I recenti sviluppi tecnologici
degli UPS statici
Bologna, 24 Maggio 2012
Alessandro Nalbone – CSC Engineer
Emerson Network Power
CSC – Consulting & Support Center
Da oltre 10 anni, consulenza progettuale e
supporto tecnico sempre al servizio del cliente
• Supporto ai progettisti
• Seminari e conferenze
• Visite presso i clienti e training tecnici
• Numero verde 800 065151
• Area web riservata
www.csconline.it
• Rivista tecnica «CSC Paper»
Chi è Emerson
Fatturato 2011: $24,2 mld
Sede centrale a
St. Louis, Missouri (USA)
Quotata in borsa a New York (NYSE)
Fornitore globale di tecnologie
e soluzioni innovative in
diversi settori
Circa 133,000 dipendenti
nel mondo
• Produzione e/o presenza commerciale in oltre 150 Paesi con 235 centri
manufatturieri
• Fondata nel 1890
Emerson investe in nuove tecnologie
$801 milioni … gli investimenti di
Emerson nel 2011 per la Ricerca e lo
Sviluppo
8.760… il numero di persone nella
Ricerca e Sviluppo nel mondo
33% ... la percentuale di nuovi prodotti
sulle vendite totali nel 2011
864 … i nuovi brevetti ottenuti
globalmente nel 2011 da dipendenti
Emerson
Offerta UPS Emerson Network Power
UPS Modulari:
UPS Trifase:
• Liebert APM (30-150 kVA)
• Liebert NXC (10-20 kVA)
• Trinergy (200-1200 kVA)
UPS Monofase:
• Liebert NX (30-60 kVA)
• Liebert PSP (500-650 VA)
• Chloride 80-NET (60-500 kVA)
• Liebert PSA (500-1500 VA) • Liebert Hipulse E (300-800 kVA)
• Liebert PSI (750-3000 VA)
• Chloride 90-NET (250-800 kVA)
• Liebert GXT3 (700-10000 VA)
Soluzioni per il raffreddamento dei Data
Center
Soluzioni di Condizionamento basate sul controllo della
temperatura nella stanza
Scenario 1
Condizionamento perimetrale
SENZA pavimento rialzato
Scenario 2
Condizionamento
perimetrale CON pavimento
rialzato
Scenario 3
Condizionamento
Infra-rack
Condizionare alla fonte del calore
Soluzioni di condizionamento basate sulla temperatura dei server e sul controllo
della portata d’aria
Scenario 4
Contenimento con
Condizionamento infra-rack
Scenario 5
Contenimento CON
condizionamento perimetrale
Scenario 6
Extreme Density
Datacenter in Container
Liebert
CRV
Asco ATS
Lifting Device
Liebert APM
Cabinet Rails
Knurr
Rack PDU
Datacenter in Container
Data center
tradizionale
Data center
in container
PUE < 1.8
PUE < 1.25
Densità di potenza
> 2 kW / m2
Densità di potenza
> 3 kW / m2
Tempi di realizzazione:
~ 1 anno
Tempi di realizzazione:
1-2 mesi
Che danni provoca un fermo impianto?
•
Il danno per un fermo impianto ha una media di 287,000 $
•
Processi di produzione continui: interruzioni (anche di brevissima entità)
potrebbero portare alla perdita di grosse quantità di prodotto.
•
Operazioni concatenate a più livelli di lavorazione: l’interruzione o la scarsa
qualità dell’energia elettrica in una parte del processo produttivo provocano
conseguenze sul prodotto finale.
•
… e se il fermo impianto riguardasse una sala operatoria?
•
… e se il fermo riguardasse l’alimentazione di una torre di controllo?
