Como a modularidade aumenta a disponibilidade de sistemas UPS

www.datacenterdynamics.com
Versatilidade x Eficiência x Disponibilidade:
Seu sistema UPS realmente está lhe oferecendo o melhor?
Marcos Fortes Cataldo
Heber Medeiros de Souza
28/05/2014

Proposição
Explanação sobre o real entendimento do que
existe de melhor em tecnologia no sentido de
oferecer, em termos de energia segura a uma carga
crítica:
» maior versatilidade de operação (modularidade)
» maiores níveis de eficiência (rendimento do
sistema e consequentemente maior economia)
» maiores níveis de confiabilidade (disponibilidade
de operação do sistema).

Tecnologia de ontem e de hoje

Definição de UPS
» Uninterruptible Power Supply, ou seja, Fonte
de Energia Ininterrupta.
» Funciona ativamente 24h/dia, 365 dias/ano
– e não apenas quando falta energia da
concessionária.
» Além de manter a carga crítica funcionando
durante quedas de energia, tem as seguintes
características de proteção:

Tempo Exemplo Solução de UPS
1 Falta de Tensão > 10 ms
2 Afundamento de Tensão (Sag) < 16 ms
3 Surto de Tensão (Surge) < 16 ms
4 Subtensão Contínuo
5 Sobretensão Contínuo
6 Transiente por Chaveamento Intermitente
7 Surto de Tensão (Surge) < 4 ms
8 Variação de Frequência Intermitente
9 Ruído de Tensão Periódico
10 Distorção Harmônica Contínuo
Problema na Entrada IEC
Class 3
Off-Line
Class 2
Interativo/Delta Conv.
Class 1
On-Line
Dupla Conversão
VFI
VI
VFD
Classificação de UPS

Retificador:
- Tiristor
Inversor:
- Tiristor
Retificador:
- Tiristor
Inversor:
- IGBT
Retificador:
- IGBT
Inversor:
- IGBT
Retificador:
- Diodo
Booster:
- IGBT
Inversor:
- IGBT
A Evolução do UPS VFI
Somente UPS’s Estáticos

Topologia Tradicional de UPS
Estático

Características e Desvantagens
• Alta distorção de corrente na entrada (> 30%)
• Grandes dimensões
• Equipamentos Pesados
• Filtros de 12 pulsos nos retificadores são caros,
consomem muito espaço e diminuem a eficiência para
< 90%
• Baixo fator de potência de entrada; 0,60 a 0,86
dependendo da carga
• Baterias sujeitas a ripple
• Baixa eficiência (Rendimento < 90%)
• Alta Distorção de saída para cargas não lineares

Topologia com nova
Tecnologia de Booster
Entrada
By-Pass
Entrada
Retificador Inversor
By-Pass
Saída
Booster
Banco de
Baterias
~
=
=
~

• Dupla Conversão, sem transformador
• Número de Baterias variável (30-50 monoblocos), permite ajuste
mais preciso da autonomia
• Carregadores baterias independentes oferecem carga às baterias
sem ripple
• Baixa Distorção de corrente na entrada – Sem filtros adicionais
• Alto Fator Potência entrada (= 0.99), mesmo para carga baixa
• Diodos rápidos no retificador com filtros PFC de controle não cria
incompatibilidade com a rede/fonte de alimentação;
• Gerador de emergência não necessita ser sobredimensionado
• Alta Eficiência (> 95%) devido tecnologia sem transformador
Características e Vantagens

• Essa tecnologia reduz efeitos EMI
• Alta eficiência quer dizer baterias menores e
custos menores
• Baixa impedância (< 1%), excelente resposta
dinâmica e correções são desnecessárias para
cargas desbalanceadas
• Baixa distorção harmônicas saída
• Pesos e tamanhos reduzidos
• Menor dissipação térmica
Características e Vantagens

A Modularidade
• Com a retirada dos transformadores e
indutores ferromagnético de dentro dos UPS,
os equipamentos puderam ser feitos de forma
mais compacta, chegando à modularidade em
gavetas.
• Mas o que isso trouxe de ganhos para os
Sistemas em termos de Disponibilidade,
Versatilidade e até mesmo Eficiência?

Novo Conceito de Proteção
Modular
• O novo Conceito de Proteção Modular para
aplicações críticas do negócio, realça a
disponibilidade total da fonte de alimentação.
• A disponibilidade elevada de fontes de energia
ininterruptas é de suma importância para a
operação contínua de data-centers,
telecomunicações, equipamentos médicos,
controle de tráfego aéreo, transações
bancárias, etc.

• Cada módulo UPS contém todos os
componentes de um UPS:
– Retificador
– Inversor
– Chave-Estática
– Carregador de baterias
– Painel de Controle
– Placas de Controle
• Quando ocorre uma falha, o equipamento
pode ser substituído completamente em
menos de 15min (devido à modularidade),
sem afetar o funcionamento do resto do
sistema
• Isso eleva o nível de disponibilidade do
sistema para valores acima de 99,999%
Controle Display
Inversor
Carregador/Booster
By-pass
Retificador
Disponibilidade

