Alimentação de equipamentos com uma única fonte de alimentação num ambiente de circuitos duplos

Alimentação de

equipamentos com

uma única fonte

de alimentação

num ambiente de

circuitos duplos

Aplicação

Técnica nº 62

Por Victor Avelar

Sumário Executivo

A utilização de uma arquitectura de circuitos de alimentação duplos em combinação com

equipamento de TI equipado com fontes e cabos de alimentação duplos é uma das

melho-res práticas da indústria. Em instalações que utilizam este tipo de estratégia, é inevitável

que subsistam alguns dispositivos de TI equipados apenas com um único cabo de

alimen-tação. Existe uma grande diversidade de opções que permitem a integração de dispositivos

com uma única fonte de alimentação em centros de dados de elevada disponibilidade com

circuitos duplos. Esta Aplicação Técnica explica as diferenças existentes entre as diversas

opções e funciona como guia para seleccionar a estratégia mais adequada.

Introdução

A maioria dos centros de dados de elevada disponibilidade utilizam um sistema de alimentação com circui-tos duplos até ao ponto onde se encontram as cargas mais críticas e uma grande parte das empresas que fornecem equipamento de TI instalam fontes e cabos de alimentação redundantes que permitem manter os circuitos de alimentação duplos até ao bus de alimentação interno do equipamento de TI. Desta forma, o equipamento continua a funcionar, mesmo que se tenha verificado uma avaria em qualquer ponto de um dos circuitos de alimentação. No entanto, o equipamento que possui apenas uma fonte de alimentação (cabo único) introduz uma fraqueza num centro de dados que até aí apresentava uma elevada disponibili-dade. São muitas vezes utilizados comutadores para melhorar a disponibilidade do equipamento de fonte de alimentação única e proporcionar benefícios idênticos aos dos circuitos redundantes. Quando não compreendida, esta prática pode provocar tempos de paragem que poderiam ter sido evitados de outra forma.

Existem três estratégias fundamentais para a alimentação de equipamento com fonte de alimentação única num ambiente de circuitos duplos. São elas:

• Alimentar o equipamento a partir de uma fonte – Figura 1a

• Utilizar um comutador no local para seleccionar uma fonte preferida e quando essa fonte falhar mudar para o segundo circuito de alimentação – Figura 1b

• Utilizar um comutador centralizado de grande dimensão alimentado a partir de duas fontes, para criar um novo bus de alimentação que alimente um grande grupo de cargas com fonte de alimentação única – Figura 1c

Figura 1a

– Uma fonte

Figura 1b

– Comutador local

Funções do comutador de energia

Um comutador de energia é um componente normal nos centros de dados e é utilizado para executar as seguintes funções:

1. Comutar a UPS e outras cargas, da corrente pública para o gerador, durante uma perda de energia

2. Comutar de um módulo de UPS com avaria para a corrente pública ou outra UPS (em função da configuração)

3. Comutar cargas de TI críticas do bus de saída da UPS para outro num sistema de alimentação de circuitos duplos

Esta nota centra-se apenas na terceira função. Se todas as cargas de TI possuíssem a capacidade de aceitar fontes de alimentação redundantes, então não existiria qualquer necessidade de utilizar esta aplica-ção. De facto, a maioria dos equipamentos que utiliza a internet, os dispositivos de armazenamento e os servidores encontram-se equipados com fontes de alimentação totalmente redundantes. No entanto, os equipamentos com uma única fonte de alimentação ainda perfazem cerca de 10 - 20 % da totalidade dos equipamentos de TI existentes em instalações cruciais para a empresa. Quando um equipamento com fonte de alimentação única é ligado a um circuito simples de um ambiente de circuitos duplos, coloca-se em causa a disponibilidade de todo negócio da empresa. De acordo com a Aplicação Técnica nº 48 da APC, “Comparação da disponibilidade de várias configurações de alimentação de bastidores”, um centro de dados totalmente equipado com cabos duplos e circuitos independentes e redundantes pode sofrer 10.000 vezes menos paragens do que um equipado com uma arquitectura de alimentação simples. Os comutadores de energia ajudam a limitar esta grave lacuna, aproximando os circuitos de alimentação redundantes da carga.

Tipos de comutadores de energia

Existem dois tipos principais de comutadores que são utilizados como os melhores selectores de fontes: estáticos e electromecânicos. Baseiam-se ambos no princípio de comutação entre uma fonte de alimenta-ção principal e uma outra alternativa. Apesar de o resultado final ser idêntico, a estratégia utilizada é total-mente diferente. Cada tipo de comutador possui características únicas que beneficiam diferentes tipos de aplicações. Em seguida é apresentada uma visão geral de como funciona cada um dos tipos e no Anexo A é apresentada uma descrição mais detalhada de cada um.

