Paralelo Redundante

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<p>Comparao de configuraes de sistemas UPS</p> <p>Por Kevin McCarthy</p> <p>Aplicao Tcnica n 75</p> <p>Sumrio ExecutivoH cinco configuraes principais de concepo de sistemas UPS que distribuem energia da rede pblica de um edifcio para as cargas crticas de um centro de dados. A seleco da configurao adequada a uma dada aplicao determinada pelos requisitos de disponibilidade, tolerncia de risco, tipos de cargas do centro de dados, oramento e infra-estruturas existentes. Neste documento so explicadas as cinco configuraes, bem como discutidas as suas respectivas vantagens e desvantagens. abordada a questo do impacto da disponibilidade em cada configurao e so fornecidas directrizes para a escolha da concepo mais adequada.</p> <p>2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>2</p> <p>IntroduoEmbora a rede pblica de distribuio de electricidade seja bastante fivel na maioria dos pases desenvolvidos, h estudos que indicam que mesmo os melhores sistemas pblicos no so adequados s necessidades de operaes fundamentais e contnuas de processamento de dados. A maior parte das empresas, quando confrontadas com a possibilidade de perodos de inactividade e erros de processamento de dados provocados por falhas na rede pblica, optam por implementar um sistema UPS (Fonte de alimentao ininterrupta) entre o sistema de energia pblica e as cargas crticas da empresa. A configurao de sistema UPS seleccionada para a aplicao tem um impacto directo na disponibilidade do equipamento TI que suporta. H uma srie de variveis que afectam a disponibilidade do sistema, como sejam falhas humanas, fiabilidade dos componentes, prazos de manuteno ou tempos de recuperao. O impacto que cadavarivel tem na disponibilidade geral do sistema determinado, em grande parte, pela configurao escolhida. Ao longo dos tempos vrios engenheiros tentaram criar a soluo UPS perfeita para suportar cargas crticas. Essas concepes tm muitas vezes nomes que no indicam necessariamente onde se inserem no espectro de disponibilidade. Paralelo Redundante, Montagem em cascata, Redundncia distribuda, Hot tie, Hot synch, Mltiplos bus paralelos, Sistema mais Sistema so alguns dos nomes j atribudos s diferentes configuraes UPS pelos engenheiros que as conceberam ou pelos fabricantes que as criaram. O problema destes termos que podem ter significados diferentes de pessoa para pessoa e esto, portanto, sujeitos a mltiplas interpretaes. Embora haja mltiplas e variadas configuraes UPS hoje em dia no mercado, apenas cinco tm uma aplicao mais generalizada. E so elas respectivamente: (1) Sistema Simples, (2) Montagem em cascata, (3) Paralelo Redundante, (4) Redundncia distribuda e (5) Sistema mais Sistema. Este documento descreve essas configuraes de sistema UPS e apresenta vantagens e limitaes de cada uma. A configurao de sistema a escolher deve reflectir a criticidade da carga. recomendvel efectuar uma pr-avaliao do impacto dos perodos de inactividade e da tolerncia de risco da empresa, na hora de seleccionar a configurao mais adequada do sistema mais. So fornecidas directrizes para seleccionar a configurao mais adequada a uma determinada aplicao.</p> <p>Escala de disponibilidade e custosDisponibilidadeA fora motriz por trs do constante desenvolvimento de novas hipteses de configuraes UPS a constante e crescente procura de disponibilidade por parte dos gestores de processamento de dados. A Disponibilidade a percentagem de tempo estimada em que a alimentao elctrica vai estar operacional e a funcionar sem problemas no suporte carga crtica. Uma anlise em anexo quantifica as diferenas de disponibilidade entre as configuraes apresentadas no presente documento. Tal como em qualquer2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>3</p> <p>modelo, preciso formular hipteses ou pressupostos para simplificar a anlise. Como tal, os valores de disponibilidade apresentados sero maiores que o esperado para uma instalao real. Para poder comparar as cinco configuraes mais comuns, foi concebida uma escala simples que apresentada na Tabela 1 e ilustra a classifica o ranking de disponibilidade, com base nos resultados em anexo. Esta ordem ser bem evidente aps a leitura das exposies sobre as diferentes configuraes.</p> <p>EscalesTodos os sistemas UPS (e equipamento de distribuio elctrica) necessitam de manuteno regular. A disponibilidade de uma configurao est relacionada com o grau de imunidade a falhas de equipamento e capacidade inerente de ser sujeita a manuteno e a testes de rotina, mantendo ao mesmo tempo a carga crtica. O Uptime Institute aprofunda este tpico num documento entitulado Industry Standard Tier Classification Define site Infrastructure Performance1. Os escales descritos no documento do Uptime Institute englobam as 5 arquitecturas UPS mencionadas neste artigo e tambm esto representados na Tabela 1.