiabilidad
Se pierden los
beneficios de la
confiabilidad de los
circuitos de potencia
2N
MTBF = 400.000
a 1.000.000
horas
MTBF = 400.000
a 1.000.000
horas
MTBF = 700.000 a
1.500.000 horas
Modo de falla
No aplicable
Cortocircuito
línea a línea o
abierto
Cortocircuito
línea a línea o
abierto
Adhesión a un
cable
Facilidad de
reparación
El mantenimiento
concurrente de la
arquitectura eléctrica
no es posible
Debe repararse
en el
establecimiento
Reemplazado
por unidad
reparada en
fábrica
Reemplazada por
unidad reparada
en fábrica
No se requiere
sincronización de
fuentes
Requerida para
transferencia
segura
La transferencia
sin
sincronización
no es tan crítica
No se requiere
sincronización de
fuentes
No aplicable
Sin escalabilidad
Escalable
Escalable
TCO
Fuentes:
Sincronización
Escalabilidad
Comentarios
El costo inicial para un STS
en rack es
aproximadamente seis
veces mayor que el de un
ATS en rack
La mayoría de los
interruptores de
transferencia brindan relés
de contacto seco en forma
predeterminada, pero
pueden ofrecer funciones
de administración basadas
en estándares como opción
Los equipos de IT requieren
tiempos de transferencia
inferiores a 20 ms.
Se requieren electricistas
matriculados para conectar
los interruptores estáticos
más grandes
Los interruptores estáticos
poseen mayor número de
componentes y complejidad
que los ATS, pero no
poseen partes móviles.
Valores MTBF basados en
estimaciones de la industria
Las fallas de circuitos
abiertos hacen caer la
carga. Los cortocircuitos
línea a línea pueden abrir
los disyuntores aguas
arriba
Los interruptores de
transferencia en rack
suelen reemplazarse con
unidades nuevas o
reparadas en caso de falla
Los efectos adversos de la
conmutación fuera de fase
subsisten con los STS en
rack, pero afectan una
porción más pequeña del
centro de datos
Los interruptores de
transferencia en rack son
flexibles y pueden seguirle
el ritmo al crecimiento del
centro de datos
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Combinación de
equipos de cable
doble y único
Requiere solamente
dos cables de
alimentación por
rack; no hay
beneficio respecto
de las cargas de
fuente única
Debe tener 3
cables de
alimentación por
rack
Requiere
solamente dos
cables de
alimentación por
rack
Requiere
solamente dos
cables de
alimentación por
rack
La distribución de energía
con grandes interruptores
estáticos complica el
cableado en el rack y
consume espacio valioso
Nota: El sombreado en azul indica el mejor rendimiento para la característica correspondiente.
Conclusiones
Con el tiempo, los datos son cada vez más críticos para los negocios; por lo tanto no debería sorprender
que la mayoría de los equipos de misión crítica cuenten con fuentes duales. Sin embargo, a los gerentes de
sistemas y de infraestructura se les sigue planteando un problema a la hora de decidir cuál es la mejor
manera de proveer alimentación redundante desde la red eléctrica a los equipos restantes de fuente única
del rack, o incluso si conviene contemplar esa clase de alimentación o descartarla del todo. La
disponibilidad del suministro para los equipos con fuente única que requieren menos de 10 kVA se optimiza
acercando la redundancia de la red eléctrica al rack. Esto puede lograrse con un interruptor de transferencia
estático para montaje en rack o un ATS para montaje en rack. Sin embargo, sobre la base de los criterios
presentados en este informe, la solución óptima es emplear un ATS para montaje en rack.
Acerca del autor
Victor Avelar es Especialista en Disponibilidad en APC. Es el responsable de proveer asesoramiento y
análisis sobre la disponibilidad para las arquitecturas eléctricas y el diseño de los centros de datos de los
clientes. Victor recibió el título de Bachelor en Ingeniería Mecánica del Rensselaer Polytechnic Institute en
1995 y es miembro de ASHRAE y la American Society for Quality.
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Apéndice A
Interruptor de transferencia estática: Teoría de funcionamiento
Los interruptores de transferencia estáticos, también denominados Relés de estado sólido (SSR), son
dispositivos electrónicos utilizados para conmutar cargas entre dos fuentes de alimentación. A estos
interruptores se los llama "sólidos" y "estáticos" debido a las propiedades de los componentes de
conmutación electrónicos. Los componentes de conmutación se denominan Rectificadores controlados de
silicio (SCR), o tiristores. Para entender la forma en la que opera un SCR, primero se debe entender de qué
material está hecho.