Comutador Estático (STS)

Aplicações

A potência dos comutadores estáticos disponíveis actualmente varia entre os 5 kVA e os 35 MVA. As unidades STS são utilizadas numa grande diversidade de aplicações incluindo instalações eléctricas, instalações de fabrico de automóveis, instalações de fabrico de semicondutores, refinarias de petróleo e centros de dados. A potência da maioria destes comutadores varia entre 100 - 300 kVA e normalmente a superfície ocupada é a de dois bastidores de TI lado a lado. Em aplicações como refinarias, em que a instalação e a arquitectura eléctricas são menos fiáveis do que as que são utilizadas nos centros de dados mais importantes da empresa, não subsistem grandes dúvidas em relação aos benefícios dos comutadores estáticos. No entanto, também é verdade que a instalação e a arquitectura eléctricas dos centros de dados mais importantes da empresa são muito mais robustas. Nestes casos, a diminuição da fiabilidade associada à instalação do STS ultrapassa os benefícios proporcionados. Na Figura 2 é apresentado um exemplo de um STS de 200 kVA. Os comutadores estáticos desta capacidade são mais adequados para cargas trifási-cas com uma única fonte de alimentação e de grande dimensão, como as que são utilizadas por máquinas CNC e outros equipamentos importantes. Apesar de actualmente se encontrar disponível equipamento de TI trifásico e de grande dimensão, tais como dispositivos de armazenamento, estes apresentam geralmente cabos duplos com fontes de alimentação redundantes. No caso de dispositivos de cabos duplos, a fiabilida-de e a disponibilidafiabilida-de da alimentação são optimizadas através da ligação directa das fontes fiabilida-de corrente duplas à carga.

Os comutadores estáticos da gama 5 - 10 kVA são geralmente concebidos para montagem em bastidores de TI normalizados de 19 polegadas (483 mm), tal como é demonstrado na Figura 3. Os comutadores estáticos deste tipo são geralmente utilizados em ambientes de TI, como bastidores de cablagem e salas de dados. A utilização de comutadores de pequena dimensão evita que a avaria de um STS afecte grande parte do centro de dados e limita o tempo de paragem ao equipamento que possui fonte de alimentação única. Ao contrário dos STS de grande capacidade, os comutadores montados em bastidores permitem utilizar uma estratégia de escalabilidade e agilidade. O prazo de entrega dos comutadores de menor dimen-são permite aos gestores de TI adquirir o equipamento apenas quando este é absolutamente necessário. Além disso, estes comutadores podem ser facilmente instalados e deslocados enquanto uma função de TI é actualizada.

Figura 2

–

STS de 200 kVA

Figura 3

–

STS montado em bastidor

Fonte: www.spdtech.com

Fonte: www.cyberex.com

Funcionamento

Tal como o nome indica, os comutadores estáticos não possuem peças móveis. Tal apenas é possível graças à tecnologia dos semicondutores. O “comutador” num STS monofásico é constituído essencialmente por dois pares de semicondutores denominados como rectificadores controladores de silício (SCR), também conhecidos como tirístores, os quais são controlados por um circuito de detecção. Quando o circuito detecta que o sistema principal ultrapassou a tolerância, desliga o comutador principal e activa o comutador alterna-tivo. A duração da comutação é normalmente de 4 milissegundos, mas pode ser ligeiramente maior em função do estado de ambas as fontes.

Modos de avaria

Em termos gerais, quanto mais complexo é um sistema, mais modos de avaria são possíveis. Em compara-ção com os comutadores de transferência electromecânicos, os comutadores estáticos são muito mais complexos devido à rapidez com que as decisões devem ser tomadas aquando da comutação entre fontes. ** Por exemplo, o controlador deve monitorizar diversas variáveis para ambos os lados, incluindo os ângu-los de fase, os estados do SCR e os estados dos disjuntores, voltagens e tensões.

• Avaria no controlo do comutador estático

Os controlos são o componente mais importante dos comutadores de transferência estática devido à sua complexidade. Se os controlos interrompessem o envio de sinais para os SCRs, o estado predefi-nido dos SCRs seria permanecerem abertos, ou seja, interromperem a alimentação com a consequente desactivação da carga. É por esta razão que a maioria dos interruptores estáticos possuem controlado-res e fontes de alimentação redundantes. Os comutadocontrolado-res SCR são controlados individualmente e por essa razão, o controlador apresenta quatro modos de avaria geral.

1) O controlador indica que o comutador primário está fechado, mas deveria estar aberto. Esta condi-ção provoca uma perda de carga caso a fonte primária não consiga suportar a carga.

2) O controlador indica que o comutador primário está aberto, mas deveria estar fechado. Esta condi-ção provoca uma perda de carga caso o comutador alternativo esteja aberto ou a fonte alternativa não consiga suportar a carga.

3) O controlador indica que o comutador alternativo está fechado, mas deveria estar aberto. Esta condição provoca uma perda de carga caso a fonte alternativa não consiga suportar a carga. 4) O controlador indica que o comutador alternativo está aberto, mas deveria estar fechado. Esta

condição provoca uma perda de carga caso o comutador preferido esteja aberto ou a fonte alterna-tiva não consiga suportar a carga.

• Avaria num componente do SCR

Um SCR é bastante fiável, mas quando surge uma avaria, 98 % das vezes provoca uma perda de car-ga, em caso de falha da energia de alimentação desse comutador. A detecção de uma avaria num SCR é difícil, uma vez que a diferença em termos de resistência (perda de tensão) entre um comutador ava-riado e outro em bom estado é normalmente inferior a 0,5 volts. Este facto apenas contribui para a complexidade dos controlos.

• Avaria no disjuntor de saída

Se o disjuntor de saída abre quando tal não é suposto suceder, verifica-se uma perda de carga. Em alguns casos são utilizados dois disjuntores de saída para eliminar um foco de avaria, mas este proce-dimento pode tornar a coordenação entre disjuntores mais difícil.

