Podstawowe zasady dotyczące agregatów

Podstawowe zasady
dotyczące agregatów
prądotwórczych
zasilania rezerwowego
do zastosowań IT
Robert Wolfgang
White Paper 93
Streszczenie
Wszyscy pracownicy działów IT, którzy są odpowiedzialni za działanie urządzeń komputerowych, powinni przygotować centrum danych lub serwerownię na wypadek dłuższej przerwy w zasilaniu. Zrozumienie podstawowych funkcji i koncepcji systemu agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego zapewni solidne podstawy, które pozwolą pracownikom
działów IT określać, instalować i obsługiwać obiekty o znaczeniu krytycznym. Ten dokument stanowi wprowadzenie do tematyki agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego
i podsystemów zasilających urządzenia elektryczne o znaczeniu krytycznym w sytuacjach,
kiedy zewnętrzna sieć elektryczna nie jest dostępna.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
2
Wstęp
System agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego składa się z dwóch podstawowych podsystemów:
(1) generatora, który jest zbudowany z napędu, prądnicy i regulatora; oraz (2) układu rozdzielczego, który
zawiera automatyczny przełącznik źródeł zasilania (Automatic Transfer Switch — ATS) oraz powiązaną rozdzielnicę mocy i system dystrybucji. Na rysunku 1 pokazano typowy agregat prądotwórczy zasilania rezerwowego. Ten dokument przedstawia poszczególne podsystemy i ich podstawowe funkcje. Jest to jednak
tylko wprowadzenie do większego zbioru dokumentów firmy APC omawiających bardziej zaawansowane
tematy poświęcone systemom agregatów prądotwórczych. Czytelnicy zainteresowani tą problematyką mogą
znaleźć tu odesłania do materiałów referencyjnych.
Rysunek 1 — Agregat prądotwórczy
Inwestując w system agregatu prądotwórczego należy zdać sobie sprawę z korzyści technologicznych zapewnianych przez obecne systemy. W ciągu ostatnich 10–15 lat dokonano znacznego postępu w zakresie
niezawodności i funkcjonalności takich systemów. Starsze systemy agregatów prądotwórczych można często modernizować, tak aby spełniały bieżące wymagania. W dokumencie White Paper 90 firmy APC „Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centers“ można znaleźć dalsze informacje na
temat kluczowych wymagań wobec systemu agregatu prądotwórczego dla współczesnych obiektów o znaczeniu krytycznym.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
3
Napęd: silnik spalinowy wewnętrznego spalania
Co to jest spalanie wewnętrzne? Silniki spalinowe wewnętrznego spalania napędzają większość współczesnych samochodów. Silnik tego typu odgrywał ogromną rolę w drugiej połowie 20. wieku i nic nie wskazuje,
aby miało się to zmienić na początku nowego tysiąclecia. Mówiąc ogólnie, silnik spalinowy wewnętrznego
spalania przekształca energię ze spalania paliwa w ruch mechaniczny przy użyciu wewnętrznych części ruchomych. Kiedy powietrze z zewnątrz zmiesza się z paliwem w silniku, ruchome części powodują zapalenie
mieszanki paliwowej, wynikiem czego jest kontrolowana eksplozja wewnętrzna (spalanie) w otworach nazywanych cylindrami. Występuje wiele odmian silnika spalinowego wewnętrznego spalania, ale w systemach
agregatów prądotwórczych zapasowych najczęściej stosowany jest silnik czterosuwowy. Jego nazwa pochodzi od czterech oddzielnych etapów cyklu spalania. Etapy te obejmują ssanie mieszanki paliwowopowietrznej, sprężanie mieszanki, spalanie lub wybuch i wydech. Silnik generatora jest zwykle nazywany
źródłem napędu. Poniżej przedstawiono najważniejsze atrybuty źródła napędu.
Paliwo
W silnikach spalinowych używane są cztery główne rodzaje paliwa: olej napędowy, gaz ziemny, ropa naftowa
i benzyna. Wybór jednego z tych typów paliwa jest zależny od takich zmiennych, jak możliwość przechowywania, koszt i dostępność.
