Alimentazione diapparecchiature adalimentatore unico in un

Alimentazione
diapparecchiature
adalimentatore
unico in un ambiente
adoppio percorso
dialimentazine
A cura di Victor Avelar
White Paper n. 62
Sintesi
L'utilizzo dell'architettura a doppio percorso di alimentazione in combinazione con le apparecchiature IT con due sorgenti di alimentazione e due cavi di alimentazione è una prassi ottimale utilizzata nel settore. Negli impianti in cui si utilizza questo approccio vi sono però
inevitabilmente anche dei dispositivi IT con un unico alimentatore. Esistono diverse opzioni
per l'integrazione di dispositivi ad alimentatore unico in un data center a percorso doppio
ad alta disponibilità. Questo documento illustra le differenze tra le varie opzioni esistenti
e costituisce una guida alla scelta del metodo più appropriato.
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Introduzione
Nella maggior parte dei data center ad alta disponibilità si utilizzano doppi percorsi di alimentazione per tutti i
carichi critici, e la maggior parte delle apparecchiature IT della classe enterprise è dotata di alimentazioni e
cavi di alimentazione ridondanti per mantenere i doppi percorsi di alimentazione fino al bus interno di alimentazione delle apparecchiature IT. In tal modo le apparecchiature possono continuare a funzionare in presenza di un guasto in un punto qualsiasi dell'uno o dell'altro percorso di alimentazione. Tuttavia le apparecchiature con un'alimentazione unica (un solo cavo di alimentazione) costituiscono un tallone d'Achille in un data
center che altrimenti avrebbe un'elevata disponibilità. Spesso per aumentare la disponibilità delle apparecchiature con alimentatore unico si utilizzano commutatori di trasferimento, che assicurano i vantaggi della ridondanza dei percorsi dell'alimentazione di servizio. Se non si comprende bene questa prassi,
essa può causare un'interruzione delle attività altrimenti evitabile.
Vi sono tre approcci fondamentali all'alimentazione di apparecchiature ad alimentatore unico in un ambiente
a doppio percorso, e precisamente:
•
alimentare l'apparecchiatura con una sola alimentazione – Fig. 1a
•
utilizzare un commutatore di trasferimento nel punto di utilizzo per selezionare l'alimentazione preferenziale e, quando tale sorgente di alimentazione viene meno, commutare sul secondo percorso di
alimentazione – Fig. 1b
•
utilizzare un grande commutatore di trasferimento centralizzato alimentato dalle due sorgenti per generare un nuovo bus di alimentazione per un gruppo di numerosi carichi ad alimentatore unico – Fig. 1c
Fig. 1a – Una sola alimentazione
PDU
Percorso di alimentazione
primario
UPS 1
Trasformatore 1
Percorso di alimentazione
primario
Sottopannello 1
Server
Trasformatore 2
Sottopannello 2
Percorso di alimentazione
di riserva
X
PDU
Trasformatore 1
UPS 1
PDU
Percorso di alimentazione
di riserva
UPS 2
Fig. 1b – Commutatore per il punto di utilizzo
Trasformatore 2
UPS 2
Sottopannello 1
Commutatore
di trasferimento
montato su rack
PDU
Sottopannello 1
Fig. 1c – Commutazione centralizzata
Percorso di alimentazione
PDU con STS
primario
UPS 1
UPS 2
Commutatore di
trasferimento
statico
Trasformatore
riduttore
Sottopannello
Server
Percorso di alimentazione di riserva
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Server
Funzioni del commutatore di trasferimento
Il commutatore di trasferimento è un componente comune nei data center, utilizzato per svolgere le
seguenti funzioni:
1.
Commutazione dell'UPS e di altri carichi dall'alimentazione di servizio al generatore durante
un black-out
2.
Commutazione da un modulo UPS guasto all'alimentazione di servizio o a un altro UPS
(a seconda dello schema di progettazione)
3.
Commutazione dei carichi IT critici da un bus di uscita UPS all'altro in un sistema a doppio
percorso di alimentazione
In questo documento si discute unicamente della terza funzione. Se tutti i carichi IT fossero in grado di accettare una doppia alimentazione, questa applicazione non sarebbe necessaria. In effetti, la maggior parte
delle apparecchiature che lavorano su Internet, dei dispositivi di archiviazione e dei server di fascia alta, sono dotate di sorgenti di alimentazione ridondanti e di due cavi di alimentazione. Tuttavia le apparecchiature
ad alimentatore unico ammontano tuttora al 10 - 20 % di tutte le apparecchiature IT degli impianti missioncritical. Quando si collega un'apparecchiatura ad alimentatore unico a un percorso ad alimentazione
di servizio singola di un ambiente a percorso ad alimentazione di servizio doppia, ciò può compromettere
la disponibilità complessiva dei processi aziendali. Come viene spiegato nel White Paper APC n. 48,
“Confronto della disponibilità di varie configurazioni con alimentazione ridondante dei rack”, un data center
con il 100 % di apparecchiature a doppio alimentatore con percorsi dell' alimentazione di servizio ridondanti
e indipendenti è in grado di assicurare un tempo di interruzione delle attività 10.000 volte inferiore a quello di
un modello a percorso singolo. I commutatori di trasferimento aiutano a ridurre questo divario, avvicinando al
carico i percorsi ridondanti dell'alimentazione di servizio.
Tipi di commutatori di trasferimento
I tipi di commutatori di trasferimento principali utilizzati come selettori ottimali dell'alimentazione sono due,
e precisamente: commutatori statici e commutatori elettromeccanici. Entrambi si basano sul principio della
commutazione tra un'alimentazione primaria e un'alimentazione alternativa. Sebbene il risultato sia lo stesso, il principio di funzionamento è diverso. Ciascuno dei due tipi di commutatore possiede delle caratteristiche uniche, con vantaggi diversi per diversi tipi di applicazioni. Segue una breve descrizione del funzionamento di ciascun tipo di commutatore. Una descrizione più dettagliata è contenuta nell'Appendice A.