• Avaria por falha humana

Tal como acontece na maioria dos ambientes cruciais, a falha humana é um modo de avaria bastante comum. Dada a complexidade de um comutador estático e das suas interacções com as diver-sas fontes de alimentação, a falha humana pode acontecer de diverdiver-sas formas. Alguns exemplos comuns são:

- A escolha inadequada de definições do comutador estático pode provocar interacções negativas específicas do local

- A utilização inadequada dos disjuntores de bypass do STS. Por exemplo, se alguém fechasse o disjuntor de bypass preferido, mas a fonte preferida não se encontrasse disponível, a perda de carga seria inevitável.

Por fim, torna-se importante tomar em consideração que independentemente do modo de avaria, os comu-tadores de grande dimensão efectuam uma descarga da carga total proporcionalmente maior do que os comutadores de menor dimensão.

Comutadores electromecânicos ou comutadores de transferência automática (ATS)

Aplicações

A maioria dos comutadores electromecânicos, também denominados como comutadores de transferência automática (ATS), utilizados nesta aplicação não efectua a comutação para além dos 10 kVA de potência devido a limitações físicas dos relés nestas capacidades de potência mais elevadas. É por essa razão que estes comutadores automáticos de montagem em bastidor apresentam uma tendência para possuir 1U de altura, tal como é demonstrado na Figura 4. Tal como acontece com os STS montados em bastidor, os ATS de montagem em bastidor permitem limitar as avarias detectadas a um só bastidor em vez de a dezenas ou centenas de bastidores. Da mesma forma, os ATS montados em bastidor permitem utilizar uma estratégia de escalabilidade e agilidade. No entanto, a instalação de um ATS montado em bastidor torna-se mais simples do que a de um STS devido à sua dimensão e peso mais reduzidos.

Figura 4

–

ATS montado em bastidor

Funcionamento

Os comutadores electromecânicos dependem de uma combinação de propriedades eléctricas e mecânicas. Tal como acontece com os STS, estes comutadores incluem um controlador que monitoriza as fontes de entrada. Neste caso, o mecanismo de transferência da carga baseia-se exclusivamente num relé. Um relé é um comutador mecânico que é mantido numa posição através da acção de uma força magnética. Quando o controlador detecta que a fonte principal ultrapassou a tolerância, desactiva o relé e uma mola força o comutador a seleccionar a fonte secundária. O período de transferência total para este tipo comutador de transferência varia entre 8 e 16 milissegundos.

Modos de avaria

Os comutadores electromecânicos são mais pequenos e menos complexos do que os comutadores de transferência estática. Isto deve-se ao facto de os comutadores electromecânicos serem mais fáceis de controlar e de não necessitarem de qualquer tipo de sincronização entre as fontes de alimentação. Devido ao movimento físico de um relé, os modos de avaria dos comutadores electromecânicos apresentam uma tendência para se verificarem ao nível do “hardware”.

• Avaria por bloqueio do relé

Um modo de avaria possível reside no facto de o relé poder colar ao contacto. Esta situação acontece no caso de uma transferência de alta tensão, a qual provoca uma elevação da temperatura que acaba por colar as superfícies metálicas. Num relé trifásico, esta situação pode ocorrer num ou mais comuta-dores de relé.

• Avaria do controlador

Apesar de ser pouco provável que tal venha a ocorrer em capacidades de potência mais baixas, é pos-sível que o controlador tome uma decisão de comutação incorrecta. Por exemplo, se a potência do lado principal ultrapassar a tolerância, o controlador pode comutar para o lado secundário, o qual não possui qualquer tipo de potência.

• Avaria da fonte de alimentação do controlador

A fonte de alimentação do controlador também pode influenciar o funcionamento do controlador. Se a tensão da fonte de alimentação se tornar demasiado instável, o controlador pode funcionar de forma imprevisível ou não funcionar de todo.

• Avaria no disjuntor

Um modo de avaria importante a que se deve prestar atenção relaciona-se com os disjuntores danifi-cados que protegem a saída do comutador. Estes disjuntores são muitas vezes peças pouco fiáveis e representam um foco de avaria.

Fontes de alimentação dos equipamentos de TI

É importante ter em consideração que ambos os tipos de comutadores analisados anteriormente, apresen-tam um período de transferência menor durante o qual não é possível efectuar a alimentação da carga crucial. Como é que é possível manter o equipamento de TI em funcionamento durante as perdas de energia? A Aplicação Técnica nº 79, “Comparação técnica das concepções de UPS On-line vs. Line-interactive” responde a esta questão pormenorizadamente e volta a repetir a explicação no Anexo B para maior comodidade. Essencialmente, a fonte de alimentação comutada (SMPS) do equipamento de TI necessita de sofrer breves perturbações na alimentação para retirar energia da tensão sinusoidal de entra-da CA. As especificações entra-da norma IEC 61000-4-11, uma norma internacional, definem limites relativamen-te à magnitude e duração das perturbações de relativamen-tensão que são admissíveis para uma carga SMPS. Da mesma forma, o Information Technology Industry Council (ITI, anteriormente denominado como Computer &

Business Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) publicou uma nota de aplicação na qual definia “a tensão de entrada CA que normalmente é tolerada (sem interrupção do funcionamento) pela maioria do equipamento utilizado em tecnologia de informação (ITE).” A Figura 5 mostra a curva ITIC e demonstra que o equipamento de TI continua a funcionar normalmente durante 20 milisegundos a zero volts. A curva e esta nota de aplicação encontram-se disponíveis no endereço: www.itic.org/technical/iticurv.pdf