Costo della mancanza rete per un’ora
Operazioni di borsa
> 6 milioni di $
Autorizzazioni carte di credito
> 2 milioni di $
Commercio on line
225.000 $
Prenotazioni viaggi aerei on line
89.000 $
Servizi tramite telefono cellulare
41.000 $
Operazioni allo sportello Bancomat
14.000 $
Problematiche dell’Alimentazione
Eventi Naturali
Errori Umani
Corto Circuiti
Sovraccarichi
Micro Interruzioni
Variazioni Tensione
Spikes/Sovratensioni
Correnti Armoniche
Variazioni Frequenza
Perdita Dati
Rottura Dischi/HW
Interruzione Servizi
Malfunzionamenti
Guasti
Usura componenti
Maggior costo
energetico
Garanzie fornite dall’UPS
utenze
Tipologie di UPS statici (IEC EN 62040-3)
UPS passivo di riserva (VFD)
Tensione (V) e frequenza (F) in uscita sono dipendenti (D)
da tensione e frequenza in ingresso
UPS interattivo (VI)
Tensione (V) in uscita è indipendente (I) dalla tensione
in ingresso
UPS a doppia conversione (VFI)
Tensione (V) e frequenza (F) in uscita sono indipendenti (I)
da tensione e frequenza in ingresso
L’UPS VFD “Off-line”
• In condizioni normali il commutatore è chiuso sulla rete e alimenta
l’utenza.
• In condizioni di emergenza il carico viene alimentato dalla batteria nel
giro di pochi millisecondi
• Non c’è alcun condizionamento della tensione dall’ingresso dell’UPS
al carico
L’UPS VI “Line Interactive”
• In condizioni normali la rete viene filtrata in modo da avere in uscita
dal gruppo una migliore qualità dell’energia (passaggio attraverso
uno stabilizzatore).
• In condizioni di emergenza il commutatore consente la messa in isola
del sistema e l’utenza è completamente supportata dalle batterie
dell’UPS
• Non c’è alcun condizionamento della tensione dall’ingresso dell’UPS
al carico
L’UPS VFI “Doppia Conversione”
•
La tensione in corrente alternata (AC) è convertita in tensione in
continua (DC) dal RADDRIZZATORE: Prima Conversione
•
La continua (DC) carica e/o mantiene in carica le batterie degli UPS
statici
•
L’INVERTER converte la tensione in continua (DC Voltage) di nuovo
in alternata (AC Voltage) per alimentare il carico: Seconda
Conversione
Come misuro le
performance del
mio Data Center?
PUE – Power Usage Effectiveness
•
Definisce l’indice di efficienza elettrica di un data center
(nell’usare l’energia elettrica che lo alimenta)
•
Rende l’idea di quanta potenza elettrica sia necessaria in totale
per far funzionare i soli Apparati IT
•
È il rapporto fra la potenza totale assorbita dal data center
(potenza IT + potenza non IT) e quella usata dai soli apparati IT
PUE =
Potenza Totale
Potenza IT
Con le nuove tecnologie è possibile costruire data center con PUE < 1,2
La sfida è mantenere questo valore nel tempo!
Manutenzione e aggiornamento tecnico diventano quindi i punti chiave
La manutenzione non è (solo) un costo!
• La manutenzione viene spesso tenuta in scarsa considerazione e
percepita come un costo (evitabile per l’Azienda)
• Si interviene solo in emergenza (manutenzione correttiva)
• Le operazioni di manutenzione si limitano ad alcune azioni di pulizia
(filtri o del condensatore per il CDZ, verifiche “visive” sull’UPS e sui
quadri)
• Non esistono delle linee guida che orientino la manutenzione verso
criteri di efficienza energetica
• Spesso viene eseguita da personale non qualificato
Monitorare il flusso energetico
Ogni data center dovrebbe avere un sistema di rilevazione
del consumo energetico per effettuare l’analisi e la gestione
dei dati energetici anno per anno
Rilevazione PUE…
• Efficienza media: mensile/settimanale
• Efficienza intermedia: giornaliera
• Efficienza avanzata: continua (ora/ora)
L’utilizzo del PUE non sempre permette
di fare la scelta giusta!