</p> <p>CustosQuanto melhor classificada estiver a configurao na escala de disponibilidade, maiores so os custos. A Tabela 1 apresenta intervalos aproximados de custo para cada concepo. Estes custos representam os gastos de montagem de um novo centro de dados e incluem no s os custos da arquitectura UPS, como tambm da Infra-estrutura fsica crtica de rede (NPCI) completa do centro de dados. Estes consistem em gerador(es), quadro de distribuio, sistemas de arrefecimento, cho falso, extino de incndios, bastidores, iluminao, espao fsico e a interligao de todo o sistema. Estes so apenas os custos iniciais e no incluem custos operacionais, como contratos de manuteno. Estes custos equivalem a uma mdia de 2,79 m2 por bastidor e tm por base uma variao de densidade de potncia de 2,3 kW/bastidor a 3,8 kW/bastidor. O custo por bastidor diminui na razo inversa da dimenso do edifcio, o que representa uma maior superfcie ocupada para disperso de custos e um maior poder de compra relativamente aos fornecedores.</p> <p>Tabela 1 Escala de disponibilidade e custos para configuraes UPS ConfiguraesSistema Simples (N) Montagem em cascata Paralelo Redundante (N+1) Redundncia distribuda Sistema mais Sistema</p> <p>Escala de disponibilidade1 = Menor 2 3 4 5 = Maior</p> <p>Categoria de escalo1Escalo I Escalo II Escalo III Escalo IV</p> <p>Intervalo de custos de centro de dados (USS) 11.000 - 14.000/bastidor 14.000 - 19.000/bastidor 19.000 - 24.000/bastidor 28.000 - 33.000/bastidor</p> <p>1</p> <p>www.upsite.com</p> <p>2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>4</p> <p>O que N?O desenho das configuraes UPS muitas vezes descrito por nomenclaturas que utilizam a letra N nos clculos. Por exemplo, um sistema redundante paralelo tambm pode ser designado por sistema N+1 e uma concepo Sistema mais Sistema tambm pode ser denominada 2N. N pode definir-se simplesmente como a necessidade de carga crtica. Por outras palavras, a capacidade de potncia necessria para alimentar o equipamento protegido. Pode recorrer-se a equipamento TI, como os sistemas RAID (Conjunto redundante de discos independentes), para exemplificar a utilizao de N. Por exemplo, se forem necessrios 4 discos para armazenagem e o sistema RAID contiver precisamente 4 discos, chama-se a isto concepo N. Mas se existirem 5 discos de armazenagem para apenas 4 necessrios, estamos perante uma concepo N+1. Desde sempre que as necessidades de alimentao de carga crtica tiveram de ser previstas para um espao de tempo futuro relativamente amplo, para permitir que um sistema UPS pudesse suportar cargas durante 10 ou 15 anos. Projectar este tipo de carga provou ser uma tarefa difcil e natural que assim seja. Nos anos 90, o conceito de Watts / rea quadrada foi desenvolvido para proporcionar uma base de discusso para a comparao de um edifcio com outro. H alguns desentendimentos relativamente a esta medida de potncia, pelo simples facto de ainda no se ter chegado a um consenso quanto ao significado de rea quadrada. Ultimamente, devido tendncia de compactao tecnolgica, tem sido mais utilizado o conceito Watts / bastidor para definir a capacidade do sistema. Este demonstrou ser mais fivel, j que muito fcil contar o nmero de bastidores num espao. Seja qual for o sistema de seleco da carga N, o fundamental que essa seleco seja feita logo partida para permitir que o processo de concepo arranque da melhor maneira. Neste momento j existem concepes de sistema UPS modulares e redimensionveis, que permitem que a capacidade UPS cresa ao ritmo das necessidades TI. Para mais informaes nesta matria consulte a Aplicao Tcnica n 37 Evitar custos de infra-estruturas sobredimensionadas em centros de dados e salas de rede.</p> <p>Capacidade ou sistema NUm sistema N por definio um sistema com um mdulo UPS simples, ou um conjunto em paralelo de mdulos, cuja capacidade equivalente s previses de carga crtica. Este tipo de sistema de longe o mais comum de todas as configuraes na indstria UPS. A pequena UPS por baixo da secretria do escritrio uma configurao N. Do mesmo modo, uma sala de computadores de 465 m2 com uma capacidade projectada de 400 kW igualmente uma configurao N, quer seja atravs de uma UPS nica de 400 kW, ou de duas UPS de 200 kW em paralelo com um bus comum. Uma configurao N pode ser vista como o requisito mnimo para fornecer proteco carga crtica.