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Commutatori di trasferimento statico (STS)
Applicazioni
I commutatori di trasferimento statici (STS) attualmente reperibili in commercio hanno potenze variabili tra
appena 5 kVA e ben 35 MVA. Gli STS sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, ad esempio in
impianti di aziende elettriche, stabilimenti di case automobilistiche, impianti per la fabbricazione di semiconduttori, raffinerie e data center. La maggior parte di questi commutatori ha una potenza compresa nell'intervallo 100 - 300 kVA e un ingombro tipico corrispondente a due rack IT affiancati. In applicazioni tipo raffinerie, dove sia la griglia di alimentazione che l'architettura elettrica hanno un'affidabilità minore rispetto ai data
center mission-critical, il beneficio dei commutatori statici è indubbio. Tuttavia, la griglia di alimentazione e
l'architettura elettrica dei data center mission-critical sono molto più solide. In questi casi la diminuzione di
affidabilità connessa con l'aggiunta degli STS controbilancia i vantaggi da essi offerti. Un esempio di STS da
200 kVA è illustrato nella Fig. 2. Interruttori statici di questa capacità sono l'ideale per notevoli carichi trifase
ad alimentatore unico quali quelli delle macchine a controllo numerico computerizzato (CNC) e di altre apparecchiature critiche di produzione. Sebbene oggi siano disponibili apparecchiature IT trifase di grandi dimensioni quali i dispositivi di archiviazione, esse generalmente sono a doppio alimentatore con sorgenti di alimentazione ridondanti. Nel caso dei dispositivi a doppio alimentatore, l'affidabilità e la disponibilità dell'alimentazione vengono ottimizzate portando le due sorgenti di alimentazione di servizio direttamente a contatto
con il carico.
I commutatori statici con potenze nell'intervallo 5 - 10 kVA sono in genere progettati per essere montati in un
armadio rack IT standard da 19 pollici (483 mm), come quello raffigurato nella Fig. 3. Commutatori statici di
questo tipo vengono utilizzati in genere in ambienti IT quali armadi cablaggi e sale CED. L'utilizzo di commutatori più piccoli impedisce che un guasto dell'STS influisca su una parte notevole del data center, riducendo
invece il tempo di interruzione delle attività dell'apparecchiatura ad alimentatore unico in un solo rack. A differenza degli STS aventi una capacità maggiore, i commutatori montati su rack assicurano scalabilità e agilità. La brevità dei tempi di consegna dei commutatori più piccoli consente ai responsabili informatici di acquistare il commutatore solo quando ciò diventa necessario. Inoltre questi commutatori possono essere installati e spostati facilmente quando viene aggiornata una funzione IT.
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Fig. 2 – STS da 200 kVA
Fig. 3 – STS a montaggio su rack
Fonte: www.spdtech.com
Fonte: www.cyberex.com
Funzionamento
Come indicato dal nome, i commutatori statici sono privi di parti mobili. Tale risultato è stato reso possibile
dal ricorso alla tecnologia dei semiconduttori. Il “commutatore” in un STS monofase è costituito essenzialmente da due interruttori a semiconduttore chiamati raddrizzatori controllati al silicio (SCR), o anche tiristori,
che sono controllati da un circuito di rilevamento. Quando il circuito rileva che il percorso primario è uscito
dai limiti di tolleranza, provvede ad aprire l'interruttore del percorso primario e chiudere quello del percorso
alternativo. La commutazione ha di solito una durata di circa 4 millisecondi, ma può essere lievemente maggiore a seconda dello stato dei due alimentatori.
Modalità di guasto
In genere il numero di possibili modalità di guasto aumenta proporzionalmente alla complessità del sistema.
Rispetto ai commutatori di trasferimento elettromeccanici, quegli statici sono molto più complessi data la velocità con cui devono rispondere durante la commutazione tra due sorgenti di alimentazione.
** Ad esempio, il controller deve effettuare il monitoraggio di diverse variabili su entrambi i versanti (angoli di
fase, stati dell'SCR e stati degli interruttori automatici, tensioni e correnti).
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•
Guasto del comando dell'introduttore statico
I comandi sono la componente più critica dei commutatori di trasferimento statici, a causa della loro
complessità. Se i comandi dovessero cessare di inviare segnali agli SCR, gli SCR rimarrebbero aperti,
ossia non condurrebbero l'elettricità, con conseguente disalimentazione del carico. Questo è il motivo
per il quale tutti i commutatori statici sono dotati di controller e sorgenti di alimentazione ridondante.
I commutatori a SCR sono controllati singolarmente, per cui il controller è soggetto a quattro modalità
generali di guasto.
1)
Il controller segnala che il commutatore preferenziale è chiuso mentre dovrebbe essere aperto. Ciò
provoca la disalimentazione del carico nel caso che la sorgente di alimentazione preferita non sia in
grado di sostenere il carico stesso.
2)
Il controller segnala che il commutatore preferenziale è aperto mentre dovrebbe essere chiuso. Ciò
provoca la disalimentazione del carico se il commutatore alternativo è aperto oppure la sorgente di
alimentazione alternativa non è in grado di sostenere il carico.
3)
Il controller segnala che il commutatore alternativo è chiuso mentre dovrebbe essere aperto.
Ciò provoca la disalimentazione del carico se la sorgente di alimentazione alternativa non è in grado di sostenere il carico.
4)
Il controller segnala che il commutatore alternativo è aperto mentre dovrebbe essere chiuso.
Ciò provoca la disalimentazione del carico se il commutatore preferenziale è aperto oppure se
la sorgente di alimentazione preferenziale non è in grado di sostenere il carico.
•
Guasto di componenti dell'SCR
Gli SCR hanno una buona affidabilità ma quando si guastano sono in corto per il 98 % del tempo,
la qualcosa provoca la disalimentazione del carico nel caso che venga meno l'alimentazione di rete
per tale commutatore. Il rilevamento di un SCR in corto è difficoltoso perché la differenza di resistenza
elettrica (caduta di tensione) tra un SCR in corto e uno funzionante correttamente è tipicamente inferiore a 0,5 volt. Ciò contribuisce a rendere complessi i comandi.