Potenza Totale
del Data
Center (MW)
Potenza IT
(MW)
PUE
Data Center
Non-ottimizzato
1.127
0.588
1.9
1
SOLO Azioni IT
0.713
(-37%)
0.370
(-37%)
1.9
2
SOLO Azioni
sull’Infrastruttura
0.858 MW
(-24%)
0.582
(-1%)
1.5
Il PUE non cambia
nemmeno quando
il consumo
complessivo di
energia
diminuisce del
37%
1
2
• Inferiore consumo dei processori
• Contenimento corridoio freddo
• Potenza inferiore dei server
• Condizionamento a capacità variabile
• Utilizzo di blade server
• Condizionamento a pavimento + perimetrale
• 20% di virtualizzazione
• Monitoraggio e ottimizzazione
Sicurezza e qualità hanno un costo
Esempio: Data Center
Data Centre Energy = 50 Twh
UPS in Data Center = 9 Twh (18% )
Aumento solo dell’ 1%
dell’efficenza:
500 GWh risparmiati (75 Mil €)
Source: The Green Grid
250.000 Ton CO2 non emesse
European Code of Conduct 2011
• Definisce l’efficienza minima per taglia e livello di carico per i nuovi UPS
• Partendo dalla configurazione VFI (doppia conversione) l’UPS dovrebbe
avere la possibilità di commutare automaticamente su modalità di
funzionamento più efficienti (VFD o VI)
Nuove tendenze dei moderni data center:
La scalabilità
Codice di Condotta Europeo per i data center:
“La fornitura di potenza in eccesso…nei data center provoca perdite fisse notevoli e non
è necessaria. Pianificare un ampliamento modulare (scalabile) degli stessi e
consolidare questa possibilità tramite un programma graduale di sviluppo rappresenta
una soluzione più efficiente”
Il Codice di Condotta Europeo raccomanda…
“…sistemi UPS modulari (scalabili) in una vasta gamma di risorse per la fornitura di
energia... Con ciò, si ottiene una riduzione cospicua dei costi di capitale e delle perdite
legate ai costi fissi generati da questi sistemi.”
Ridondanza interna – Design modulare
• Ogni singolo modulo dispone dell'hardware che gli consente di funzionare
insieme ad altri moduli per formare un sistema più grande e potente
• La modularità consente di fare investimenti commisurati ai propri bisogni di
protezione del carico a breve termine e di aumentare la potenza del sistema
secondo le proprie necessità
1 MVA
Carico < 1 MVA
+
=
200 kVA
Carico < 200 kVA
=
Ridondanza 200 kVA
Ridondanza 200 kVA
+
Ridondanza circolare – Massima efficienza
UPS con carico al
100%
75%
50%
25%
Un algoritmo speciale rileva il
numero di moduli necessari per
alimentare il carico, mantenendo
una situazione di ridondanza
I moduli non necessari restano in
funzione in una speciale modalità
di standby per garantire
l’affidabilità del sistema
CARICO
Ridondanza circolare – Massima efficienza
UPS con carico al
25%
Uno speciale algoritmo
controlla che ogni modulo
funzioni in modalità standby per
lo stesso periodo di tempo
Il rilevamento automatico del
tempo di funzionamento
garantisce che tutti i moduli
invecchino alla stessa velocità
CARICO
Rendimenti AC/AC a confronto
Efficienza
ottimizzata
per i ridondante
sistemi ridondanti
Confronto
tra un parallelo
di UPS tradizionali in
configurazione N+1 (linea rossa) con un sistema modulare
sempre in N+1 (linea blu)
Andamento tipico di
un UPS tradizionale
Come si calcola il risparmio energetico
(relativo all’UPS)?
kW(1/η1 -1 /η2 )*24*365*1,4 = risparmio/anno
KW = potenza uscita UPS
η1 = efficienza dell’UPS tradizionale
η2 = efficienza dell’UPS di nuova generazione
24 = ore al giorno
365 = giorni all’anno
1,4 = coefficiente che tiene conto del condizionamento dell’aria
nell’ambiente in cui è installata l’apparecchiatura
Risparmio energetico ed economico.