Figura 5

–

Curva ITIC

Seleccionar os comutadores mais adequados

Os comutadores estáticos de grande dimensão apresentam uma maior capacidade do que os comutadores montados em bastidores. Apesar de a maioria do equipamento de TI existente num centro de dados neces-sitar de menos de 6 kW de potência, existem equipamentos, como os dispositivos de armazenamento, que necessitam de mais potência. Nestes casos torna-se necessário utilizar comutadores estáticos de grande dimensão de modo a proporcionar redundância de energia ao equipamento. No entanto, os equipamentos de TI desta dimensão encontram-se normalmente equipados com fontes de alimentação / cabos redundan-tes que não necessitam de um comutador estático. No quadro 1 é apresentada uma lista das capacidades de potência para cada tipo de comutador que funciona como um guia de selecção do comutador de energia mais adequado. É incluída uma opção adicional para que não seja utilizado qualquer comutador de energia. As subsecções abaixo descrevem pormenorizadamente cada factor de selecção.

TCO

O custo total de exploração inclui os custos de capital utilizados na aquisição e instalação do(s) comuta-dor(es) de transferência, bem como os custos operacionais associados à utilização desse equipamento. Este tema é analisado mais pormenorizadamente na Aplicação Técnica nº 37 da APC, “Evitar custos de infra-estruturas sobredimensionadas em centros de dados e salas de rede”.

Custos de capital

Os comutadores estáticos de alta capacidade e sobredimensionados não são apenas mais dispendio-sos, como representam também perca de custos de oportunidades. Os comutadores estáticos de grande dimensão (superiores a 10 kVA) encontram-se geralmente ligados à infra-estrutura eléctrica do edifício. Os comutadores ATS e estáticos, de menor dimensão, são simplesmente ligados a um receptáculo, evitan-do-se assim a despesa de contratação de electricistas.

Custos operacionais

Os custos operacionais incluem instalações eléctricas, manutenção e impostos. Os comutadores estáticos são menos eficazes do que os comutadores electromecânicos, uma vez que possuem um maior número de componentes. A eficácia torna-se uma das principais preocupações quando os comutadores estáticos de grande capacidade se encontram ligeiramente carregados. Os custos de manutenção variam em função das recomendações do fornecedor; no entanto, em termos gerais, os custos de manutenção para os comu-tadores estáticos são superiores aos dos comucomu-tadores ATS devido à elevada complexidade e quantidade de componentes. Os impostos não são normalmente levados em consideração aquando da selecção de comutadores de transferência, mas podem resultar numa economia significativa em função da dimensão do centro de dados. A Aplicação Técnica nº 115 da APC, “Declaração e benefícios fiscais da infra-estrutura modular e portátil do centro de dados” descreve como os dispositivos eléctricos portáteis e modulares podem ser classificados como equipamento de negócios, o que resulta em poupança fiscal (maior índice de dedução). Os comutadores de transferência que são simplesmente ligados e deslocados de forma muito simples podem obter benefícios significativos com esta regra.

Capacidade de gestão

A capacidade de gestão da infra-estrutura eléctrica é crucial para a integridade da rede de TI e de tele-comunicações. Muitas vezes, os modos de avaria mais importantes apenas se identificam quando o comu-tador necessita de efectuar uma transferência para a fonte alternativa. Este facto torna-se significativamente importante no caso dos comutadores estáticos, uma vez que estes apresentam mais modos de avaria do que os comutadores electromecânicos. A gestão remota dos comutadores de energia permite aos gestores de TI e de instalações monitorizar o estado, os eventos da sessão, as definições de configuração, efectuar actualizações de firmware e receber alertas através de correio electrónico e SNMP. Os comutadores devem permitir a gestão baseada em normas, através de HTTP (Web), SNMP e Telnet.

Período de transferência

O comutador de energia deve poder alternar entre fontes em 20 milisegundos ou menos quando estiver a apoiar equipamento de TI e de telecomunicações.

Facilidade de instalação

Dada a elevada frequência das actualizações de TI (1 ½ a 2 anos), os comutadores de energia devem permitir uma rápida reconfiguração. Por exemplo, nos casos em que o equipamento de fonte de alimenta-ção única é deslocado, o comutador de energia deveria ser facilmente reconfigurado.

Fiabilidade

Em termos gerais, quanto mais complexo é um sistema, maior é a probabilidade de que venha a suceder algo de errado não apenas com os seus componentes e controlos, mas também com a intervenção huma-na. Os comutadores estáticos são essencialmente mais complexos do que os comutadores electro-mecânicos, pelo que requerem um nível de conhecimento mais elevado aquando da sua utilização e repa-ração. Os comutadores electromecânicos encontram-se apenas limitados pelo número de vezes que o relé é activado. Prevê-se que os relés utilizados nestas operações sejam normalmente activados 100.000 vezes. Em média, os comutadores de energia de um centro de dados são deslocados quatro vezes por ano. Assim sendo, os relés apresentam uma vida útil mais longa em comparação com a vida útil dos centros de dados.

Qualidade da reparação

Quando os sistemas falham, o objectivo de qualquer gestor de TI ou de instalações deve ser o de substituir todo o módulo por um equipamento reparado / actualizado pelo fabricante. Os comutadores estáticos e electromecânicos montados em bastidores podem ser completamente substituídos, ao contrário dos comu-tadores STS de grande dimensão cuja reparação é efectuada no local, sem que seja necessário qualquer tipo de ambiente normalizado. No entanto, a maioria dos comutadores estáticos encontra-se equipada com disjuntores de bypass que permitem a manutenção e reparação do equipamento enquanto a carga é supor-tada. Em função da configuração, torna-se também possível substituir comutadores electromecânicos de pequena dimensão sem que se verifique qualquer perda da carga crucial.