•
Guasto dell'interruttore in uscita
Se l'interruttore in uscita si apre quando non è previsto che ciò accada, il carico viene disalimentato.
In alcuni casi si utilizzano due interruttori in uscita per eliminare il singolo punto di guasto, ma ciò può
rendere difficile il coordinamento dell'interruttore.
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•
Guasto da errore umano
Come accade generalmente nella maggior parte degli ambienti mission-critical, gli errori umani sono
una modalità comune di guasto. Data la complessità del commutatore statico e delle sue interazioni con
diverse sorgenti di alimentazione in entrata, l'errore umano può fare capolino in diversi modi. Ecco alcuni esempi comuni:
- Una scelta non ottimale delle impostazioni del commutatore statico può provocare interazioni
negative specifiche del sito
- Anomalie di funzionamento degli interruttori di bypass dell'STS. Ad esempio, se una persona
dovesse chiudere l'interruttore di bypass preferenziale mentre la sorgente di alimentazione preferenziale non è disponibile, ciò provocherebbe la disalimentazione del carico.
- Procedure di manutenzione non corrette
Infine è importante notare che, per qualsiasi modalità di guasto, i commutatori di trasferimento di maggiori
dimensioni provocheranno in caso di guasto la disalimentazione di una parte più ampia dell'intero carico di
un impianto rispetto a interruttori di dimensioni più contenute.
Commutatori elettromeccanici o commutatori automatici (Automatic Transfer Switches, ATS)
Applicazioni
La maggior parte dei commutatori di trasferimento elettromeccanici (ATS) utilizzati in questa applicazione
non sono in grado di commutare oltre 10 kVA di potenza a causa di limitazioni fisiche dei relè a tali potenze
relativamente elevate. Per tale motivo, gli ATS montati su rack tendono ad avere un'altezza 1U, come si vede nella Fig. 4. Al pari degli STS montati su rack, gli ATS montati su rack confinano i guasti dei commutatori
a un rack anziché a decine o centinaia di rack. Analogamente, gli ATS montati su rack hanno doti di scalabilità e agilità. Tuttavia l'installazione di ATS montati su rack è più agevole di quella di STS montati su rack,
perché i primi sono più piccoli e pesano di meno.
Fig. 4 – ATS montato su rack
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Funzionamento
Il funzionamento dei commutatori elettromeccanici dipende da una combinazione di proprietà elettriche e
meccaniche. Analogamente agli STS, questi commutatori sono dotati di un controller di monitoraggio di entrambe le sorgenti di alimentazione in entrata. Il dispositivo utilizzato in questo caso per il trasferimento del
carico è un relè, ossia un interruttore meccanico tenuto chiuso da una forza magnetica. Quando il controller
rileva che la sorgente di alimentazione primaria è uscita dei limiti di tolleranza, esso provvede ad diseccitare
il relè, mentre una molla provoca la commutazione sulla sorgente di alimentazione secondaria. Il tempo totale per questo tipo di trasferimento varia tra 8 e 16 millisecondi.
Modalità di guasto
I commutatori elettromeccanici sono molto più piccoli e meno complessi dei commutatori di trasferimento
statici. Ciò è dovuto soprattutto al fatto che i commutatori elettromeccanici sono più facilmente controllabili e
non richiedono la sincronizzazione tra le sorgenti di alimentazione di rete. A causa del movimento fisico di un
relè, le modalità di guasto per i commutatori elettromeccanici tendono a essere di natura meccanica.
•
Guasto da saldatura del relè
Una modalità di guasto possibile è quella derivante dalla saldatura con il contatto. Ciò può accadere nel
caso del trasferimento di un'alta tensione, con generazione di un arco ad alta temperatura che a sua
volta provoca la fusione delle superfici metalliche. In un relè trifase ciò può accadere a uno o più commutatori.
•
Guasto del controller
Sebbene sia meno probabile con potenze inferiori, è possibile che il controller attivi la commutazione quando ciò non è opportuno. Ad esempio, se l'alimentazione sul lato primario esce dai limiti di tolleranza, il controller potrebbe attivare la commutazione sul lato secondario dove non c'è alcuna
alimentazione.
•
Guasto alimentazione controller
Anche un problema di alimentazione del controller può provocarne il malfunzionamento. Se la tensione
di alimentazione diventa instabile, il controller può comportarsi in modo imprevedibile o non intervenire
affatto.
•
Guasto dell'interruttore automatico
Un importante modalità di guasto di cui tenere conto è quella dovuta a guasti degli interruttori automatici
che proteggono l'uscita del commutatore di trasferimento. Spesso tali interruttori sono prodotti commerciali di scarsa affidabilità e costituiscono un singolo punto di guasto.
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Alimentatori di apparecchiature IT
È importante rilevare che entrambi i tipi di commutatori suddetti sono caratterizzati da un breve tempo di trasferimento, durante il quale però il carico critico non riceve alcuna alimentazione. In che modo l'apparecchiatura IT
può continuare a funzionare durante un'interruzione dell'alimentazione? Il White Paper n. 79, “Confronto tra le
caratteristiche tecniche degli UPS on-line e di quelli line-interactive”, fornisce una risposta approfondita a questa
domanda. Per comodità del lettore, tale discussione viene riportata nell'Appendice B. Sostanzialmente l'alimentatore a commutazione (Switch-Mode Power Supply, SMPS) dell'apparecchiatura IT deve subire brevi disturbi
dell'alimentazione per essere in grado di assorbire potenza dalla tensione CA sinusoidale di entrata.