Il caso di un data center regionale
Confronto tra diverse tecnologie di UPS per l’alimentazione di un carico di 300 kW:
Situazione iniziale (prima della sostituzione con UPS più performanti):
3 UPS da 300 kVA (UPS “Transformer-based” con raddrizzatore a SCR)
100 kW di carico per ciascun UPS ( 30% / UPS)
Proposta: Nuovo UPS, Trinergy 600 kVA (3 moduli da 200 kVA)
Efficienza
Risparmio
Risparmio
operativa
energetico annuo
economico annuo
UPS installati
88.0%
Trinergy in doppia conversione (VFI)
95.0%
308.1 MWh
30.810 €
Trinergy in modalità Interattiva (VI)
97.0%
387.9 MWh
38.790 €
Trinergy in modalità Off-line (VFD)
99.0%
464.5 MWh
46.450 €
Trinergy – 200-1200 kW
• Architettura “Transformer-Free”
• 3 modularità (verticale, orizzontale e ortogonale)
• 3 modalità di funzionamento (VFI, VI e VFD)
• Efficienza fino al 99%
VFI
• THDi < 3%
• Fattore di potenza del carico fino a 1
• Diagramma circolare del carico simmetrico
• Parallelabile fino a 9.6 MW di potenza
• Display grafico LCD Touch-screen
VFD
VI
Alta efficienza e condizionamento
dell’alimentazione (modalità VI)
THDi < 3% - 5%
η = 96% - 98%
Alta efficienza e condizionamento
dell’alimentazione (modalità VI)
THDv < 1 % - 3% (secondo IEC EN 62040-3)
η = 96% - 98%
Massima flessibilità: Compatibilità
con qualsiasi carico
•
kVA = kW
•
Diagramma circolare del fattore di
potenza in uscita simmetrico rispetto
allo zero
•
Possibilità di lavorare con qualsiasi
fattore di potenza (induttivo o
capacitivo) senza declassamento
•
Soluzione perfetta per alimentare i
moderni carichi IT (fino all'unità)
Esempio di un doppio radiale (Tier IV)
con Trinergy: Lo schema
2xN
Generator
Systems
2xN Transformers
N
N
Manutenzione correttiva
o manutenzione predittiva?
Non esiste un sistema che non si guasta
mai!
“Se qualcosa può andar male, lo farà...” - Legge di Murphy
Cosa si può realisticamente fare?
•
Prevedere
•
Progettare in qualità
•
Controllare / Monitorare
•
Assistere il cliente
Migliorare lo stato di salute dell’impianto
Curva del tasso di guasto
(a vasca da bagno)
MANUTENZIONE
Andamento del tasso di guasto nel tempo per un componente elettrico (3 zone):
• Zona di “mortalità infantile” (difetti di fabbrica dei componenti o lavorazione)
• Zona a tasso di guasto approssimativamente costante (valore determinato
soprattutto dal livello delle sollecitazioni a cui è sottoposto il sistema)
• Zona del tasso di guasto “per usura” degli oggetti
MTBF (Mean Time Between Failures)
Le formule:
λ = ∏k λk ⋅ rk ⋅ ∑k r
k
(
)
λ = ∑k λ k
MTBF =
1
λ
Lo schema a blocchi per la valutazione dell’MTBF dell’UPS singolo:
Statico Statico sulla
Controllo sul commutatore
sull’inverter riserva
statico della riserva
Influenza dell’MTTR sul valore finale di
MTBF
∑k
λ = ∏k λk ⋅ rk ⋅
rk
(
)
MTBF per un UPS in configurazione singola (con MTTR
di 10 ore): 612.000 = 70 anni
MTBF per lo stesso UPS (diminuendo l’MTTR a 2.5 ore):
1.380.000 ore = 158 anni
Vediamo come …
Servizio LIFE®.net
LIFE.net rappresenta il più avanzato servizio di diagnostica remota per
UPS, elaborata dai nostri tecnici software, al fine di fornire completa
sorveglianza 24/7/365 delle apparecchiature in funzione, attraverso
un’esaustiva raccolta dati.
Report sullo stato
dell’UPS
Risoluzione a
distanza delle
anomalie operative
più comuni
Monitoraggio continuo
dell'UPS e dell’alimentazione
Diagnostica in tempo reale
di tutti i parametri operativi
dell’UPS
Tecnici sempre a
disposizione per supporto
Il Servizio di telemonitoraggio Chloride
LIFE®.net
Stazione Principale di
Monitoraggio (MMS)
Internet
Rete telefonica
LIFE Command
Center
Rete GSM
Telefono mobile e PC
portatile del tecnico del
servizio di assistenza
autorizzato
Il 38% dei problemi sono risolti al telefono!
Guasti rilevati da Chloride LIFE.net suddivisi per
Guasto
tipo
batterie
Altro
Problemi
all’inverter
Sovraccarico
Raddrizzatore
Temperatura
fuori range
Fine autonomia
Manovre
errate
Attività di supporto fornite da Chloride LIFE.net
Supporto
fornito dal
tecnico in
sito
Ripristino da
situazione di allarme
(inclusi problemi di
connessione)
Problemi
risolti
telefonicamente
Emerson Network Power
Enabling Business-Critical Continuity™
