ИТ-портал компании «Инфосистемы Джет»

Дизельные роторные ИБП-системы (DRUPS)

Дизельные роторные ИБП-системы (DRUPS)

Одна из обязательных статей эксплуатационных расходов в ЦОДе – источники бесперебойного питания (ИБП), обеспечивающие независимое электроснабжение дата-центра в случае выхода параметров внешней электрической сети за установленные пределы. ИБП классифицируются по принципу своей работы на статические и динамические.

Статические (классические) ИБП состоят из двух компонент – самих источников и батарей – и обычно работают в тандеме с дизель-генераторными установками (ДГУ), которые обеспечивают резервирование подачи электроэнергии на случай чрезвычайной ситуации. Проблема, остро стоящая перед большинством владельцев масштабных ЦОДов, использующих аккумуляторные батареи, проистекает из самого принципа их работы: в ее основе лежит взаимодействие химических элементов. Следствием является ограниченный срок службы батарей (5, 10, иногда 20 лет). Рано или поздно, даже при соблюдении должных регламентных работ, заказчики неизбежно сталкиваются с необходимостью их плановой замены. Поскольку стоимость аккумуляторных батарей составляет чуть меньше половины от общей стоимости статических ИБП, замена оборачивается значительными инвестициями, которые ложатся на плечи владельцев дата-центров.

На рынке присутствует решение, позволяющее избежать подобной проблемы, – дизельные роторные (динамические) ИБП (Diesel Rotary Uninterruptible Power Supply – DRUPS). Идея DRUPS заключается в совмещении в одном конструктиве синхронного генератора, кинетического модуля/маховика и дизельного двигателя. Аккумуляторные батареи в решении отсутствуют как класс (за очень редким исключением).

Рассмотрим принцип работы одной из моделей DRUPS, представленных на рынке.

Алгоритм работы DRUPS

Электрическое питание из городской сети (так называемое «грязное»), проходя через дроссель, питает синхронный генератор, выступающий в роли двигателя. Соответственно, запитывается ответственная нагрузка. Вал генератора переменного тока вращается со скоростью 1500 об./мин. В обычном режиме работы синхронный генератор выполняет функцию стабилизатора и фильтра напряжения: устраняет гармонические искажения и короткие перебои (до 50 мс), импульсы помех, нивелирует скачки и провалы напряжения городской электросети. Благодаря ему частота и амплитуда выходного напряжения, подаваемого на нагрузку, неизменно стабильны.

Принцип работы дизельных роторных ИБП-систем не нов, подобные установки появились еще в 1950–1960%х гг. Прототипы DRUPS можно встретить на старых российских заводах. Но технологическое решение, пред назначенное для бесперебойного питания именно дата%центров, было предложено вендорами лишь недавно.

На одном валу с синхронной машиной вращается кинетический модуль – аккумулятор кинетической энергии, состоящий из двух роторов: внутреннего и внешнего. Внутренний ротор вращается с той же частотой, что и синхронный генератор – 1500 об./мин, внешний – около 3000 об./мин (относительно внутреннего – те же 1500 оборотов). При этом обмотка постоянного тока внутреннего и короткозамкнутая обмотка внешнего ротора вступают в электромагнитное взаимодействие.

Кинетический модуль в процессе нормальной работы системы накапливает кинетическую энергию. В случае кратковременного (в течение 5 с) пропадания внешнего электропитания или выхода его параметров за границы нормы синхронный генератор продолжает вращаться и питать нагрузку за счет передачи ему энергии модулем. Магнитное поле внутреннего ротора кинетического модуля замедляет скорость вращения внешнего ротора и благодаря электронному блоку управления автоматически поддерживает частоту синхронного генератора на уровне необходимых 1500 об./мин.

Если пропадание «грязного» электропитания происходит на более длительное время, или напряжение питания изменяется больше, чем на 10%, в игру вступает дизельный двигатель. Входной выключатель при этом размыкается, и синхронный генератор из электрической машины трансформируется в генератор тока. Панель управления в это время модулирует индуктивную связь между валом генератора и ротором кинетического модуля, который обеспечивает время автономной работы, необходимое для запуска дизеля. Отметим, что предоставляемое за счет кинетической энергии время автономии гораздо меньше, чем у статических ИБП, позволяющих в этом случае рассчитывать на довольно продолжительный период. В настоящее время производители DRUPS стремятся продлить время автономии: оно увеличивается, если ИБП будет работать при неполной нагрузке (~30%).

В течение этой пятисекундной паузы срабатывает электромагнитное сцепление, обеспечивающее соединение дизельного двигателя и генератора (продолжительность процесса – в среднем не более 1 сек). Дизель вращается на оптимальных для системы оборотах – 1500 и передает энергию вращения синхронному генератору. Выходное напряжение снимается с обмоток генератора и идет через ответственную нагрузку. Кинетический модуль в это время накапливает энергию, возвращаясь к 3000 об./мин. Когда электропитание от сети возобновляется, синхронный генератор переходит на режим синхронного двигателя.