Afim de alcançar uma disponibilidade maior de fornecimento de energia, os módulos
são colocados em paralelo em (n+1) – configurações redundantes.
A disponibilidade (A) do fornecimento de energia de um sistema UPS depende do MTBF
(tempo de intervalo entre falha) e MTTR (tempo de intervalo para reparo) do UPS.
O impacto do MTTR na Disponibilidade é muito grande. A
disponibilidade (5-noves) de um sistema modular UPS com
MTTR=0,25[h] é maior que a Disponibilidade (4-noves) de um
UPS não modular único com MTTR = 6h.
NOTA: A substituição (reparo) de um módulo com falha, é conseguida sem a
necessidade de transferir a carga para bypass, expondo-a a meios não
confiáveis.
𝐴 =
𝑀𝑇𝐵𝐹
𝑀𝑇𝐵𝐹 + 𝑀𝑇𝑇𝑅
Disponibilidade
Tipo de UPS Modular (Hot-Swap) Não-Modular (Único)
MTBF (horas) 200.000 200.000
MTTR (horas) 0,25 6,0
Disponibilidade 0,99999875 (Cinco Noves) 0,99997 (Quatro Noves)

• Devido à facilidade de retirada e inserção dos módulos
no sistema e dada à capacidade de expansão sem
limitação do paralelismo, é muito simples aumentar ou
transferir cargas de sistemas independentes ou não.
Versatilidade

UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
II piętro
I piętro
Carga:
50kVA
Carga:
80kVA
UPS:
N+1 - 60kVA
UPS:
N+1 - 90kVA
Caso Prático: Data Center

UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
II piętro
I piętro
Conceito de Proteção Modular

UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
II piętro
I piętro
Aumento de carga no UPS!!
Carga:
25kVA
Carga:
105kVA
Falta Redundância!!
UPS:
N+2 - 30kVA
UPS:
N+0 - 120kVA

UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
II piętro
I piętro
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
Aumento de carga no UPS!!Falta Redundância!!

UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
II piętro
I piętro
UPS module
UPS module
UPS module
UPS module
Carga:
25kVA
Carga:
105kVA
UPS:
N+1 - 30kVA
UPS:
N+1 - 120kVA
Carga no UPS
Reestabelecida
Redundância
Reestabelecida

• O tempo de manutenção/reparo é substancialmente
melhorado pela tecnologia modular pois os módulos
podem ser retirados para a realização do serviço,
mesmo por pessoal treinado apenas na operação do
equipamento.
• Graças ao novo design, o MTTR é melhorado
consideravelmente para menos de 15 minutos.
• O acesso ao módulo é sempre frontal e dessa forma o
espaço ocupado pelo armário é bem menor.
Facilidade para Manutenção e
Reparos

• Outra característica do design Modular é a capacidade
de colocar em paralelo e operar com módulos de
diferentes potências 10, 15, 20, 30, 40 ou 50kVA.
• Se há configurações de UPS com módulos diferentes
em diferentes localidades, é suficiente manter em
estoque, somente o maior módulo, pois este pode
substituir qualquer outro.
• Isto reduz drasticamente o estoque de partes
sobressalentes necessárias.
Facilidade para Manutenção e
Reparos

Arquitetura Modular Centralizada
Saída
By-Pass
Bateria
Display
Potência
Potência
Potência
Potência
By-
Pass
Ctrl Display Ctrl
Bateria
» Bateria
» Comum
» By-Pass
» Centralizado
(Único)
» Módulos
» Apenas Potência
» Placa de Controle
» 1+0 ou 1+1
» Display
» Único PONTO ÚNICO DE
FALHA

NÃO HÁ PONTO
ÚNICO DE FALHA
Módulo
Módulo
Módulo
Módulo
Bateria
Bateria
Bateria
Bateria
Retificador Inversor
By-PassBooster
ControleDisplay
» Bateria
» Por Módulo
» By-Pass
» Descentralizado
(Por Módulo)
» Módulos
» Completos
» Retificador,
Inversor, Booster,
Controle, Display e
By-Pass
» Placa de Controle
» Por Módulo
» Display
» Por Módulo
Arquitetura Modular Descentralizada

» Operando acima de 70% de carga, os UPS’s trabalham na melhor faixa de
rendimento elétrico (95%)
» Menor corrente de carga de bateria
» Menor potência instalada, diminuindo a potência necessária para o Gerador
» Menor dissipação térmica, diminuindo o dimensionamento do Ar
Condicionado
» Menor dimensionamento de cabos e quadros elétricos
Eficiência
Carga
150kVA
UPS
150kVA
UPS
150kVA
1+1 de
150kVA
Tradicional Não-Modular
Configuração Redundante
UPS
Modular
200kVA
Carga
150kVA
3+1 de
50kVA
Modular Avançado
Configuração Redundante

Eficiência
Conclusão Sistema UPS Modular
• Operando acima de 70% de carga, os UPS’s trabalham
na melhor faixa de rendimento elétrico (95%)
• Menor corrente de carga de bateria
• Menor dissipação térmica, diminuindo o
dimensionamento do Ar Condicionado
• Menor potência instalada, diminuindo a potência
necessária para o Gerador
• Menor dimensionamento de cabos e quadros elétricos

Disponibilidade
Eficiência
Versatilidade
Conclusão Sistema UPS Modular
• Maior rendimento elétrico = Menor gasto energético
• Menor área ocupada
• Maior densidade de potência
• Menor TCO (Custo total de Propriedade)
• Padronização de Peças de Reposição
• Total flexibilidade de crescimento e migração
• Alta Disponibilidade
• Menor Tempo de Reparo (MTTR)
• Arquitetura de Paralelismo Descentralizada

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