Como lo indica su nombre, todos los SCR están hechos de un material semiconductor denominado silicio,
elemento principal de la arena y del cuarzo. Los materiales semiconductores son una mezcla de aislante y
conductor eléctrico. Los aislantes obstruyen el flujo eléctrico, mientras que los conductores permiten que la
electricidad fluya libremente. En su estado natural, los semiconductores pueden actuar tanto como aislantes
y como conductores, cambiando su temperatura. Pero para controlar mejor estas propiedades conductoras,
los semiconductores tales como el silicio son sometidos a un proceso conocido como dopaje en el que,
esencialmente, se agregan impurezas al semiconductor natural. Inyectando una pequeña cantidad de
tensión en el SCR, estas impurezas le permiten que se vuelva conductor. En la Figura A1 se muestra el
símbolo de un SCR y la imagen de un SCR real.
Figura A1 – Rectificador controlado de silicio
Símbolo del SCR
SCR de disco (hockey puck)
En esencia, el SCR actúa como válvula que permite que la corriente fluya solamente en una dirección. Se
asemeja a la forma en la que funciona una válvula cardíaca en que esta solamente permite que la sangre
fluya en una dirección. Para activar o “cerrar” un SCR, se aplica una pequeña tensión al SCR en su
compuerta, que permite que la corriente fluya del ánodo al cátodo. Sin embargo, la “válvula” de un SCR se
desactiva (abre) automáticamente cuando la onda senoidal de corriente alterna (CA) toca el punto de cruce
cero, tal como se ilustra en la Figura A2. En esta instancia, el SCR deja de conducir y actúa como aislante
indefinidamente, salvo que se le envíe otra señal de compuerta. El SCR no permitirá en ningún caso que se
propague corriente inversa desde el cátodo al ánodo. Entonces, ¿cómo se “procesan” tanto la mitad directa
como la reversa (positiva y negativa) de una onda senoidal de CA?
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Figura A2 – Onda senoidal
Señal de
compuerta
enviada a SCR 1
Punto de
cruce cero
Señal de
compuerta
enviada a SCR 2
La única forma de conducir la totalidad de la onda senoidal es utilizar dos SCR acoplados, tal como se
ilustra en la Figura A3. Así puede enviarse una señal de compuerta a SCR2 para que conduzca la parte
inferior (negativa) de la onda senoidal de la Figura A2. Esto significa que para conducir las dos ondas
senoidales completas de la Figura A2, SCR1 deberá recibir una señal en el primer y tercer puntos de cruce
cero, mientras que SCR2 deberá recibir una señal en el segundo y cuarto puntos de cruce cero.
Consideremos ahora que el controlador del interruptor estático debe enviar estas señales de compuerta con
extrema rapidez y precisión durante todo el tiempo en el que el circuito de energía primario resulte
aceptable. Por lo tanto, si la red eléctrica suministra CA a 50 Hz (50 ondas senoidales por segundo), el
controlador debe enviar 100 señales de compuerta por segundo. Y esto solo es así en el caso de los
interruptores estáticos monofásicos. Los interruptores de transferencia estáticos son casi siempre trifásicos,
lo que significa que el controlador debe enviar 100 señales de compuerta por segundo, por fase, es decir un
total de 300 señales por segundo.
La Figura A3 representa solo una fase de un interruptor de transferencia estático. Esto significa que cada
uno de los lados preferido y alternativo de un interruptor de transferencia estático trifásico debería constar
de 3 pares de SCR acoplados (6 SCR en cada lado, o un total de 12). Nota: los interruptores de
transferencia de alta capacidad utilizan “apilamientos” de la configuración que se acaba de describir, lo que
permite contar con cientos de SCR en el mismo interruptor.
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Figura A3 – Interruptor estático monofásico
K
Bypass de
mantenimiento
Fuente 1
K
SCR acoplados
Salida
LÓGICA
K
SCR
acoplados
K
Fuente 2
K
K
Bypass de
mantenimiento
Bloqueo Kirk Key
Interlock
Ya hemos descripto el SRC y su control, pero en última instancia, ¿de qué forma un interruptor de
transferencia estático transfiere la potencia de una fuente de la red eléctrica a otra? La respuesta está en el
comportamiento del SCR. Recordemos que cuando un SCR recibe una señal de compuerta, continúa
conduciendo electricidad hasta que la onda senoidal alcanza el punto de cruce cero. En esta instancia, los
controles del interruptor de transferencia podrían enviar una señal al mismo SCR o al SCR del lado
alternativo si la fuente de la red eléctrica primaria fuera inaceptable. Estas decisiones deben tomarse en
microsegundos para evitar que caiga la carga crítica. A diferencia de los interruptores de transferencia para
montaje en rack, los interruptores de transferencia estáticos más grandes se ven aun más exigidos en lo
que respecta a estas decisiones. Los grandes interruptores ofrecen soporte a muchas más cargas y son
más vulnerables ante cortocircuitos producidos aguas abajo. La transferencia de fuentes durante un
cortocircuito producido aguas abajo puede ser devastadora, dado que las perturbaciones se propagan a un
circuito estable. Por lo tanto, además de todas las otras decisiones, los interruptores más grandes primero
deben decidir si existe un cortocircuito y, de ser así, evitar la conmutación.