Sincronização de fontes

Quando se alterna entre duas fontes de alimentação, existe a possibilidade de que as fontes não se encon-trem sincronizadas, o que pode danificar o equipamento a jusante do comutador ou provocar o disparo dos disjuntores. A probabilidade de que esta situação venha a ocorrer aumenta com a velocidade da comutação e a dimensão do comutador de energia. Por esta razão, é muito mais provável que esta situação ocorra nos comutadores estáticos de grande dimensão no que nos de menor dimensão. A comutação não sincronizada com comutadores electromecânicos não representa um problema ao nível das cargas, mas pode provocar um bloqueio dos relés do comutador, o que justifica a inclusão em alguns comutadores deste tipo de relé adicional que permite evitar picos eléctricos.

Escalabilidade

O equipamento existente nos centros de dados é actualizado de dois em dois anos, mas um centro de dados apresenta um tempo de vida superior a 10 anos. Durante as actualizações, os gestores são confron-tados com diversas densidades de tensão, níveis de redundância, tensões e tipos de ligações. A escalabili-dade permite o dimensionamento correcto, simplifica o planeamento e reduz o capital inicial associado a estas variáveis. Quanto maior for o comutador de energia, maior será a dificuldade em dimensionar e adaptar o equipamento para estas alterações constantes, especialmente quando se pretende evitar tempos de paragem. A utilização de comutadores de energia de menor dimensão permite aos gestores reagir rapidamente a requisitos de negócios em constante alteração sem desactivar sistemas cruciais.

Mistura de equipamentos de fonte de alimentação única com equipamentos de fontes de

alimentação múltiplas

A maioria dos centros de dados organiza os equipamentos de TI por processos ou departamentos, mas nunca exclusivamente por dispositivos com fonte de alimentação única ou dupla. Por essa razão, a maioria dos bastidores de um centro de dados apresenta um conjunto misto de máquinas com fontes de alimenta-ção única e dupla. Na maioria dos casos, os dispositivos com fonte de alimentaalimenta-ção dupla necessitam de dois cabos de alimentação e fichas de saída independentes. No entanto, os dispositivos com fonte de alimentação única necessitam apenas de um cabo de alimentação e de uma ficha de saída. Esta situação representa um problema no caso dos comutadores estáticos de grande dimensão porque se torna necessá-rio que o mesmo bastidor passe a acomodar 3 cabos de alimentação e fichas de saída independentes, as quais ocupam o espaço previsto para a cablagem e equipamento de rede. Em alternativa, os comutadores de pequena dimensão montados em bastidor são alimentados directamente a partir de dois cabos de alimentação e fichas de saída enquanto o equipamento com fonte de alimentação única é ligado directa-mente às saídas do comutador.

Quadro 1

–

Características dos três tipos de comutadores de energia

Característica

Sem

comutador

de energia

STS de

gran-de dimensão

20 kVA - 35 MVA

STS

montado em

bastidor

5 - 10 kVA

ATS

montado em

bastidor

5 - 10 kVA

Observação

TCO

€ 0 / kW € 200 - €300 / kW € 550 - € 700 / kW € 100 - € 150 / kW O custo inicial de um bastidor STS é cerca de seis vezes superior ao de um bastidor ATS

Capacidade de

gestão

Não é necessária qualquer capaci-dade de gestão Os protocolos baseados em normas não são os

normais

Os protocolos baseados em normas não são

os normais

Incluem normal-mente protocolos

baseados em normas

A maioria dos comuta-dores de transferência possuem por predefini-ção relés de contacto seco, mas podem incluir ferramentas de gestão baseadas em normas como opção

Período de

transferência

Sem período de transferência 4 ms 4 ms 8 ms – 16 ms

O equipamento de TI requer períodos de transferência inferiores a 20 ms

Facilidade de

instalação

Sem necessidade de instalação Requer a instalação de cabos eléctricos

Montagem em bastidor / sem necessidade de cabos Montagem em bastidor / sem necessidade de cabos Apenas electricistas certificados devem ligar os comutadores estáticos de grande dimensão

Fiabilidade

Perdem-se os benefícios da fiabilidade dos circuitos de alimentação 2N MTBF = 400.000 a

1.000.000 horas MTBF = 400.000 a 1.000.000 horas MTBF = 700.000 a 1.500.000 horas

Os comutadores estáticos apresentam mais componentes e uma maior complexi-dade do que os comutadores ATS, mas não incluem peças móveis. Os valores MTBF baseiam-se em estimativas da indústria

Modo de avaria

Não aplicável curto-circuito linha a Circuito aberto ou linha Circuito aberto ou curto-circuito linha a linha Bloqueado numa fonte As avarias devido a circuito aberto provo-cam a perda da carga. Os curto-circuitos linha a linha podem provo-car a abertura dos disjuntores a montante

Característica

Sem

comutador

de energia

STS de

gran-de dimensão

20 kVA - 35 MVA

STS

montado em

bastidor

5 - 10 kVA

ATS

montado em

bastidor

5 - 10 kVA

Observação

Facilidade de

reparação

A manutenção simultânea da arquitectura eléctrica não é possível A reparação deve ser efectuada no local Substituição por uma unidade reparada em fábrica Substituição por uma unidade reparada em fábrica Os comutadores de energia montados em bastidor são normal-mente substituídos por uma unidade nova ou actualizada em caso de avaria