Wydech, emisje i hałas
Wydech systemu agregatu prądotwórczego stanowi poważny problem ze względu na zanieczyszczenie powietrza i hałas. Koncepcja tłumienia hałasu i wyprowadzania spalin przez kanały wentylacyjne może wydawać się prosta — w przeciwieństwie do kwestii środowiskowych i prawnych. EGSA (Electrical Generating
Systems Association) to ogólnoświatowa organizacja, która zapewnia ogromną ilość informacji na temat
spalin i innych kwestii związanych z użyciem agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego. Przepisy
dotyczące ochrony środowiska, pozwoleń na budowę i okresu eksploatacji agregatu prądotwórczego różnią
się znacząco zależnie od lokalizacji. Na przykład amerykańska federalna Agencja Ochrony Środowiska
(Environmental Protection Agency — EPA) przyznała każdemu stanowi uprawnienia sądownicze oraz zapewniła swobodę działania w celu uzyskania wyznaczonego poziomu jakości powietrza, który ustanowiono
na poziomie całego kraju. Również w innych krajach istnieją podobne ciała administracyjne, które ustanawiają limity emisji spalin przez generatory. Jeśli obiekt znajduje się w obszarze objętym ograniczeniami, podczas ubiegania się o pozwolenia może okazać się konieczne przedłożenie dokumentacji dotyczącej emisji
spalin przez system generatora. Specjaliści branżowi zajmujący się tą tematyką mają zwykle doświadczenie
w zakresie procesu zatwierdzenia w danej lokalizacji.
Kolejną kwestią podlegającą akceptacji przez organa administracyjne jest emisja hałasu. Lokalne rozporządzenia dotyczące emisji hałasu uwzględniają zwykle najwyższy poziom hałasu tła, jaki został zarejestrowany
w ciągu 24 godzin. Tłumiki wydechowe są ogólnie klasyfikowane jako przemysłowe, mieszkaniowe lub krytyczne. Tłumiki znajdujące się w kategorii krytycznych zapewniają najwyższy poziom redukcji hałasu. Aby
uniknąć konieczności modyfikowania projektu, poziom hałasu emitowanego przez system należy rozważyć
przed dokonaniem zakupu. Uzyskane wartości powinny być zatwierdzone przez organy lokalne już na etapie
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
4
planowania. Na ogólny poziom hałasu oraz postrzeganie hałasu przez mieszkańców okolicy wpływ mają
również wibracje mechaniczne. Zastosowanie odpowiednich technik montażu i izolacji pozwoli zminimalizować ten problem.
Kolejną kwestią, którą należy rozważyć, jest estetyka agregatów prądotwórczych, która może wymagać akceptacji przez władze miejskie. Niektóre władze określają wymagania dotyczące położenia agregatu prądotwórczego. Może okazać się konieczne umieszczenie go w pomieszczeniu o ścianach wykonanych z betonu
lub bloczków, które będą dopasowane do ogólnego wyglądu budynku. Dzięki takiemu rozwiązaniu agregat
prądotwórczy zostanie ukryty, zachowując estetyczną neutralność w stosunku do otoczenia.
Wlot powietrza do silnika
Podczas projektowania pomieszczenia należy zapewnić dopływ chłodnego i czystego powietrza do silnika.
Konieczne jest także dostarczanie takiego powietrza dla obsługi. Często wymaga to dużych otworów wentylacyjnych, a także dodatkowych wentylatorów. Należy również zabezpieczyć system przed deszczem, śniegiem i zanieczyszczeniami.
Chłodzenie
Większość źródeł napędów stosowanych w agregatach prądotwórczych jest chłodzona za pomocą chłodnicy, która działa w podobny sposób jak układ chłodzenia w samochodzie. Wentylator kieruje odpowiednią
ilość powietrza na chłodnicę, aby utrzymać właściwą temperaturę silnika. Ciepło odlotowe jest odciągane od
chłodnicy na zewnątrz poprzez przewody wentylacyjne o takim samym przekroju poprzecznym co powierzchnia czołowa chłodnicy. Wlot powietrza (ze szczelinami wentylacyjnymi skierowanymi w stronę pomieszczenia) jest zwykle o 25-50% większy od tych przewodów wentylacyjnych. W celu zapewnienia niezawodnego działania wymagana jest rygorystyczna konserwacja układu chłodzenia. Należy dokładnie sprawdzać przewody chłodziwa, poziom chłodziwa, działanie pompy wody i zabezpieczeń przed zamarzaniem.
Smarowanie
Nowoczesne silniki czterosuwowe wykorzystują systemy filtrów pełnego przepływu pompujące olej smarowy
przez zamontowane na zewnątrz filtry, aby zapobiec uszkodzeniu ruchomych części lub łożysk przez szkodliwe cząsteczki i zanieczyszczenia. Uzupełniające zbiorniki oleju pozwalają zachować właściwy poziom
oleju, a zewnętrzne chłodnice oleju zapobiegają przerwaniu smarowania, które mogłoby zostać spowodowane wysokimi temperaturami.