Le specifiche dell'IEC 61000-4-11 (uno standard internazionale) definiscono i limiti di ampiezza e durata dei
disturbi di tensione accettabili per un carico SMPS. Analogamente, l'Information Technology Industry Council
(ITI, in precedenza noto come Computer & Business Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) ha pubblicato una nota applicativa che descrive l'“inviluppo della tensione di ingresso c.a. tipicamente tollerabile (nessuna interruzione del funzionamento) dalla maggior parte delle apparecchiature IT.” La Fig. 5 mostra la curva
ITIC e fa vedere che l'apparecchiatura IT continuerà a funzionare normalmente per un tempo di 20 millisecondi
a 0 volt. La curva e questa nota applicativa sono contenute nel documento: www.itic.org/technical/iticurv.pdf
Fig. 5 – Curva ITIC
Curva ITI (CBEMA)
(revisione 2000)
Percentuale della tensione nominale (valore efficace o
equivalente al picco)
500
Zona proibita
400
Inviluppo di tolleranza delle tensioni
applicabile ad apparecchiature
monofase a 120 V
300
200
Limiti continui
140
120
100
80
70
110
Zona di nessuna interruzione del funzionamento
90
Zona di nessun danno
40
0.01 c
1 ms
3 ms
20 ms
0.5 s
10 s
Durata in cicli (c) e secondi (s)
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Scelta dei commutatori di trasferimento appropriati
I commutatori statici di dimensioni relativamente grandi hanno una capacità molto superiore rispetto ai commutatori montati su rack. La maggior parte delle apparecchiature IT di un data center richiedono meno di
6 kW di potenza, ma alcune apparecchiature quali i dispositivi di archiviazione montati su pavimento richiedono una potenza molto maggiore. In questi casi occorre utilizzare commutatori statici di dimensioni maggiori per assicurare un'alimentazione ridondante all'apparecchiatura. Tuttavia le apparecchiature IT critiche di
queste dimensioni hanno sorgenti di alimentazione / cavi di alimentazione ridondanti, che non richiederebbero un commutatore statico. La Tabella 1 riporta le potenze per ciascun tipo di commutatore e può essere utilizzata come guida alla scelta del commutatore statico più opportuno. Viene anche indicato un'alternativa
che non prevede l'uso di un commutatore di trasferimento. I sottoparagrafi seguenti contengono un approfondimento su ciascun fattore da considerare per tale scelta.
TCO
Il TCO comprende i costi di capitale connessi con l'acquisto e l'installazione del commutatore o dei commutatori di trasferimento e i costi di gestione connessi con il loro uso. Questo argomento viene anche discusso
nel White Paper APC n. 37, “Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e
apparati di rete”.
Costi di capitale
I commutatori statici con alta capacità che sono sovradimensionati, oltre a costare di più per ogni kVA utilizzato,
generano ulteriori costi da perdita di opportunità commerciali. Gli interruttori statici più grandi (potenze superiori
a 10 kVA) sono in genere collegati fisicamente all'infrastruttura elettrica dell'edificio. Gli ATS e i commutatori statici più piccoli sono semplicemente inseriti in una presa di corrente, per cui si risparmia, non essendo necessario
rivolgersi a una ditta di lavori elettrici.
Costi di gestione
I costi di gestione comprendono: i costi dell'energia elettrica, i costi di manutenzione e quelli derivanti da implicazioni fiscali. I commutatori statici sono meno efficienti di quelli elettromeccanici a causa del maggior
numero di componenti. L'efficienza diventa un problema più serio in presenza di un carico modesto dei
commutatori statici ad alta capacità. I costi di manutenzione variano in base alle raccomandazioni del fornitore; tuttavia in generale essi sono più alti per i commutatori statici che non per gli ATS, a causa della maggiore complessità e del maggior numero di componenti. In genere non si tiene conto delle implicazioni fiscali
quando si scelgono i commutatori di trasferimento; ma tale fattore può comportare risparmi significativi, variabili a seconda delle dimensioni del data center. Nel White Paper APC n. 115, “Contabilizzazione e benefici
fiscali di un'infrastruttura di data center modulare e trasportabile” si spiega come i dispositivi elettrici modulari
trasportabili possono essere classificati quali apparecchiature aziendali, con conseguenti risparmi fiscali
(maggiore scudo fiscale). I commutatori di trasferimento che vengono semplicemente inseriti e possono essere facilmente spostati possono godere di queste facilitazioni.
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Gestibilità
La gestibilità dell'infrastruttura elettrica è critica per l'integrità della rete IT e delle telecomunicazioni. Spesso
le modalità critiche di guasto si manifestano solo quando il commutatore deve effettuare il trasferimento alla
sorgente di alimentazione alternativa. Ciò assume un'importanza sempre maggiore nei commutatori statici,
perché essi sono soggetti a molte più modalità di guasto dei commutatori elettromeccanici. La gestione remota dei commutatori di trasferimento consente ai responsabili informatici di monitorare gli stati del sistema,
registrare eventi, configurare impostazioni, effettuare aggiornamenti del firmware e ricevere avvisi per posta
elettronica e tramite SNMP. I commutatori devono consentire la “gestione basata su standard” mediante i
protocolli HTTP (Web), SNMP, e Telnet.
Tempo di trasferimento
Il commutatore di trasferimento deve essere in grado di commutare tra due sorgenti di alimentazione in
20 millisecondi, o anche meno, quando supporta apparecchiature IT e di telecomunicazioni.
Facilità di installazione
Data l'alta frequenza di aggiornamento delle apparecchiature IT (mediamente una volta ogni 1 ½ - 2 anni),
i commutatori il trasferimento devono essere riconfigurabili in tempi brevi. Ad esempio, quando si trasferiscono apparecchiature ad alimentatore unico, il commutatore deve essere facilmente riconfigurabile.
Affidabilità
In generale, quando aumenta la complessità di un sistema, aumenta anche la probabilità di inconvenienti riguardanti non solo i suoi componenti e comandi, ma anche possibili errori umani. I commutatori statici sono
intrinsecamente più complessi dei commutatori elettromeccanici, per cui i tecnici addetti al loro servizio e alla
loro riparazione devono essere più preparati. I commutatori elettromeccanici sono soggetti alle limitazioni derivanti dal numero massimo di commutazioni del relè. Tipicamente i relè utilizzati per questa applicazione
prevedono una vita utile corrispondente a 100.000 azionamenti. Mediamente, i commutatori di trasferimento
di un data center effettuano quattro trasferimenti all'anno. Dunque i relè hanno una vita utile lunga rispetto a
quella dei data center.