Игроки на рынке дизель-роторных ИБП

В настоящее время на рынке присутствуют четыре производителя DRUPS: Hitzinger, EURO-DIESEL, Hitec Power Protection и Piller, из них пристального внимания заслуживают два вендора – Hitzinger и EURO-DIESEL. Решения этих производителей не отличаются друг от друга по принципу работы, при этом между их продуктами есть определенное конструктивное отличие. Кинетический модуль в решении EURO-DIESEL располагается между синхронным генератором и дизельным двигателем, Hitzinger предпочитает устанавливать его, не разделяя остальные компоненты системы. Свой выбор Hitzinger обосновывает оптимальным расположением модуля в случае его поломки. DRUPS не потребуется останавливать на время проведения ремонта кинетического модуля, поскольку всегда можно будет оперативно осуществить его временную замену. Решение EURO-DIESEL подразумевает режим полного резервирования (2N) во избежание простоев оборудования в случае аварии и выхода из строя одного из DRUPS.

Качество работы дизельного роторного ИБП напрямую зависит от уровня технологического исполнения его компонентов. EURO-DIESEL и Hitzinger производят все детали DRUPS на собственных заводах, что позволяет говорить о том, что вендоры осуществляют полную технологическую цепочку: от проектирования решения до его предэксплуатационного тестирования.

Оба производителя предусмотрели в своих DRUPS дополнительный механизм старта дизельного двигателя. Если двигатель по той или иной причине не вступает в работу, происходит электромагнитное сцепление (через 3–4 с) и, как следствие, прокручивание стартера. Двигатель в этом случае гарантированно «заводится с толкача», что увеличивает надежность пуска ДГУ в аварийном режиме.

Максим Михайличенко, Генеральный директор ООО «ИНГРОСС Лтд» – партнера EURO-DIESEL на территории РФ, так оценивает DRUPS: «Дизельные роторные ИБП-системы демонстрируют высокий уровень надежности и эффективности при совокупной низкой стоимости с учетом поставки оборудования и его сервисного обслуживания. Основными заказчиками решения на сегодняшний день в большей степени являются владельцы ЦОДов, в меньшей – телекоммуникационная и авиационная отрасли промышленности.

Среди преимуществ DRUPS компании EURO-DIESEL можно назвать моноблочнуюконструкцию агрегата и двигатель MTU с пониженным уровнем шума и вибраций. Электромагнитная муфта STROMAG, в отличие от муфты сцепления механического типа, не требует смазки и обслуживания, за счет чего увеличивается срок службы решения. DRUPS также оснащен кинетическим модулем в виде асинхронной бесщеточной машины и бесщеточным бескольцевым синхронным генератором с системой смазки подшипников.

Решению не требуется кондиционирование воздуха для охлаждения кинетического модуля».

Где в плюсе, где в минусе

Как любое решение, DRUPS имеет свои преимущества и недостатки. Имеет смысл провести сравнительный анализ статических и динамических ИБП с целью выбора оптимальной технологии для того или иного проекта.

Использование дизельных роторных ИБП целесообразно, когда требуется обеспечить мощность от 200 КВт и выше.

С учетом окупаемости и рентабельности бизнеса владельцев дата-центров применять DRUPS рекомендуется для обеспечения ЦОД мощностью от 1 МВт и более. В то же время эта величина является минимальным шагом для наращивания, что потребует значительных первичных инвестиций, не соответствующих увеличению мощности серверного оборудования. Например, если вы владеете ЦОД мощностью в 1 МВт, резервирование придется обеспечивать с помощью двух DRUPS по 1 МВт каждый (схема 1+1). Когда энергопотребление дата-центра начнет расти, нужно будет установить дополнительный DRUPS мощностью 1 МВт, чтобы сохранить резервируемость (схема 2+1). В случае со статическими ИБП ситуация иная: на рынке они представлены в широком диапазоне, поэтому мощность можно наращивать постепенно.

По нашим оценкам, эффективность DRUPS начинает появляться в расчетах ТСО на 7 лет при мощности >1 МВт на серверную нагрузку.

При отсутствии капитальных затрат на аккумуляторные батареи имеют место расходы на ремонт дизельных двигателей и другие сопутствующие издержки на эксплуатацию.

По сравнению с классическими ИБП, которые предусматривают резервирование с помощью ДГУ, DRUPS требует гораздо более частых запусков дизеля.

В случае возникновения чрезвычайных ситуаций практически не остается времени на размышления, необходимо ли запускать дизель. Частое количество запусков логично требует большого количества дизельного топлива, для которого необходимы дополнительные емкости для хранения. В то же время емкости нуждаются в повышенных мерах безопасности, таких, как возможность резервного сброса дизельного топлива в случае аварии. Хранилища дизельного топлива в конечном итоге накладывают свой отпечаток на общую стоимость решения.

Необходимо также обратить внимание на такой параметр, как время восстановления системы в случае отказа. При соответствующей конфигурации ЗИП любая авария в статических ИБП может быть устранена за 8 часов. Минимальный срок для полного восстановления DRUPS составляет 24 часа.