Filtry powietrza i paliwa
Powietrze i paliwo to krytyczne czynniki dla niezawodnego działania źródła napędu. Należy więc postępować
zgodnie z prawidłowym harmonogramem konserwacji. System wyposażony w podwójne, nadmiarowe przewody paliwowe i filtry stanowi znaczącą korzyść dla zastosowań o znaczeniu krytycznym, które musi cechować długi czas niezawodnego działania. Jest to spowodowane tym, że przewody paliwowe można oddzielić i
wymienić podczas pracy silnika. Brak zapasowych filtrów i innych materiałów eksploatacyjnych może spowodować przestój.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
5
Aktywne monitorowanie filtrów paliwa i powietrza odbywa się za pomocą wskaźników różnicy ciśnień.
Wskaźniki te przedstawiają różnicę ciśnień w filtrze lub między dwoma przewodami paliwowymi w czasie
pracy silnika. Po zastosowaniu do filtrów powietrza te proaktywne urządzenia monitorujące są nazywane
wskaźnikami ograniczenia powietrza. Kiedy silnik agregatu działa, wskazują one w sposób wizualny konieczność wymiany suchego filtra powietrza wlotowego
Silnik rozruchowy
System rozruchowy to jeden z najważniejszych czynników zapewniających skuteczne użycie agregatu. Dla
urządzeń o znaczeniu krytycznym często istnieje system zasilaczy UPS zapewniający kilka minut zasilania z
akumulatorów, przez co ważny jest szybki rozruch. Minimalny czas na wykrycie problemu z zasilaniem, uruchomienie źródła napędu, osiągnięcie stabilnej częstotliwości wyjściowej i napięcia oraz połączenie z zasilanymi urządzeniami wynosi co najmniej 10 do 15 sekund. Jednakże wiele obecnie używanych systemów nie
może zapewnić szybkiego i niezawodnego rozruchu ze względu na takie czynniki, jak nienaładowane lub
odłączone akumulatory. Inne czynniki obejmują nieprawidłową konserwację i błąd ludzki. Skrupulatna konserwacja oraz właściwy projekt mają krytyczne znaczenia dla zapewnienia właściwej liczby poprawnych uruchomień systemu agregatu prądotwórczego.
Większość systemów agregatów prądotwórczych wykorzystuje silniki rozruchowe zasilane akumulatorem
(podobnie jak w samochodach), ale w najcięższych źródłach napędu można spotkać również rozwiązania
pneumatyczne i hydrauliczne. Najważniejszym elementem konwencjonalnego rozrusznika jest zdecydowanie
układ akumulatora. Na przykład obecny w niektórych systemach alternator do ładowania akumulatora nie
działa, aby zapobiec rozładowaniu nieużywanego akumulatora. Zapewnienie oddzielnego, automatycznego
systemu ładowania ze zdalnym alarmem jest uważane za „najlepszą praktykę“. Akumulator powinien pozostawać we właściwej temperaturze i wolny od korozji.
Ogrzewanie akumulatora jest wykonywane za pomocą podgrzewacza, który utrzymuje właściwą temperaturę
elektrolitu w akumulatorze kwasowym. W chłodnym klimacie pozwoli to znacząco zwiększyć napięcie rozruchowe dla silnika rozruchowego. Akumulatory mają określoną moc rozruchową CCA (Cold Cranking Amperes), która jest równa liczbie amperów dostępnych przez 30 sekund w temperaturze -17,8°C (0°F). Niezawodność akumulatora znacznie spada w temperaturze poniżej -17,8°C (0°F) lub powyżej 26,7°C (80°F).
Ogrzewacze bloku silnika również przyczyniają się do skuteczności rozruchów, redukując siły tarcia pokonywane przez silnik rozruchowy podczas pobudzania. Wiele badań dowiodło, że niepowodzenie rozruchu to
wiodąca przyczyna awarii systemów agregatów prądotwórczych.
Prądnica: element generujący prąd
Zadaniem prądnicy jest przekształcanie energii mechanicznej ze źródła energii w prąd zmienny. Przypomina
to działanie alternatora w samochodzie, który jest zwykle napędzany paskiem. Prądnica agregatu prądo2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
6
twórczego jest napędzana przez główny wał pędny źródła napędu. Prostą prądnicę można zbudować z magnesu i pętli wykonanej z metalowego drutu. Elektryczność powstaje, kiedy metalowa pętla jest przesuwana
przez pole magnetyczne wytworzone przez dodatnie i ujemne bieguny magnesu. Możliwe jest także przesuwanie pola magnetycznego, podczas gdy drut pozostaje nieruchomy. Ta zasada działania została wykorzystana w dużych prądnicach stosowanych w agregatach prądotwórczych. Przez lata udało się poprawić niektóre cechy elementów prądnicy, aby zwiększyć wydajność, moc i niezawodność tego urządzenia. Wszystkie
te cechy zostały przedstawione poniżej. Na rysunku 2 pokazano główne elementy typowej prądnicy używanej w systemie agregatu prądotwórczego.