Sincronização de

fontes

Não é necessário efectuar a sincro-nização de fontes Necessário para uma transferência mais segura A transferência sem sincronização não é tão importante Não é necessário efectuar a sincroni-zação de fontes Os efeitos adversos provocados pela comutação sem fase continuam a subsistir nos comutadores STS montados em bastidor, mas afectam uma zona de menor dimensão do centro de dados

Escalabilidade

Não aplicável Sem escalabilidade Dimensionável Dimensionável

Os comutadores de transferência monta-dos em bastidor são flexíveis e podem acompanhar o cresci-mento do centro de dados

Mistura de

equipamentos

de cabo único

e duplo

Requer apenas 2 circuitos por bastidor – sem qualquer benefício para cargas de cabo único Devem existir 3 circuitos por bastidor Requer apenas 2 circuitos por bastidor Requer apenas 2 circuitos por bastidor A distribuição da alimentação dos comutadores estáticos de grande dimensão torna a cablagem do bastidor mais compli-cada e consome espaço valioso

Conclusões

À medida que os anos passam, os dados tornam-se cada vez mais importantes para todos os negócios, pelo que é sem surpresa que se verifica que todos os equipamentos mais importantes incluem fontes de alimentação duplas. No entanto, os gestores de TI e de instalações continuam a hesitar no que diz respeito à melhor forma de proporcionar alimentações redundantes aos restantes equipamentos com fontes de alimentação únicas ou até se esse procedimento deve ser implementado de todo. A disponibilidade de alimentação para equipamentos de fonte de alimentação única com potências inferiores a 10 kVA é optimi-zada através da implementação de processos de redundância directamente no bastidor. Este procedimento pode ser efectuado através da utilização de um comutador estático ou de um ATS montados em bastidor. No entanto, tendo em conta os critérios apresentados nesta nota, a solução ideal é a utilização de um comutador ATS montado em bastidor.

Acerca do autor:

Victor Avelar é Engenheiro de Disponibilidade da APC. É responsável pela consultoria de disponibilidade

e análise de arquitecturas eléctricas e concepção de centros de dados para clientes. Victor completou o bacharelato em Engenharia mecânica no Rensselaer Polytechnic Institute em 1995 e é membro da ASHRAE e da Sociedade americana para a qualidade (ASQ).

Anexo A

Comutador de energia estático: método de funcionamento

Os comutadores de energia estática, também denominados relés de estado sólido (SSR), são dispositivos electrónicos utilizados para comutar entre duas fontes de alimentação. A estes comutadores é atribuída a designação “sólido” e “estático” devido às propriedades dos componentes de comutação electrónicos. Os componentes de comutação designam-se por rectificadores controladores de silício (SCR), também conhecidos como tirístores. Para compreender como funciona um SCR, é necessário compreender em primeiro lugar o material que o compõe.

Tal como o nome indica, todos os SCRs são fabricados a partir de um material semicondutor designado silício, que é o elemento principal da areia e do quartzo. Os materiais semicondutores resultam de um cruzamento entre os isolantes e os condutores eléctricos. Os isolantes evitam o fluxo de electricidade enquanto os condutores permitem que o fluxo de electricidade se processe normalmente. No seu estado natural, os semicondutores podem funcionar como isoladores e condutores através de alterações na sua temperatura. Para melhor controlar estas propriedades condutoras, os semicondutores como o silício são sujeitos a um processo conhecido como dopagem, que adiciona impurezas ao semicondutor no seu estado natural. Através da introdução de uma pequena tensão no SCR estas impurezas permitem que este se torne condutor. Na Figure A1 é apresentado o símbolo de um SCR e uma imagem de um SCR real.

Figura A1

–

Rectificador controlador de silício

Símbolo do SCR SCR circular

Porta

Cátodo Ánodo

Basicamente, um SCR funciona como uma válvula que permite o fluxo da corrente apenas numa direcção. O seu funcionamento é semelhante ao de uma válvula cardíaca, uma vez que permite o fluxo sanguíneo apenas numa direcção. Para activar ou “fechar” um SCR, é-lhe aplicada uma pequena tensão que permite o fluxo de energia do ânodo para o cátodo. No entanto, a “válvula” de um SCR é desligada (aberta) automa-ticamente quando a onda sinusoidal da corrente alternada (CA) atinge a barreira zero, tal como é demons-trado na Figura A2. Nesta altura, o SCR deixa de funcionar como um condutor e passa a funcionar indefini-damente como um isolante, a não ser que seja enviado outro sinal para a respectiva porta. O SCR não permite em situação alguma que se verifique uma inversão do fluxo da tensão, do cátodo para o ânodo. Assim sendo como é que é possível “processar” as duas partes (positiva e negativa) de uma onda sinusoi-dal CA?

Figura A2

–

Onda sinusoidal

Barreira

zero

Sinal enviado

para a porta

SCR 1

Sinal enviado

para a porta

SCR 2

A única forma de permitir o fluxo de toda a onda sinusoidal é proceder à utilização de dois SCRs em simul-tâneo, tal como é demonstrado na Figura A3. Desta forma, é possível enviar um sinal para a porta do SCR 2 permitindo o fluxo da parte inferior (negativa) da onda sinusoidal indicada na Figura A2. Isto quer dizer que para permitir o fluxo de duas ondas sinusoidais completas, tal como é indicado na Figura A2, o SCR 1 deve ser activado na primeira e na terceira barreira zero, enquanto o SCR 2 apenas necessita de ser activado na segunda e na quarta barreira zero. Deve ter-se em consideração que o controlador de comutação estático deve enviar estes sinais para a porta de forma muito rápida e fiável enquanto o circuito de alimentação principal continuar disponível. Assim sendo, se uma instalação fornecer corrente CA a 50 Hz (50 ondas sinusoidais por segundo), o controlador deve enviar 100 sinais por segundo para a porta. E este procedimento apenas é válido para um comutador estático monofásico. Os comutadores de energia são normalmente trifásicos, o que significa que o controlador deve enviar 100 sinais por segundo para a porta, por fase, para um total de 300 sinais por segundo.