Qualità delle riparazioni
Quando i sistemi si guastano, qualsiasi responsabile informatico o responsabile dell'impianto punterà alla
sostituzione dell'intero modulo con uno riparato in fabbrica / rigenerato. I commutatori statici e i commutatori
elettromeccanici montabili su rack possono essere completamente sostituiti, a differenza degli STS di dimensioni maggiori che vengono riparati sul posto con procedure solo parzialmente o per niente standardizzate. Tuttavia la maggior parte dei commutatori statici sono dotati di interruttori automatici di bypass che
consentono la manutenzione e la riparazione mentre il carico continua a essere supportato. Con talune configurazioni è anche possibile sostituire i commutatori elettromeccanici più piccoli senza disalimentare il carico
critico.
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Sincronizzazione delle sorgenti di alimentazione
Quando viene effettuata la commutazione tra due sorgenti di alimentazione di servizio, c'è la possibilità che
tali sorgenti non siano sincronizzate, la qual cosa può danneggiare le apparecchiature a valle del commutatore o far scattare gli interruttori automatici. La probabilità che ciò avvenga aumenta proporzionalmente alla
velocità di commutazione e delle dimensioni del commutatore di trasferimento. Pertanto i commutatori statici
di grandi dimensioni sono molto più sensibili a questo problema. La commutazione non sincronizzata con i
commutatori elettromeccanici non rappresenta un problema per i carichi ma può provocare la saldatura dei
contatti di un relè del commutatore. Pertanto alcuni tipi di commutatori sono dotati di un ulteriore relè avente
lo scopo di impedire la formazione di archi elettrici.
Scalabilità
Le apparecchiature dei data center vengono aggiornate ogni due anni circa, ma un data center ha una vita utile prevista di oltre dieci anni. Durante gli aggiornamenti i responsabili devono affrontare problemi connessi con la varietà delle densità di potenza, dei livelli di ridondanza, delle tensioni e dei tipi di spine.
La scalabilità consente un dimensionamento corretto, semplifica la pianificazione e riduce la spesa in conto
capitale iniziale associata a queste variabili. Quanto più grande è il commutatore di trasferimento, tanto più
difficile diventa il suo dimensionamento e adattamento a queste continue modifiche, specie quando occorre
evitare l'interruzione delle attività. L'utilizzo di commutatori di trasferimento di dimensioni più piccole consente ai responsabili di soddisfare le nuove esigenze aziendali senza essere costretti ad arrestare dei sistemi
critici.
Apparecchiatura mista ad alimentatore unico e doppio
Nella maggior parte dei data center le apparecchiature IT vengono organizzate per processo aziendale o dipartimento, ma mai esclusivamente per dispositivi ad alimentatore unico o doppio. Pertanto nella maggior
parte dei rack dei data center c'è un misto di dispositivi dei due tipi. Nella maggior parte dei casi i dispositivi
a doppio alimentatore richiedono due cavi di alimentazione separati e due morsettiere di uscita. Invece quelli
ad alimentatore unico richiedono un unico cavo di alimentazione e un'unica morsettiera di uscita. Ciò costituisce un problema per i commutatori statici di grandi dimensioni montati sul pavimento, perché ora lo stesso
rack deve contenere 3 cavi di alimentazione separati e tre morsettiere di uscita che occupano dello spazio
altrimenti necessario per i cavi di rete e le apparecchiature. In alternativa, i commutatori di trasferimento di
piccole dimensioni montati su rack vengono alimentati direttamente dai due cavi di alimentazione e dalle due
morsettiere di uscita, mentre l'apparecchiatura ad alimentazione singola viene collegata direttamente alle
uscite del commutatore.
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Tabella 1 – Caratteristiche dei tre tipi di commutatori di trasferimento
Caratteristica
TCO
Nessun
STS di grandi STS montato ATS montato
commutatore
dimensioni
su rack
su rack
di
5 – 10 kVA
5 – 10 kVA
trasferimento 20 kVA – 35 MVA
€0 / kW
€200 - €300 / kW
€550 - €700 / kW
€100 - €150 / kW
Non occorre alcuna
caratteristica di
gestibilità
I protocolli basati su
standard non sono
tipici
I protocolli basati
su standard non
sono tipici
Di solito c'è un protocollo basato su
degli standard
Tempo di
trasferimento
Nessun tempo di
trasferimento
4 ms
4 ms
8 ms – 16 ms
Facilità di
installazione
Non è richiesta alcuna installazione
È necessario il collegamento elettrico
fisico
Montabile su rack /
nessun cablaggio
richiesto
Montabile su rack /
nessun cablaggio
richiesto
Affidabilità
I vantaggi in termini
di affidabilità dei
percorsi di alimentazione 2N vengono perduti
MTBF = 400.000 1.000.000 ore
MTBF = 400.000 1.000.000 ore
MTBF = 700.000 1.500.000 ore
Gestibilità
Modalità di
guasto
Non applicabile
Facilità di
riparazione
La manutenzione
simultanea dell'architettura elettrica
non è possibile
Aperto o corto
linea-linea
Deve essere riparato sul campo
Aperto o corto
linea-linea
Sostituzione con
unità riparata in
fabbrica
Commenti
Il costo iniziale per un
STS montato su rack è
pari a sei volte circa il
costo di un ATS montato su rack
La maggior parte dei
commutatori di trasferimento di solito è dotata di relè con contatti a
vuoto ma può anche
essere fornita su richiesta con gestione
conforme agli standard
Le apparecchiature
IT richiedono tempi di
trasferimento inferiori
a 20 ms
Occorrono degli elettricisti qualificati per il
collegamento dei
commutatori statici di
grandi dimensioni
I commutatori statici
hanno più componenti
e sono più complessi
degli ATS, ma sono
privi di parti in movimento. Valori di MTBF
basati su stime di
settore
Vincolato a una sola alimentazione
I guasti “circuito aperto”
provocano la disalimentazione del carico.