Rysunek 2 – Przekrój poprzeczny: Prądnica samo wzbudna, stabilizowana zewnętrznie,
bezszczotkowa
Obrotowy główny alternator pola
Główny twornik (uzwojenie twornika)
Prądnica z wirującą
wzbudnicą
(twornikiem)
Obudowa
źródła napędu
Obrotowy wirnik
(twornik)
Wyprowadzenia
głównego wirnika
Wał pędny
Zespół
prostownika
(prąd zmienny
na prąd stały)
+
-
Wejście prądu stałego
(z regulatora napięcia)
Twornik wzbudnicy
(pole)
Wyjście prądu zmiennego:
3-fazy + neutralne
Wirnik główny (pole)
Bezszczotkowy
Określenie „bezszczotkowy“ odwołuje się do faktu, że w przypadku tego urządzenia nie jest wymagany żaden kontakt z wirującymi częściami, aby przekazywać energię elektryczną z lub do poszczególnych elementów. Szczotki są używane w silnikach i małych prądnicach. Należy jednak pamiętać, że szczotki zużywają
się, a ich aktywna kontrola nie jest możliwa. Duży agregat prądotwórczy wykorzystujący szczotki nie spełnia
standardów niezawodności wymaganych dla operacji o znaczeniu krytycznym.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
7
Prądnica samo wzbudna
Do generowania prądu w przedstawionym powyżej przykładzie używany był magnes. Duża prądnica wymaga znacznie silniejszego pola magnetycznego, aby generować prąd. Elektromagnes to magnes zasilany
prądem elektrycznym. W nowoczesnych prądnicach wykorzystywane są „samo wzbudzające się“ magnesy.
Oznacza to, że prąd wymagany do utworzenia pola elektromagnetycznego jest generowana w samej prądnicy. W ten sposób prądnica może wytwarzać prąd elektryczny bez konieczności dostarczania energii innej niż
ta, która jest zapewniana przez źródło napędu.
Główny twornik lub uzwojenie twornika
Główny twornik lub uzwojenie twornika to nieruchome cewki wykonane z drutu, w których generowany jest
prąd. Charakterystyka wygenerowanego prądu zmiennego jest powiązana z ilością i geometrią uzwojeń
twornika. Dostępnych jest wiele konfiguracji, które pozwalają spełniać różne wymagania dotyczące natężenia prądu i napięcia.
Uzwojenie trójfazowe to trzy oddzielne cewki rozmieszczone pod kątem 120 stopni, na obwodzie twornika.
Jeśli stator prądnicy ma tylko jedną parę biegunów, każdy obrót twornika powoduje wytworzenie jednego
cyklu prądu zmiennego na fazę. Innymi słowy, aby wygenerować prąd zmienny 50 Hz, źródło napędu musi
obracać twornik z prędkością 3000 obr./min. Jest to dość wysoka prędkość obrotowa dla systemu generatora z silnikiem wysokoprężnym, który będzie zużywał się dwa razy szybciej niż silnik pracujący z prędkością
1500 obr./min. Zapewnienie pola magnetycznego prądnicy z czterema biegunami pozwala obniżyć prędkość
obrotową źródła napędu do 1500 obr./min. w celu uzyskania prądu o częstotliwości 50 Hz. Dostępne są również systemy agregatów prądotwórczych z jeszcze niższą prędkością obrotową, które wykorzystują prądnice
z 6 lub 8 biegunami (odpowiednio 1000 i 750 obr./min.).
Uziemienie
Bardzo ważną kwestią jest uziemienie systemu agregatu prądotwórczego i podłączenie przewodu neutralnego. Aby możliwe było usuwanie uszkodzeń i zapewnienie jakości zasilania, metoda uziemienia powinna być
zgodna z normami elektrycznym dla odpowiedniego regionu. Na przykład w Stanach Zjednoczonych stosowana jest norma zdefiniowana w kodeksie National Electrical Code (NEC) Article 250 Ref. 4 (oraz dodatkowe normy o mocy prawnej).