Na Figura A3 encontra-se representado um comutador de energia estática monofásico. Isto quer dizer que os lados primário e alternativo de um comutador de energia estático trifásico seriam constituídos cada um por 3 pares de SCRs lado a lado (6 SCRs em cada lado ou 12 no total). Nota: Os comutadores de energia de alta capacidade utilizam a configuração que acabou de ser descrita, em “coluna”, tornando possível a existência de centenas de SCRs no mesmo comutador.

Figura A3

–

Comutador estático monofásico

Agora que o SCR e o seu controlo já foram descritos, como é que um comutador de energia estático trans-fere tensão de uma fonte para outra? A resposta reside na forma como o SCR se comporta. Devemos lembrar-nos que quando um SCR é activado, este continua a conduzir electricidade até que a onda sinusoi-dal atinja a barreira zero. Nesta altura, os controlos do comutador de energia poderiam activar o mesmo SCR ou o SCR do lado alternativo caso a fonte principal não se encontrasse disponível. Estas decisões devem ser tomadas em microssegundos de forma a evitar a perda de carga crucial. Ao contrário dos comutadores de energia montados em bastidor, os comutadores de energia estáticos de grande dimensão são ainda mais sujeitos a este tipo de decisão. Os comutadores de grande dimensão suportam um maior número de cargas e encontram-se mais sujeitos a curto-circuitos a jusante. A transferência de fontes durante um curto-circuito a jusante pode ser devastadora, uma vez que a perturbação se propaga a um circuito estável. Assim sendo, para além de todas as decisões que devem ser tomadas, os comutadores de grande dimensão devem decidir em primeiro lugar se existe um curto-circuito e, se for esse o caso, evitar que a comutação ocorra.

Comutadores electromecânicos ou comutadores de transferência automática (ATS):

método de funcionamento

Ao passo que os comutadores estáticos utilizam SCRs, os comutadores electromecânicos utilizam compo-nentes denominados relés para comutar entre fontes de alimentação principais e alternativas. Os relés baseiam-se no princípio de funcionamento simples e económico de um electromagneto. É possível criar um electromagneto simples, enrolando um arame em redor de um prego e ligando as extremidades do arame a uma pilha, tal como é indicado na Figura A4. Quando a pilha é ligada ao arame, provoca o fluxo de tensão

Fonte 1 Fonte 2 Bypass de manutenção Bypass de manutenção K K K K K K

Bloqueio Kirk Key Saída LOGIC SCRs lado a lado SCRs lado a lado

através da bobina, produzindo desta forma um campo magnético. Este campo magnético magnetiza o prego, o qual pode ser utilizado para recolher outros objectos metálicos como clips de papel. É este mesmo princípio que permite às gruas electromagnéticas deslocar os carros num ferro-velho, com a diferença de que estas necessitam de muito mais energia do que a que é fornecida por uma pilha de pequena dimensão.

Figura A4

–

Um electromagneto simples

Então como é que um electromagneto permite que um relé efectue a comutação entre fontes de alimenta-ção? A Figura A5 fornece algumas respostas intuitivas. O funcionamento de um relé baseia-se em dois circuitos: o circuito de activação e o circuito de contacto. O electromagneto encontra-se no lado de activa-ção e os contactos do relé (C1 e C2) no lado do contacto. Uma vez que o electromagneto atrai metal quando é activado, este encontra-se posicionado perto da armadura. Uma armadura, num relé, é o disposi-tivo de metal que se desloca entre os contactos eléctricos. Quando o electromagneto é activado, a sua força magnética atrai e bloqueia a armadura de encontro ao contacto C1, completando desta forma o circuito. No entanto, quando o electromagneto é desactivado, deve existir uma forma de permitir que a armadura entre em contacto com o contacto C2. Este procedimento apenas é possível se for colocada uma mola na outra extremidade da armadura. Desta forma, aconteça o que acontecer, a armadura encontra-se sempre em contacto com C1 ou C2.

Tal como acontece com o comutador estático, um ATS também necessita de um controlador para monitori-zar a tensão de entrada das fontes de alimentação principal e alternativa. No entanto, os controlos são muito mais simples uma vez que não é necessário enviar sinais para a porta centenas de vezes por segun-do. Em vez disso, o controlador monitoriza apenas o estado das fontes de alimentação principal e alternati-va e decide quando deve actialternati-var e desactialternati-var o relé.

Anexo B

Equipamento de TI e alimentação CA: como funciona a fonte de alimentação do modo de

comutação (SMPS)?