I corti linea-linea possono provocare l'apertura degli interruttori
a monte
Sostituzione con
unità riparata in
fabbrica
I commutatori di trasferimento montati su rack
vengono di solito sostituiti con un'unità nuova
o rigenerata in caso
di guasti
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Caratteristica
Origine
Sincronizzazione
Scalabilità
Apparecchiatura
mista ad alimentatore unico
e doppio
Nessun
STS di grandi STS montato ATS montato
commutatore
dimensioni
su rack
su rack
di
5 – 10 kVA
5 – 10 kVA
trasferimento 20 kVA – 35 MVA
La sincronizzazione
delle sorgenti non è
necessaria
Indispensabile per
un trasferimento
sicuro
Il trasferimento
non sincronizzato
è relativamente
meno critico
La sincronizzazione
delle sorgenti non è
necessaria
Non applicabile
Assenza di
scalabilità
Scalabile
Scalabile
Richiede solo due
2 alimentazioni
per rack
Richiede solo due
2 alimentazioni
per rack
Richiede solo due
2 alimentazioni per
rack - nessun vantaggio per i carichi
ad alimentatore
unico
Occorrono 3
alimentazioni per
rack
Commenti
Vi sono tuttora effetti
indesiderabili nella
commutazione con
sfasamento con STS
montati su rack, ma
essi interessano una
parte più piccola del
data center
I commutatori di trasferimento montati su rete
sono flessibili e possono star dietro all'espansione del data
center
La distribuzione dell'alimentazione con
commutatori statici di
grandi dimensioni
complica il cablaggio
nel rack e provoca lo
spreco di spazio
prezioso
Nota: le celle azzurre corrispondono a prestazioni ottimali per la caratteristica
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Conclusioni
Con il passare del tempo, i dati diventano sempre più preziosi per le aziende, per cui non sorprende il fatto
che la maggior parte delle apparecchiature mission-critical siano a doppia alimentazione. Tuttavia, i responsabili informatici e i responsabili degli impianti si stanno ancora dibattendo con il problema del modo migliore
per fornire alimentazioni di servizio ridondanti alle restanti apparecchiature ad alimentatore unico presenti
nel rack e non sono nemmeno certi che sia opportuno fornirla. La disponibilità dell'alimentazione per le apparecchiature ad alimentatore unico con potenza inferiore a 10 kVA viene ottimizzata portando la ridondanza
dell'alimentazione direttamente al rack. Ciò può essere realizzato utilizzando un commutatore statico montato su rack o un ATS montato su rack. Tuttavia, sulla base dei criteri esposti in questo documento, si può affermare che la soluzione ottimale è rappresentata da un ATS montato su rack.
Informazioni sull'autore
Victor Avelar è un Availability Engineer di APC. Fornisce consulenza sulle soluzioni di disponibilità ed esegue per i clienti le analisi necessarie per le architetture elettriche e la progettazione dei data center. Victor
Avelar ha conseguito una laurea in ingegneria meccanica presso il Politecnico di Rensselaer nel 1995 ed
è membro di ASHRAE e dell'American Society for Quality.
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Appendice A
Commutatore di trasferimento statico: teoria di funzionamento
I commutatori di trasferimento statici, detti anche relè allo stato solido (SSR), sono dispositivi elettronici utilizzati per commutare tra due sorgenti di alimentazione. Questi commutatori vengono chiamati “solidi” e “statici” a causa delle proprietà dei componenti elettronici responsabili della commutazione. Tali componenti
vengono chiamati raddrizzatori controllati al silicio (SCR), o anche tiristori. Per comprendere il funzionamento di un SCR occorre prima comprendere le caratteristiche del materiale di cui è costituito.
Come indicato dal nome, tutti gli SCR sono costituiti da materiale semiconduttore (silicio; il principale elemento chimico contenuto nella sabbia e nel quarzo). I semiconduttori hanno un comportamento intermedio
tra gli isolanti e i conduttori dell'elettricità. Gli isolanti si oppongono al passaggio della corrente elettrica,
mentre i conduttori non oppongono alcuna resistenza. Nel loro stato naturale i semiconduttori possono comportarsi sia da isolanti che da conduttori; ciò dipende dalla loro temperatura. Tuttavia per ottenere un controllo migliore delle loro proprietà conduttive essi vengono “drogati” mediante aggiunta di impurezze.
È sufficiente iniettare una piccola tensione nell'SCR perché il materiale drogato con tali impurezze divenga
conduttivo. La Fig. A1 mostra uno SCR e il suo simbolo.
Fig. A1 - Raddrizzatore controllato al silicio
Simbolo dell'SCR
SCR “a disco”
Gate
Gate
Catodo
Anodo
Catodo
Anodo
L'SCR si comporta essenzialmente come una valvola che consente alla corrente di passare in un'unica direzione. Da tale punto di vista si comporta come una valvola cardiaca, che lascia passare il sangue in una sola
direzione. Per attivare (“chiudere”) un SCR, si applica una piccola tensione al suo gate, il che attiva
il passaggio della corrente dall'anodo al catodo. Tuttavia la “valvola” viene disattivata (aperta) automaticamente quando la corrente alternata sinusoidale interseca l'asse dei tempi, come si vede nella Fig. A2.
A questo punto l'SCR cessa di condurre e si comporta come un'isolante fintanto che non viene inviato un altro segnale al suo gate. In nessun momento l'SCR consente il passaggio della corrente in senso inverso, ossia dal catodo all'anodo. Com'è dunque possibile “elaborare” tutte e due le semionde, la diretta e l'inversa
(positiva e negativa), dell'onda sinusoidale della corrente alternata?
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Fig. A2 – Onda sinusoidale
Inviato segnale a
gate SCR 1
Intersez.
asse dei
tempi
Inviato segnale a
gate SCR 2
L'unico modo per far passare l'intera onda sinusoidale consiste nell'utilizzare due SCR con configurazione
“back-to-back”, come mostrato nella Fig. A3. A questo punto è possibile inviare un segnale di gate
all'SCR 2 in modo che lasci passare la parte inferiore (negativa) dell'onda sinusoidale della Fig. A2. Ciò significa che per far passare le due onde sinusoidali complete della Fig. A2, l'SCR 1 deve ricevere un segnale
di gate in corrispondenza della prima e della terza intersezione con l'asse dei tempi, mentre l'SCR 2 deve ricevere tale segnale in corrispondenza della seconda e della quarta intersezione. Si pensi ora che il controller
del commutatore statico deve inviare questi segnali di gate con estrema velocità e affidabilità per tutto il
tempo in cui il percorso di alimentazione primario è accettabile. Ne consegue che se l'alimentazione di servizio eroga una corrente alternata a 50 Hz (50 sinusoidi al secondo), il controller deve inviare 100 segnali di
gate ogni secondo; e questo in un solo commutatore statico monofase. I commutatori di trasferimento statici
sono quasi sempre trifase, il che significa che il controller deve inviare 100 segnali al secondo al gate, per
ciascuna fase, per un totale di 300 segnali al secondo.