Uziemienie to prawdopodobnie jeden z aspektów okablowania instalacji o różnych wielkościach, który sprawia najczęściej problemów i jest zwykle stosowany w niepoprawny sposób. Odpowiednie informacje na ten
1
temat zostały zawarte w podręczniku IEEE Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book). W przypadku
zasilania wrażliwych urządzeń elektronicznych należy również rozważyć rekomendacje przedstawione w
1
Organizacja IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) to wiodący autorytet w zakresie wielu aspektów technicznych, włącznie z energią elektryczną. Jest to niedochodowe stowarzyszenie osób
profesjonalnie zajmujących się techniką, które skupia ponad 360 tysięcy członków w około 175 krajach.
www.ieee.org
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
8
podręczniku IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book).
Parametry temperaturowe
Parametry temperaturowe uzwojeń prądnicy to kolejna istotna kwestia, szczególnie w przypadku zastosowań
związanych z nietypowymi warunkami środowiskowymi w zakresie wysokości, temperatury otoczenia lub
wentylacji.
W celu utrzymania właściwej temperatury uzwojeń czasami stosuje się przewymairowanie agregatu prądotwórczego. Dostępne są również specjalne materiały izolacyjne, które wytrzymują wyższe temperatury. Konkretne środowisko pracy może cechować się określonymi problemami i trudnymi warunkami spowodowanymi wilgotnością, temperaturą, zagrzybieniem, szkodnikami itp. Istnieją specjalne wersje i materiały izolacyjne
dla tych zagrożeń środowiskowych, dzięki czemu możliwe jest zachowanie suchości uzwojenia i uniknięcie
zniszczenia izolacji.
Regulator: częstotliwość wyjściowa prądu zmiennego i
jej regulacja
Regulator zachowuje stałą prędkość obrotową źródła napędu w różnych warunkach, dostosowując ilość paliwa podawanego do tego źródła napędu. Wymagana jest stabilna częstotliwość prądu zmiennego. Jest ona
zależna od dokładności i czasu reakcji regulatora. Ten element stanowi podstawowy czynnik decydujący o
jakości wyjściowego prądu zmiennego.
Odchylenia częstotliwości i ich wpływ na jakość zasilania nie stanowią problemu dla użytkowników połączonych ze stabilną siecią elektryczną. Wrażliwe urządzenia elektroniczne są jednak podatne na zakłócenia
spowodowane nagłymi zmianami częstotliwości prądu dostarczanego przez agregat prądotwórczy. Możliwość generowania prądu elektrycznego o stałej częstotliwości jest zależna bezpośrednio od prędkości obrotowej źródła napędu, które jest sterowane przez regulator. Dostępnych jest wiele sposobów dynamicznego
regulowania przepustnicy paliwa w celu zachowania stałej prędkości obrotowej silnika. Obejmuje to zarówno
proste urządzenia oparte na sprężynach, jak i skomplikowane systemy hydrauliczne i elektroniczne. Dołączanie lub odłączanie zasilanych urządzeń powoduje zmiany obciążenia, na które regulator musi reagować.
Regulator izochroniczny (o tej samej prędkości) utrzymuje stałą prędkość niezależnie od poziomu obciążenia. Występują jednak pewne odchylenia prędkości źródła napędu, a ich zakres stanowi miarę stabilności
regulatora. Istniejąca obecnie technologia regulatorów zapewnia regulację częstotliwości w zakresie
± 0,25 % z czasem reakcji na zmianę obciążenia wynoszącym od 1 do 3 sekund. Dzisiejsze elektroniczne
układy półprzewodnikowe zapewniają wysoką niezawodność i wymaganą regulację częstotliwości dla wrażliwych urządzeń.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
9
Jeśli w celu uzyskania większych możliwości lub nadmiarowości stosowane są układy równoległe agregatów
prądotwórczych, należy zapewnić identyczną prędkość ich pracy za pomocą odpowiedniego urządzenia lub
innego agregatu, który służy jako wzorcowe źródło częstotliwości. Jeśli dwa źródła pozostają niezsynchronizowane, jedno z nich przejmie większą część obciążenia, co spowoduje konieczność dokonania korekty.
Od niedawna projektuje się wyrafinowane elektryczne systemy regulujące dla urządzeń równoległych, które
zapewniają niezrównane możliwości koordynacji oraz stabilność poziomu częstotliwości w różnych warunkach. Urządzenia tego typu stanowią cenne uzupełnienie centrów danych o wysokiej dostępności, co jest
związane z ich niezawodnością, prostszą konserwacją i możliwością koordynacji.
Na wybór agregatu prądotwórczego wpływa typ stosowanego paliwa, a także zakres potencjalnych zmian
obciążenia. Ponieważ oba te czynniki wpływają na dokładność i stabilność źródła napędu, należy uwzględnić
je w ogólnym projekcie.