Interruptores electromecánicos o Interruptores de transferencia automática (ATS): Teoría
de funcionamiento
Mientras que los interruptores estáticos utilizan SCR, los interruptores electromecánicos utilizan
componentes denominados relés para conmutar la carga entre la fuente de alimentación preferida y la
alternativa. Los relés se basan en el funcionamiento simple y económico del electroimán. El electroimán
más simple puede fabricarse con solo bobinar un cable alrededor de un clavo y conectar los extremos del
cable a una pila, tal como se ilustra en la Figura A4. Cuando se conecta la pila al cable, esta genera flujo de
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corriente en la bobina que luego produce un campo magnético. Ese campo magnético magnetiza el clavo
que puede utilizarse para atrapar otros objetos metálicos tales como clips para papel. Este mismo principio
permite que las grúas electromagnéticas levanten automóviles en los depósitos de chatarra, aunque en este
caso hace falta mucha más energía que la provista por una pequeña pila.
Figura A4 – Electroimán simple
Entonces, ¿de qué manera un electroimán permite que un relé conmute la carga entre dos fuentes de
alimentación? La Figura A5 brinda algunas respuestas intuitivas. Un relé incluye dos circuitos: el circuito
energizante y el circuito de contacto. El electroimán se encuentra en el lado energizante y los contactos del
relé (C1 y C2) se encuentran en el lado de contacto. Dado que el electroimán atrae el metal cuando se
energiza, se lo ubica cerca del inducido. Un inducido, en un relé, es el dispositivo metálico que pivota entre
los contactos eléctricos. Cuando se energiza el electroimán, su fuerza magnética atrae y mantiene el
inducido contra el contacto C1, y cierra un circuito. Sin embargo, cuando se desenergiza el electroimán, el
inducido necesita una forma de conmutar al contacto C2. Esto puede hacerse fijando un resorte en el otro
extremo del inducido. Independientemente de lo que suceda, el inducido siempre está en contacto con C1 o
C2.
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Figura 5A – Diagrama de relé mecánico
TERMINAL COMÚN
CAMPO MAGNÉTICO CREADO
INDUCIDO
CONTACTOS
PIVOTE
RESORTE
BOBINA
TERMINALES BOBINA RELÉ
Al igual que el interruptor estático, un ATS también necesita un controlador para monitorear la alimentación
entrante desde ambas fuentes, de alimentación primaria y alternativa. Sin embargo, los controles son
mucho más simples dado que no necesitan enviar señales de compuerta cientos de veces por segundo. En
cambio, el controlador simplemente monitorea la condición de las fuentes de alimentación primaria y
alternativa y decide el momento en el cual energizar o desenergizar el relé.
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Apéndice B
Equipos de IT y alimentación de CA: ¿Cómo funciona la Fuente de alimentación conmutada
(SMPS)?
¿En qué forma pueden seguir operando los equipos de IT durante las interrupciones en el suministro?
Primero debe considerarse la forma en la que se produce la electricidad. En general, la electricidad se
distribuye como alimentación de corriente alterna (CA) proveniente de compañías eléctricas y generadores
de respaldo. La tensión de CA “alterna” entre positivo y negativo –en condiciones ideales con la forma de
una onda senoidal perfecta– pasando por el valor de cero voltios dos veces por ciclo. Aunque pueda
resultar imperceptible a simple vista, una lamparita conectada a la tensión de la red eléctrica en realidad
parpadea 100 o 120 veces por segundo (para 50 o 60 ciclos de CA) en función de las veces que la tensión
cruza el punto cero para cambiar la polaridad. ¿Se “desconectan” también los equipos de IT 100 veces o
más por segundo en función de las veces que la tensión de línea cambia la polaridad? Claramente, aquí se
plantea un problema que deben solucionar los equipos de IT. Casi todos los equipos de IT modernos
1
solucionan este problema con una Fuente de alimentación conmutada (SMPS). La SMPS convierte primero
la tensión de CA con todos sus componentes no ideales (crestas de tensión, distorsión, variaciones de
frecuencia, etcétera) en CC (corriente continua) plana. Este proceso carga un elemento de almacenamiento
de energía denominado capacitor, ubicado entre la entrada de CA y el resto de la fuente de alimentación.