La Fig. A3 rappresenta una sola fase di un commutatore di trasferimento statico. Ciò significa che il lato preferenziale e quello alternativo del commutatore di trasferimento statico trifase saranno costituiti ognuno da
tre coppie di SCR con configurazione “back-to-back” (6 SCR per ciascun lato, 12 in totale). Nota: nei commutatori di trasferimento ad alta capacità si utilizzano delle “pile” della configurazione appena descritta, per
cui è possibile avere centinaia di SCR nello stesso commutatore.
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Fig. A3 – Commutatore statico monofase
K
Bypass di manutenzione
Aliment. 1
K
SCR collegati
“back-to-back”
Uscita
PARTE LOGICA
K
K
SCR collegati
“back-to-back”
Aliment. 2
K
K
Bypass di manutenzione
Dispositivo di blocco di Kirk
Ora che lo SCR e il suo meccanismo di controllo sono stati descritti, ci si può chiedere: in che modo un
commutatore di trasferimento statico trasferisce energia elettrica da una sorgente di alimentazione all'altra?
La risposta sta nel comportamento dell'SCR. Si rammenti che quando un SCR riceve un segnale di gate esso continua a condurre elettricità fino al momento in cui l'onda sinusoidale interseca l'asse dei tempi (tensione nulla). A questo punto, i comandi del commutatore di trasferimento possono inviare un segnale di gate allo stesso SCR o all'SCR sul lato alternativo se la sorgente di alimentazione primaria è inaccettabile. Queste
decisioni devono essere prese in un tempo dell'ordine dei microsecondi, per impedire che il carico critico
venga disalimentato. A differenza dei commutatori di trasferimento montati su rack, i commutatori di trasferimento statici di dimensioni maggiori sono messi ancora di più in crisi da queste decisioni. I commutatori
grandi supportano molti più carichi e sono più suscettibili ai cortocircuiti a valle. Il trasferimento delle sorgenti
di alimentazione durante un corto a valle può avere effetti devastanti, perché la perturbazione si propaga
lungo un percorso stabile. Pertanto, oltre a intervenire opportunamente in tutte queste altre situazioni, i
commutatori di grandi dimensioni devono innanzitutto verificare se è presente un cortocircuito e in tal caso
impedire la commutazione.
Commutatori elettromeccanici o Automatic Transfer Switch (ATS): teoria di funzionamento
Mentre nei commutatori statici si utilizzano gli SCR, nei commutatori elettromeccanici si utilizzano dei componenti chiamati relè per commutare tra sorgente di alimentazione preferenziale e sorgente alternativa. I relè
sono dispositivi semplici ed economici, costituiti essenzialmente da un elettromagnete. Il tipo più semplice di
elettromagnete può essere realizzato avvolgendo un filo attorno a un supporto cilindrico metallico (ad es. un
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chiodo) e collegando le estremità del filo a una batteria, come si vede nella Fig. A4. Quando la batteria è
collegata al filo, nella bobina circola una corrente che genera un campo magnetico. Questo
campo magnetico magnetizza il chiodo, che ora può essere utilizzato per attrarre altri oggetti metallici
(ad esempio un fermaglio). Questo è esattamente lo stesso principio che consente alle gru elettromagnetiche di sollevare le auto rottamate in un impianto di demolizione (a parte il fatto che le gru richiedono molta
più energia di quella fornita da una piccola batteria).
Fig. A4 – Un semplice elettromagnete
In che modo l'elettromagnete di un relè consente di effettuare la commutazione fra due sorgenti di alimentazione? La Fig. A5 fornisce alcune risposte intuitive. Un relè contiene due circuiti: il circuito di eccitazione e il
circuito dei contatti. L'elettromagnete si trova sul lato di eccitazione, mentre i contatti del relè (C1 e C2) si
trovano sull'altro lato. Poiché l'elettromagnete attrae i corpi metallici quando viene eccitato, esso è posizionato vicino all'armatura. L'armatura, in un relè, è il dispositivo metallico deviabile tra due contatti elettrici.
Quando l'elettromagnete viene eccitato, la sua forza magnetica attrae l'armatura spingendola contro il contatto C1, con conseguente chiusura del circuito. Quando però l'elettromagnete viene diseccitato, l'armatura
deve poter commutare sul contatto C2. Ciò è reso possibile dalla presenza di una molla collegata all'altra estremità dell'armatura. In questo modo in qualunque situazione l'armatura è a contatto con C1 oppure
con C2.
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Fig. A5 – Schema di un relè meccanico
TERMINALE COMUNE
CAMPO MAGNETICO CREATO
CONTATTI
ARMATURA
PERNO
MOLLA
BOBINA
TERMINALI BOBINA RELÈ
Analogamente al commutatore statico, anche l'ATS richiede la presenza di un controller per il monitoraggio
dell'alimentazione in entrata fornita dalla sorgente primaria o da quella alternativa. Tuttavia il dispositivo di
controllo è molto più semplice, dato che non è necessario che vengano inviati segnali di gate centinaia di
volte al secondo. In questo caso il controller si limita a monitorare lo stato dell'alimentazione primaria e di
quella alternativa e decidere quando eccitare o diseccitare il relè.
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Appendice B
Apparecchiature IT e alimentazione CA: Come funziona l'alimentatore a commutazione
(Switch-Mode Power Supply; SMPS)?