Regulacja napięcia
Głównym zadaniem regulatora napięcia jest sterowanie napięciem prądu generowanego na wyjściu prądnicy. Działanie regulatora napięcia ma zasadnicze znaczenie dla urządzeń komputerowych o znaczeniu krytycznym. Celem jest skonfigurowanie systemu z odpowiednim czasem reakcji, aby zminimalizować zmiany
napięcia występujące podczas zmiany obciążenia. Kolejną kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest zachowanie regulatora po podłączeniu obciążeń nieliniowych, takich jak starsze zasilacze. Urządzenia tego
typu pobierają prąd o charakterze odkształconym od sinusoidy. Obciążenie nieliniowe może mieć negatywny
wpływ na system agregatu prądotwórczego, zagrażając w ten sposób dostępności urządzeń o znaczeniu
krytycznych w czasie pracy w trybie oczekiwania.
Dokument EGSA 101E Section 5 definiuje parametr regulacji napięcia jako „różnicę między poziomem napięcia bez obciążenia i poziomem napięcia przy pełnym obciążeniu, wyrażoną jako procent wartości napięcia
przy pełnym obciążeniu". O napięciu prądu decydują trzy aspekty prądnicy: moc pola magnetycznego, prędkość obcinania pola magnetycznego i liczba uzwojeń (zwojów) w cewce. Ponieważ dwa ostatnie czynniki są
stałe, regulacja napięcia stanowi funkcję zmiany pola magnetycznego w celu osiągnięcia żądanego efektu.
Istnieje wiele technologii służących monitorowaniu napięcia wyjściowego, dzięki czemu możliwe jest zapewnienie zasilania o właściwym poziomie jakości dla centrów danych. Niezależnie od systemu regulatora, należy przygotować się na „czarny scenariusz“, w którym wartość napięcia zasilania w dalszym ciągu będzie
poniżej dopuszczalnego poziomu. Czynniki powodujące wystąpienie tego czarnego scenariusza obejmują
niskie napięcie spowodowane nadmierną temperaturą uzwojenia lub istnienie dużej liczby urządzeń nieliniowych. W obecnych centrach danych występuje niewiele urządzeń nieliniowych, co powodowane jest użyciem
zasilaczy z korekcją współczynnika mocy. Jednakże w sytuacji, gdy agregat prądotwórczy jest używany do
zabezpieczenia innych układów w budynkach, należy zidentyfikować wszystkie urządzenia nieliniowe, aby
dokonać wyboru właściwego systemu.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
10
Rozdzielnica mocy i dystrybucja zasilania
Dystrybucja napięcia wyjściowego agregatu prądotwórczego do urządzeń o znaczeniu krytycznym to kolejny
ważny czynnik wpływający na projekt systemu. Podręcznik IEEE Emerald Book (IEEE Standard 1100-1999)
jest uważany za wiodące, autorytatywne źródło w zakresie zasilania wrażliwych urządzeń. Jego autorzy zalecają projektowanie systemów zgodnie z podręcznikiem IEEE Orange Book (IEEE Standard 446-1995).
Podręcznik IEEE Orange Book zapewnia wytyczne dla systemów automatycznych, które monitorują źródło
zasilania oraz inicjują uruchomienie silnika i przekazanie zasilania urządzeń do agregatu prądotwórczego,
kiedy stanie się on dostępny i stabilny. Obejmuje to także ponowne przekazanie zasilania urządzeń do głównego źródła po przywrócenia normalnych warunków. Zwykle wszystkie te funkcje są wykonywane przez system nazywany automatycznym przełącznikiem źródeł zasilania (Automatic Transfer Switch - ATS). Inne typowe funkcje tego urządzenia obejmują planowanie automatycznych testów agregatu prądotwórczego oraz
wykonywanie bardzo ważnego cyklu schładzania agregatu po przywróceniu głównego źródła zasilania.
Urządzenia wykonujące te zadania pochodzą zwykle od wielu dostawców, na przykład od producentów
agregatów prądotwórczych, producentów rozdzielnic mocy lub specjalistów w zakresie projektowania przełączników ATS. Dostępne są jednak pewne, gotowe systemy, które pozwalają uniknąć pułapek związanych z
użyciem dostosowanych rozwiązań, takich jak wysoki całkowity koszt eksploatacji (TCO) i skomplikowany
projekt. Więcej informacji na temat przełączników ATS zawiera dokument White Paper 94 firmy APC „Fundamental Principles of Generator Transfer Switches for Information Technology“. Rysunek 3 przedstawia
położenie przełącznika ATS w układzie rozdzielającym energię w budynku.