Este capacitor es cargado por la entrada de CA en ráfagas dos veces por ciclo de CA cuando la onda
senoidal se encuentra en su cresta (positiva y negativa) o cerca de ella, y se descarga al ritmo que exijan
los circuitos de procesamiento de IT ubicados aguas abajo. El capacitor está diseñado para absorber estos
pulsos normales de CA conjuntamente con las crestas anómalas de tensión en forma continua en toda su
vida útil proyectada. Por lo tanto, a diferencia de la lámpara parpadeante, los equipos de IT operan con un
flujo constante de CC y no con la CA pulsante de la red eléctrica.
Y esto recién empieza. Los circuitos microelectrónicos requieren tensiones de CC muy bajas (3,3 V, 5 V, 12
V, etcétera), pero la tensión en todo el capacitor que acabamos de mencionar puede alcanzar valores tan
elevados como 400 V. La SMPS también convierte esta CC de alta tensión en salidas de CC de baja
tensión reguladas en forma precisa.
Al reducir la tensión de esa forma, la SMPS lleva a cabo otra importante función: brinda aislamiento
galvánico. El aislamiento galvánico es una separación física en el circuito que sirve a dos fines: El primero
tiene que ver con la seguridad, la protección contra choques eléctricos. El segundo es la protección contra
el daño o funcionamiento inadecuado de los equipos debido a tensiones de modo común (en tierra) o ruido.
Puede consultarse información sobre la puesta a tierra y las tensiones de modo común en los Informe
internos de APC N° 9, “Susceptibilidad de las computadoras en modo común”, y N° 21, “Cable neutro: Mitos
y realidad”.
1 La expresión “conmutada” se refiere a una característica del circuito interno de la fuente de alimentación que no tiene
relación con el tema de este documento.
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En la misma forma en que la SMPS sortea los intervalos entre las crestas de la onda senoidal de entrada de
CA –es decir que funciona durante esos intervalos–, sortea otras anomalías e interrupciones breves en la
alimentación de CA. Esta es una característica importante para los fabricantes de equipos de IT, porque
desean que sus equipos funcionen aun en casos en los que no se cuente con una UPS. Ningún fabricante
de equipos de IT desea poner en riesgo su reputación en cuanto a la calidad y rendimiento de sus
productos a causa de una fuente de alimentación que no sea capaz de tolerar ni siquiera las anomalías
mínimas de la línea de CA. Esto es particularmente cierto en el caso de equipos de computación e
integrados en red más sofisticados, que por sus características suelen construirse con fuentes de
alimentación de mayor calidad.
Para demostrar la capacidad de funcionamiento durante las interrupciones, se cargó en gran medida una
fuente de alimentación de computadoras típica, y luego se eliminó su entrada de CA. Se monitoreó la salida
de la fuente de alimentación para determinar durante cuánto tiempo seguía suministrándose tensión de
salida aceptable con posterioridad a la pérdida de la entrada de CA. Los resultados se ilustran en la Figura
B1. Las formas de onda representadas corresponden a la tensión de entrada, la corriente de entrada y la
tensión de salida de CC de la fuente de alimentación.
Figura B1 – Capacidad de funcionamiento durante interrupciones en el suministro
Tensión de
entrada
Corriente de
entrada
Colapsa la salida de
CC
18 ms
Traza superior: Salida de
CC de baja tensión de la
fuente de alimentación
Entrada de CA
interrumpida
Trazas medias: Tensión y
corriente de entrada
Tras la desconexión de la CA, la fuente de alimentación de computadoras muy cargada colapsa,
pero pasa bastante tiempo antes de que eso suceda.
Antes de ser retirada, la tensión de entrada es representada con la onda senoidal de la izquierda en la
Figura B1. La corriente de entrada –la traza en cresta bajo la curva pareja de la tensión– consta de un
pulso corto en la cresta positiva de la tensión de entrada y otro pulso corto en la cresta negativa. Solo
durante estos pulsos de corriente se carga el capacitor de la SMPS. El resto del tiempo, se toma
alimentación del capacitor para suministrar alimentación a los circuitos de procesamiento. La tensión de CC
en la salida de la SMPS está representada con la traza superior de la Figura B1. Nótese que la tensión de
salida permanece regulada con precisión por 18 milisegundos luego de quitarse la entrada de CA. APC ha
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puesto a prueba una variedad de fuentes de alimentación de diferentes fabricantes de computadoras y otros
equipos de IT y llegó a resultados similares. Si las fuentes tienen poca carga, el tiempo de funcionamiento
durante interrupciones en el suministro será mucho mayor dado que el capacitor se descargará más
lentamente.
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