</p> <p>2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>5</p> <p>Embora ambos os exemplos acima descritos sejam considerados configuraes N, as concepes UPS modulares so diferentes. Ao contrrio da UPS pequena, os sistemas acima das capacidades monofsicas (cerca de 20 kW) tm comutadores internos de bypass esttico que permitem que a carga seja transmitida em segurana para a rede pblica, se o mdulo UPS estiver com problemas internos. As alturas em que a UPS passa para bypass esttico so cuidadosamente definidos pelo fabricante de modo a proporcionar a mxima proteco carga crtica e simultaneamente salvaguardar o prprio mdulo contra potenciais danos internos. O exemplo seguinte ilustra uma dessas medidas preventivas: frequente que os mdulos de aplicaes de UPS trifsicas registem sobrecargas. Num desses registos pode verificar-se que: o mdulo suporta 125 % da taxa de carga durante 10 minutos. Uma vez detectada uma sobrecarga de 125 %, o mdulo d incio a uma temporizao de rotina, com o relgio interno a comear uma contagem decrescente de 10 minutos. Quando a contagem chega ao fim e caso a carga no tenha voltado a nveis normais, o mdulo transfere a carga em segurana para bypass esttico. H vrios cenrios em que o bypass pode ser activado e eles esto claramente descritos nas especificaes de cada mdulo UPS. Uma forma de expandir uma concepo de configurao UPS fornecer ao sistema capacidade de bypass de manuteno ou externo. Um bypass externo permitiria que todo o sistema UPS (mdulos e bypass esttico) fossem desligados em segurana para manuteno, se e quando este tipo de situao se verificasse. O bypass de manuteno derivaria do mesmo painel que alimenta a UPS e ligaria directamente ao painel de sada da UPS. Isto, como bvio, um circuito aberto normal que s pode ser fechado quando o mdulo UPS est em bypass esttico. preciso ainda evoluir um pouco em termos de concepo, para impedir o fecho do circuito de bypass de manuteno quando a UPS no est em bypass esttico. Quando devidamente implementado num sistema, o bypass de manuteno revela-se um componente importante no sistema, permitindo mexer em segurana no mdulo UPS, sem ter de desligar a carga.</p> <p>2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>6</p> <p>A maior parte das configuraes de sistema N, especialmente abaixo de 100 kW, so aplicadas em edifcios sem olhar atentamente configurao dos sistemas elctricos gerais dos mesmos. No geral, os sistemas elctricos dos edifcios esto desenhados numa configurao N, de maneira que uma configurao UPS N no precise de mais do que isso para ser alimentada. Na Figura 1 apresentada uma configurao normal de sistema UPS de mdulo simples.</p> <p>Figura 1 Configurao UPS de capacidade de mdulo simplesCorrente pblica Gerador</p> <p>ATS</p> <p>UPS 300 kW</p> <p>Bypass de manuteno</p> <p>PDUCARGA 300 kW</p> <p>Vantagens Configurao de hardware conceptualmente simples e eficaz em termos de custos Eficincia optimizada da UPS, porque utilizada toda a sua capacidade Fornece disponibilidade para alm da que deriva da rede pblica Amplivel no caso de aumento das necessidades de alimentao ( possvel configurar vrias unidades na mesma instalao. possvel ter at 8 mdulos UPS da mesma classe em paralelo, consoante o fornecedor ou fabricante.)</p> <p>2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicao pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida nem guardada em qualquer tipo de sistema de obteno de dados sem o consentimento por escrito do proprietrio dos direitos de autor. www.apc.com Rev 2004-0</p> <p>7</p> <p>Desvantagens Disponibilidade limitada no caso de avaria de mdulo UPS, j que a carga transferida para funcionamento bypass, expondo-a a corrente elctrica no protegida Durante a manuteno da UPS (baterias ou equipamento a jusante), que costuma ter lugar pelo menos uma vez por ano com uma durao mdia de 2 - 4 horas, a carga fica exposta a corrente no protegida</p> <p>Ausncia de redundncia limita a proteco da carga contra avarias da UPS Muitos focos individuais de avaria, o que significa que a fiabilidade do sistema equivalente do ponto mais fraco</p> <p>Montagem em cascataUma configurao de montagem em cascata por vezes designada de sistema N+1. Contudo, bastante diferente de uma configurao redundante em paralelo, que tambm designada de N+1. O conceito de concepo de montagem em cascata no implica bus que estabelea ligao em paralelo, nem implica que os mdulos tenham a mesma capacidade, ou que provenham sequer do mesmo fabricante. Neste tipo de configurao h um mdulo UPS principal ou primrio, que por norma alimenta a carga. A UPS de isolamento ou secundria alimenta o bypass esttico do(s) mdu...</p>