Rysunek 3 – System agregatu zasilania rezerwowego z automatycznym
przełącznikiem źródeł zasilania
Zasilanie
Przełącznik
ATS
normalne
Zasilane
urządzenia
Zasilanie
awaryjne
Projekt systemu musi uwzględniać także odpowiednie zabezpieczenie przed przekroczeniem napięcia. Styki
mechanizmu przełączania muszą przetrwać nagły wzrost prądu bez ryzyka ich przyspawania. Należy także
unikać przegrzewania się przełącznika podczas pracy przy pełnym obciążeniu, a także zapewnić dostarczanie prądu zwarciowego (jest to prąd wymagany do zwolnienia urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym napięciem, takich jak wyłączniki automatyczne). Istnieją różne schematy przełączania w celu przywrócenia zasilania przez sieć elektryczną; są one znane jako przejście otwarte lub zamknięte. Przejście otwarte
oznacza, że przed podłączeniem do generatora następuje odłączenia urządzenia od sieci elektrycznej. W
przypadku przejścia zamkniętego urządzenie zostaje podłączone do generatora przed odłączeniem go od
sieci elektrycznej. Oznacza to, że sieć elektryczna i generator są przez krótki czas podłączone jednocześnie.
Przejście typu zamkniętego jest bardziej zaawansowane i minimalizuje chwilowe przerwy w zasilaniu.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
11
Nadmiarowe systemy z równoległymi agregatami prądotwórczymi
Odpowiedź na pytanie o liczbę agregatów prądotwórczych jest ściśle związana z oczekiwaną mocą i niezawodnością systemu. System z wieloma mniejszymi (identycznymi) jednostkami, które wspólnie zapewniają
wymagane obciążenie szczytowe, oraz z jedną dodatkową jednostką, jest nazywany systemem o nadmiarowości N+1. Przykład na rysunku 4 przedstawia system trzech agregatów prądotwórczych 800 kW, które
zostały zsynchronizowane i obsługują obciążenie wynoszące 1,6 MW. Trzeci generator o mocy 800 kW
znajduje się w rezerwie.
Rysunek 4 –System agregatów prądotwórczych o mocy 1,6 MW z nadmiarowością N+1
Sterowanie
paliwem
Silnik
Sterowanie
paliwem
Silnik
Silnik
Regulator
prędkości
Monitorowanie
prędkości
obrotowej
Równoważenie
obciążenia
Generator
800 kW
Monitorowanie
napięcia
Sterowanie
paliwem
Regulator
prędkości
Monitorowanie
prędkości
obrotowej
Równoważenie
obciążenia
Generator
800 kW
Monitorowanie
napięcia
Regulator
prędkości
Monitorowanie
prędkości
obrotowej
Równoważenie
obciążenia
Generator
800 kW
Monitorowanie
napięcia
Obciążenie
Zainicjowanie sekwencji startowej powoduje uruchomienie wszystkich trzech agregatów prądotwórczych i ich
zsynchronizowanie. Obciążenie wynoszące 1,6 MW może być teraz obsługiwane z nadmiarowością N+1.
Rozdzielnica mocy umożliwiająca pracę równoległą powoduje zwiększenie kosztów, ale zwiększa statystyczną niezawodność w porównaniu z pojedynczym źródłem napędu. W tym przykładzie prawdopodobieństwo wystąpienia jednoczesnego przestoju więcej niż jednego systemu generatora jest mniejsze niż w przypadku pojedynczego generatora. Oczywiście należy pamiętać o fakcie, że najczęściej występujące uszko-
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
12
dzenia (na przykład brak paliwa) mogą być przyczyną niepowodzenia nawet planu z zapewnioną nadmiarowością.
Kolejną zaletą płynącą z wykorzystania koncepcji budowania systemu z bloków — czyli dodawania mniejszych systemów zależnie od wielkości obciążenia — jest jej skalowalność. W przypadku rozwijających się
obiektów można zastosować system, który pozwoli dodawać w przyszłości kolejne elementy. Wymaga to
zapewnienia odpowiedniej przestrzeni oraz dopasowania okablowania do ewentualnego obciążenia. Koszty
inwestycji oraz konserwacji są odkładane w czasie aż do momentu, w którym wzrost liczby urządzeń o znaczeniu krytycznym zagwarantuje zwrot inwestycji. Bardzo ważną kwestią jest dokładne zbadanie potrzeb,
aby dokonać rozsądnego wyboru zgodnie z przedstawionymi wcześniej definicjami. Więcej informacji na
temat skalowalności znajduje się w dokumencie White Paper 37 firmy APC, „Jak unikać kosztów związanych
z nadmierną wielkością instalacji w centrum przetwarzania danych“.