Табл. 1. Комплексное сравнение систем бесперебойного электропитания на базе динамических и статических ИБП

Параметр Динамический ИБП Статический ИБП
Фиксированные потери при среднихнагрузках 40–50% 7–8% ~4,5%
Фиксированные потери при средних нагрузках 35% 10% 5%
Возможность постепенного, пошагового наращивания мощности за счет установки дополнительных блоков ИБП (в рамках электро% снабжения одного модуля) нет есть
Количество инсталляций в мире <2% 98%
Необходимость дополнительных устройств для обслуживания Постоянное подъемное устройство грузоподъемностью >5 тонн нет
Необходимость дополнительных зданий и сооружений Необходимо топливное хранилище, здание для ДИБП имеет большие габариты ДГУ для аварийного питания можно установить в контейнерном исполнении, нет необходимости в
топливном хранилище
Время на восстановление MTTR (при наличии специалистов и запасных частей) 24–36 ч до 8 ч
Частота запусков ДГУ высокая низкая
Преобладающий характер аварий Характеристики батарей в процессе работы не изменяются скачкообразно Скачкообразная вероятность возникновения аварии
Удаленность от потребителей нагрузки Располагаются далеко от нагрузки, поэтому существуют доп. риски, связанные с авариями на трассе между ДИБП и потребителями. Доп. расходы на коммуникации Устанавливаются рядом с потребителями
Необходимость плановой замены батарей нет есть
Наличие нормативной базы нет есть

При этом вероятность возникновения неожиданных аварий при использовании дизельных роторных ИБП значительно выше в сравнении с использованием аккумуляторных батарей. Это объясняется тем, что химические элементы в составе батарей и происходящие химические процессы в значительной степени поддаются контролю (например, с помощью специальных систем мониторинга). Это позволяет заблаговременно осуществлять проактивные действия для предупреждения неисправностей. В случае с DRUPS имеет место вероятность скачкообразного возникновения аварии, поскольку поведение механической системы практически невозможно спрогнозировать.

Поскольку DRUPS – кинетическая конструкция с наличием большого количества подвижных частей, она требует максимально ровного фундамента и тщательных выравниваний горизонтов при установке. Иногда оптимально отвести под DRUPS отдельное здание, в нем в обязательном порядке должны присутствовать кран-балки для проведения сборочно-разборочных работ и эксплуатационного обслуживания ИБП.

Одно из преимуществ DRUPS состоит в том, что этот продукт поставляется «под ключ» в виде готового решения. В случае со статическими ИБП требуются проектирование дизельного генератора и разработка схемы его взаимодействия с батареями. К DRUPS нужно лишь подвести питание (вход) и обеспечить его подачу на нагрузку (выход). За качественное выполнение остальной работы отвечает производитель решения.

В отличие от статических ИБП, DRUPS оптимально использовать для электропитания кондиционеров. Компрессоры кондиционеров характеризуются очень высокими стартовыми токами, которые статические источники бесперебойного питания не всегда могут обеспечить. В то же время DRUPS позволяют частично сократить инвестиции в систему кондиционирования за счет своей терпимости к переменам температур. Аккумуляторные батареи требуют строгого режима эксплуатации – не более +25 °C и постоянного кондиционирования воздуха. С другой стороны, в этом вопросе немаловажную роль играет человеческий фактор: температура помещения, в котором установлен DRUPS, может достигать +40 °C, при этом дизельные роторные ИБП периодически требуют проведения эксплуатационных работ. Не каждый сотрудник согласится провести даже ограниченное время в помещении при +40 °C, вполне приемлемых для DRUPS.

Важным аспектом при использовании любого решения является наличие нормативно-правовой документации. К сожалению, необходимого пакета документов на дизель-роторные ИБП в России пока нет. При их ввозе в страну и прохождении таможни возникают значительные трудности.

Но полагаем, что этот вопрос достаточно быстро разрешится.

Инсталляции DRUPS в России – пока вопрос будущего.

В то же время существует определенный круг заказчиков компании «Инфосистемы Джет», проявляющий интерес к данному решению.

Фотографии, используемые в статье, принадлежат компании EURO-DIESEL.

Вернуться к списку статей

Комментарии:

Оставить комментарий »

  • Юрий Владимирович

    Есть ли опыт использования дин ИБП на морских или речных судах?

    • Систем ДДИБП, как правило целесообразно (с т.з. экономической) строить для потребителей (требующих бесперебойное электроснабжение) суммарной мощностью от 800-1000кВА. Наша Компания ни разу не сталкивалась с необходимостью обеспечить бесперебойно нагрузкой ответственных потребителей суммарно мощностью от 800кВА на речных или морских судах.

Оставьте комментарий
Мы не публикуем комментарии: не содержащие полезной информации или слишком краткие; написанные ПРОПИСНЫМИ буквами; содержащие ненормативную лексику или оскорбления.
О журнале

Журнал Jet Info регулярно издается с 1995 года.

Узнать больше »
Подписаться на Jet Info

Хотите узнавать о новых номерах.

Заполните форму »
Контакты

Тел: +7 (495) 411-76-01
Email: journal@jet.su