Como é que é possível manter o equipamento de TI em funcionamento durante as perdas de energia? Em primeiro lugar, devemos ter em consideração a forma como a electricidade é produzida. Normalmente, a electricidade é distribuída como alimentação de corrente alterna (CA) a partir da corrente pública e de geradores de segurança. A voltagem CA “alterna” entre positiva e negativa — idealmente como uma onda sinusoidal perfeita — passando duas vezes por ciclo pelo ponto zero. Apesar de não ser uma situação detectada pelo olho humano, uma lâmpada ligada à corrente pública pisca 100 ou 120 vezes por segundo (para 50 ou 60 ciclos CA) à medida que a tensão cruza o ponto zero para alterar a polaridade. O equipa-mento de TI também é “desligado” 100 vezes ou mais por segundo à medida que a tensão da linha muda de polaridade? É evidente que existe aqui um problema que deve ser resolvido pelo equipamento de TI. A forma como virtualmente todo o equipamento moderno de TI resolve este problema é através da fonte de alimentação (SMPS).1 _{Uma SMPS converte em primeiro lugar a tensão CA com todos os seus} compo-nentes (picos de tensão, distorções, variações na frequência, etc.) em tensão CC simples (corrente contí-nua). Este processo permite carregar um elemento de armazenamento de energia, denominado condensa-dor, que se encontra entre a entrada de CA e a restante fonte de alimentação. Este condensador é carrega-do pela entrada de CA em impulsos que surgem duas vezes por ciclo de CA quancarrega-do a onda sinusoidal atinge ou se encontra próximo dos seus picos (positivo e negativo) e descarrega com a frequência ditada pelas necessidades dos circuitos de processamento de TI a jusante. O condensador foi concebido para absorver de forma contínua estes impulsos CA normais bem como picos de tensão anómalos ao longo de toda a sua vida útil. Assim sendo, e ao contrário das lâmpadas a piscar, o equipamento de TI funciona com base num fluxo contínuo de tensão CC em vez dos impulsos de tensão CA da instalação pública.

Mas esta história não termina por aqui. Os circuitos microelectrónicos requerem tensões CC bastante baixas (3,3 V, 5 V, 12 V, etc.), mas a tensão do condensador que acabámos de mencionar pode atingir valores da ordem dos 400 V. A SMPS converte igualmente esta elevada tensão CC em saídas de CC niveladas e de baixa tensão.

1_{O “modo de comutação” refere-se a uma funcionalidade do circuito interno da fonte de alimentação que não se} encon-tra relacionada com esta análise.

Através desta redução da tensão, a SMPS efectua uma outra função importante: proporciona isolamento galvânico. O isolamento galvânico é uma separação física no circuito, que serve dois objectivos. O primeiro objectivo é a segurança — a protecção contra choques eléctricos. O segundo objectivo é a protecção contra avarias ou danos no equipamento devido a tensão de modo comum (baseada em ligação terra) ou ruído. Pode encontrar informações acerca de ligações terra e tensão de modo comum nas Aplicações Técnicas nº 9, “Common Mode Susceptibility of Computers” e nº 21, “Neutral Wire Facts and Mythology” da APC. Da mesma forma que a SMPS “ignora” os intervalos entre picos da onda sinusoidal da entrada CA, acaba por ignorar igualmente outras anomalias e interrupções breves da alimentação CA. Esta é uma funcionali-dade importante para os fabricantes de equipamento de TI, uma vez que estes pretendem que o seu equipamento continue a funcionar mesmo nos casos em que não se encontra presente uma UPS. Nenhum fabricante de equipamento de TI deseja colocar em causa a sua reputação em termos de qualidade e desempenho devido a uma fonte de alimentação que não consiga suportar a mínima anomalia da linha CA. Este facto torna-se particularmente verdadeiro para equipamento informático e de rede de gama alta, que é naturalmente fabricado com fontes de alimentação de maior qualidade.

Tendo em vista a demonstração desta capacidade para ignorar estes eventos, aplicou-se uma carga pesada sobre a fonte de alimentação de um computador normal e, em seguida, retirou-se a entrada CA. A saída da fonte de alimentação foi monitorizada para determinar até que ponto a tensão de saída disponível continuava a ser fornecida após a perda da entrada CA. Os resultados obtidos são indicados na

Figura B1. As ondas apresentadas referem-se à tensão de entrada, corrente de entrada e tensão de saída

CC da fonte de alimentação.

Figura B1 – Características da fonte de alimentação

Após a eliminação da voltagem CA, a saída da fonte de alimentação de um computador sujeito a uma carga pesada

sofre um colapso, mas apenas após um atraso significativo.

Linha superior: Saída de

baixa voltagem CC na fonte de alimentação

Linhas do meio: Voltagem e

tensão de entrada Voltagem de entrada Tensão de entrada 18 ms Falha na saída CC Entrada CA interrompida

Antes de ter sido removida, a tensão de entrada era representada pela onda sinusoidal indicada no lado esquerdo da Figura B1. A tensão de entrada — o tracejado indicado abaixo da curva da tensão — é constituída por um impulso breve no pico positivo da tensão de entrada e outro impulso breve no pico negativo. O condensador da SMPS apenas é carregado durante estes impulsos de tensão. Durante o período restante, a tensão é retirada do condensador e enviada para os circuitos de processamento. A voltagem CC na saída da SMPS é representada pelo tracejado superior da Figura B1. Note que a ten-são de saída permanece rigorosamente nivelada durante 18 milisegundos após a remoção da entrada CA. A APC testou uma grande diversidade de fontes de alimentação de vários fabricantes de computadores e outro equipamento de TI e obteve resultados semelhantes. Se as fontes de alimentação apresentarem uma carga leve, o período de espera é maior uma vez que o condensador é descarregado mais lentamente.