In che modo un'apparecchiatura IT può continuare a funzionare anche durante l'interruzione dell'alimentazione? Occorre per prima cosa considerare in che modo viene prodotta l'energia elettrica. In genere l'energia
elettrica viene distribuita come corrente alternata (c.a.) dalle aziende elettriche e dai gruppi elettrogeni di riserva. Una tensione CA assume alternativamente valori positivi e negativi, comportandosi nel caso ideale
come una perfetta onda sinusoidale e passando due volte per lo zero durante ciascun ciclo. Per quanto l'occhio umano non sia in grado di percepirlo, una lampadina a incandescenza in realtà “ammicca” con una frequenza di 100 o 120 volte al secondo (a seconda che la frequenza di rete sia di 50 o di 60 Hz) mentre la
tensione assume un valore zero prima di cambiare segno. Deve anch'essa “spegnersi” 100 volte o più al secondo quando la tensione di linea cambia polarità? È evidente che c'è un problema da risolvere riguardante
l'apparecchiatura IT. Il problema viene risolto praticamente in tutte le moderne apparecchiature IT utilizzando
un Switch-Mode Power Supply (SMPS).1 Tale dispositivo converte per prima cosa la tensione c.a. con tutte
le sue anomalie (picchi di tensione, distorsioni, oscillazioni della frequenza, ecc.) in una corrente continua.
Questo processo alimenta un elemento di accumulo di cariche elettriche, chiamato condensatore e interposto tra l'alimentazione c.a. in entrata e il resto dell'alimentatore. Questo condensatore è caricato a impulsi
dall'ingresso c.a. due volte per ciclo, quando l'onda sinusoidale è prossima ai picchi (positivo o negativo) o
coincide con essi, e si scarica alla velocità richiesta dai circuiti di elaborazione IT posti a valle.
Il condensatore è progettato per assorbire questi normali impulsi c.a., oltre ai picchi anomali di tensione, per
l'intera durata del suo ciclo di vita. Pertanto, a differenza della lampada a incandescenza, l'apparecchiatura
IT funziona con una corrente continua stabile e costante, anziché con la corrente alternata pulsante dell'alimentazione di servizio.
Ma c'è dell'altro. I circuiti microelettronici richiedono tensioni continue molto basse (3,3 V, 5 V, 12 V, ecc.),
mentre la differenza di potenziale ai capi del condensatore suddetto può raggiungere i 400 V. Per questo l'alimentatore SMPS converte la c.c. ad alta tensione in uscite c.c. a bassa tensione strettamente regolate.
Mentre esegue questa riduzione di tensione, l'alimentatore SMPS svolge un'altra importante funzione: fornisce l'isolamento galvanico. L'isolamento galvanico è una separazione fisica nei circuiti che serve a due scopi. Il primo è la sicurezza, ovvero la protezione dalle scosse elettriche. Il secondo scopo è la protezione dell'apparecchiatura dai danni o da problemi di funzionamento causati dai disturbi di modo asimmetrico (potenziale di terra). Per un approfondimento degli argomenti della messa a terra e dei disturbi di modo asimmetrico si rimanda ai White Paper APC n. 9, “Suscettibilità dei computer ai disturbi di modo asimmetrico” e n. 21,
“Fatti e mitologia sui fili neutri”.
1
“Switch-mode” (modalità di commutazione) si riferisce a una funzionalità dei circuiti interni dell'alimentazione che non ha
nulla a che vedere con questa discussione.
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Negli intervalli tra due picchi dell'onda sinusoidale di ingresso c.a. l'alimentatore SMPS riesce anche a gestire altre anomalie e brevi interruzioni dell'alimentazione c.a. Questa funzione è importante per i produttori di
apparecchiature IT, poiché di solito vogliono che il loro prodotto funzioni anche nei casi in cui non è presente
un UPS. Nessun costruttore vorrebbe mettere in gioco la reputazione dei suoi prodotti in termini di qualità e
prestazioni commercializzando un alimentatore che non riesce a gestire neppure la più piccola anomalia sulla linea c.a. Ciò vale in particolare per le reti e per le apparecchiature di elaborazione di fascia alta, le quali
vengono normalmente costruite con alimentatori di qualità superiore.
Per dimostrare sperimentalmente questa immunità alle anomalie, l'alimentatore di un tipico computer è stato
collegato a un carico pesante e quindi è stata tolta l'alimentazione c.a. L'uscita dell'alimentatore è stata monitorata per determinare per quanto tempo continuava ad essere erogata una tensione di uscita accettabile
dopo la perdita dell'ingresso c.a. I risultati sono mostrati nella Fig. B1. Le forme d'onda visualizzate sono: la
tensione di ingresso dell'alimentatore, la corrente di ingresso e la tensione di uscita c.c.
Fig. B1 – Continuità dell'alimentazione
Tensione di
ingresso
Corrente di
ingresso
Collasso uscita c.c.
18 ms
Traccia superiore: Uscita
c.c. bassa tensione alimentazione
Interruz. alimentaz. c.a. in ingresso
Tracce intermedie: Tensione e corrente in entrata
Quando la c.a. viene tolta, l'uscita dell'alimentatore di un PC sottoposto a carico pesante crolla,
ma lo fa con un notevole ritardo.
Prima che venga tolta, la tensione di ingresso è l'onda sinusoidale visibile nella parte sinistra della Fig. B1.
La corrente d'ingresso (la traccia discontinua sotto la curva ad andamento regolare della tensione) è costituita da un breve impulso in corrispondenza del picco positivo della tensione d'ingresso e da un altro breve impulso in corrispondenza del picco negativo. Il condensatore dell'alimentatore SMPS è caricato solo durante
questi impulsi di corrente. Per il resto del tempo, l'energia per alimentare i circuiti di elaborazione viene ricavata dal condensatore. La tensione continua all'uscita dell'alimentatore SMPS è la traccia superiore della Fig. B1. Si osservi che la tensione di uscita resta strettamente regolata per 18 millisecondi dopo il distacco dell'ingresso c.a. APC ha testato diversi alimentatori di diverse marche di computer e di altre apparecchiature IT; i risultati sono stati simili. Se il carico degli alimentatori è modesto, il tempo di continuità è molto
più lungo, poiché il condensatore si scarica più lentamente.
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