Ogólne kwestie zgodności projektu systemu
W dokumencie White Paper 95 firmy APC „Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure“
przedstawiono koncepcje dotyczące określania wielkości i obciążania agregatów prądotwórczych. Należy
jednak podkreślić wpływ takich czynników, jak współczynnik mocy obciążenia, przełączniki źródeł zasilania i
zasilacze UPS, na ogólną wydajność połączonego systemu. Jeśli zaangażowanych jest wielu dostawców,
należy zapewnić udział wszystkich tych dostawców w procesie kompleksowych testów instalacji i odbioru.
Taki typ planu pozwoli ujawnić nieoczekiwane problemy ze zgodnością zanim wpłyną one na urządzenia o
znaczeniu krytycznym. Testy powinny być wykonywane przy różnych obciążeniach, łącznie z maksymalnym
poziomem wykorzystania. Często konieczne jest sprowadzenie zestawów obciążenia, które będą
zastępowały urządzenia docelowe. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że takie zestawy mogą nie
reprezentować współczynnika mocy urządzeń komputerowych. Jeśli specjalistyczne zespoły obciążenia nie
są dostępne, należy wykonać kolejny zestaw testów, kiedy rzeczywiste urządzenia będą dostępne.
Jednym ze sposobów uniknięcia problemów ze skomplikowanym projektem i koniecznością testowania dostosowanych rozwiązań z agregatami prądotwórczymi, przełącznikami ATS i zasilaczami UPS z udziałem
wielu producentów, jest wybranie kompletnego systemu, który został przygotowany, wyprodukowany i
wstępnie przetestowany zgodnie ze standardami ISO 9000 przez pojedynczego dostawcę. Kolejną korzyścią
płynącą z użycia gotowych systemów jest stale rosnący poziom jakości i niezawodności, co jest wynikiem
zastosowania znormalizowanych technik produkcji pozwalających uniknąć defektów. Proces ten jest nazywany również wzrostem niezawodności.
Wnioski
Źródło napędu dostarcza energię do systemu agregatu prądotwórczego. Aby zapewnić możliwość generowania prądu o stabilnej częstotliwości przy zmiennym obciążeniu, wymagany jest dokładny regulator. Prądnica, regulator napięcia i inne elementy sterujące są wymagane w celu wytworzenia i dostarczania prądu
zmiennego o odpowiedniej jakości do przełącznika źródeł zasilania, które zapewniają zasilanie urządzeń o
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
13
znaczeniu krytycznym. Tradycyjne systemy agregatów prądotwórczych mogą być skomplikowane, co prowadzi do wyższych kosztów prac projektowych, a także oznacza większe ryzyko awarii. Dostępne są alternatywne, gotowe systemy, które zapewniają zwiększoną niezawodność dzięki znormalizowanym technikom
produkcji.
Materiały referencyjne
NFPA 110, Standard for Emergency and Standby Power Systems, wydanie 1999,
National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org)
NFPA 111, Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems, wydanie 1996
National Fire Prevention Association, 1999
Podręcznik IEEE Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power
Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book) (http://ieee.org)
Podręcznik IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book)
Podręcznik IEEE Standard 602-1996, IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care
Facilities
(White Book)
Standardy organizacji EGSA 100, 101 i 404 (http://www.egsa.org)
Podręcznik „On-Site Power Generation", Electrical Generating Systems Association,
1998 ISBN 0-9625949-3-8
O autorze:
Robert Wolfgang jest starszym inżynierem aplikacji systemowych w firmie APC. Obecnie jest odpowiedzialny za doradztwo dotyczące centrów danych oraz analizy układów fizycznych w systemie CAD zgodnie z
kodeksem NEC i najlepszymi praktykami projektowania. Jako wyszkolony członek organizacji Electrical Generating Society Association i zespołu Centrum Badań Gotowości firmy APC, Robert koncentruje się na
przygotowywaniu „najlepszych praktyk“ dla różnych podsystemów w obrębie infrastruktury fizycznej sieci o
znaczeniu krytycznym. Robert otrzymał tytuł inżyniera w zakresie inżynierii mechanicznej i od 15 lat zajmuje
w firmie APC różne stanowiska w działach zapewnienia jakości, zarządzania wsparciem technicznym i gotowości.
2004 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, reprodukowana,
fotokopiowana, transmitowana ani zapisywana w jakimkolwiek systemie przechowywania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw
autorskich. www.apc.com
Wer. 2004-0
14