pdu, alimentacion

8/18/2019 PDU, alimentacion

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Alimentación de

equipos de fuenteúnica en unentorno de doblealimentación

Informe internoN° 62

Por Victor Avelar



2004 American Power Conversion. Todos los derechos reservados. Queda prohibida la utilización, reproducción, fotocopiado, transmisión oalmacenamiento en cualquier sistema de recuperación de cualquier tipo de esta publicación, en todo o en parte, sin el consentimiento escritodel titular del derecho de autor . www.apc.com Rev 2004-0

2

Resumen ejecutivo

El empleo de arquitecturas de circuito de alimentación doble en combinación con equipos

de IT con fuentes y cables de alimentación dobles es una mejor práctica de la industria. En

infraestructuras que utilizan este enfoque, inevitablemente existen algunos dispositivos de

IT que solo tienen un cable de alimentación. Existen diversas opciones para integrar los

dispositivos con fuente única en un centro de datos de circuito doble de alta disponibilidad.

Este informe explica las diferencias entre las distintas opciones y brinda una guía para

seleccionar el enfoque apropiado.




3

Introducción

La mayoría de los centros de datos de alta disponibilidad utilizan sistemas de alimentación con circuitos de

alimentación dobles que llegan hasta las cargas críticas, y la mayoría de los equipos de IT empleados en el

entorno corporativo ofrecen fuentes y cables de alimentación redundantes para hacer llegar los circuitos de

alimentación dobles hasta el bus interno de potencia de los equipos de IT. De esta forma, los equipos

pueden continuar operando aunque se produzca una anomalía en cualquier punto de cualquier circuito de

alimentación. Sin embargo, los equipos con fuente de alimentación única (cable único) presentan una

debilidad respecto de un centro de datos que, si no fuera por esos equipos, ofrecería alta disponibilidad. Los

interruptores de transferencia se utilizan frecuentemente para aumentar la disponibilidad de los equipos de

fuente única, suministrando los beneficios de los circuitos redundantes de la red eléctrica. Si no se la

comprende, esta práctica puede conducir a tiempos de inactividad que podrían haberse evitado.

Existen tres enfoques fundamentales para alimentar los equipos de fuente única en un entorno de doble

alimentación. Se los enumera a continuación:

• Alimentar los equipos con un cable – Figura 1a

• Utilizar un interruptor de transferencia en el punto de uso para seleccionar la fuente preferida y, cuando

falla esa fuente, conmutar la carga al segundo circuito de alimentación – Figura 1b

• Utilizar un gran interruptor de transferencia centralizado alimentado con dos fuentes, para generar un

nuevo bus de potencia a fin de abastecer un gran grupo de cargas de fuente única – Figura 1c

Figura 1a – Una fuente de alimentación de uso Figura 1b – Interruptor en punto

Figura 1c –Conmutación centralizada

PDU

Subpanel 2

Subpanel 1

Transf. 2

Transf. 1

PDU

Circuito de energía

de respaldo


primario

UPS 1

UPS 2

Servidor

PDU

Subpanel 2

Subpanel 1

Transf. 2

Transf. 1

PDU


de respaldo


primario

UPS 1

UPS 2

Servidor

Interruptor de transf.para montaje en rack

PDU con STS

Swich detransf.

estática

Transf.reductor Subpanel Servidor

UPS 1

UPS 2

de energíaCircuito

primario

de respaldo energíaCircuito de




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Funciones del interruptor de transferencia

Un interruptor de transferencia es un componente común en los centros de datos y se utiliza para llevar acabo las siguientes funciones:

1. Conmutar la UPS y otras cargas de la alimentación de la red eléctrica al generador durante la

interrupción en el suministro de la primera.

2. Conmutación desde un módulo de la UPS con anomalías a la red eléctrica u otra UPS (según los

diseños).

3. Conmutación de las cargas críticas de IT desde un bus de salida de la UPS a otro en un sistema

de alimentación con circuito doble.

Este informe abordará solamente la tercera función. Si todas las cargas de IT pudieran admitir cables de

alimentación de entrada doble (es decir, fuentes duales), la aplicación mencionada no tendría razón de ser.

En realidad, la mayoría de los equipos de comunicación entre redes, dispositivos de almacenamiento y

servidores sofisticados poseen fuentes de alimentación de entrada totalmente redundantes y cables de

alimentación dobles. Sin embargo, los equipos de fuente única aún conforman entre alrededor del 10 y el

20% de la totalidad de los equipos de IT en infraestructuras de misión crítica. Cuando los equipos de fuente

única son conectados con un circuito único de la red eléctrica de un entorno de circuito doble de la red

eléctrica, puede ponerse en peligro la disponibilidad del proceso comercial general. De acuerdo con el

Informe interno N° 48 de APC, “Comparación de la disponibilidad de diversas configuraciones de energía

redundante de montaje en rack”, los centros de datos con fuentes duales completo y circuitos de la red

eléctrica redundantes e independientes pueden ofrecer 10.000 veces menor tiempo de inactividad que los

de diseño de circuito único. Los interruptores de transferencia ayudan a cerrar esta gran brecha,

proveyendo circuitos redundantes de la red eléctrica más cercanos a la carga.

Tipos de interruptores de transferencia

Existen dos tipos principales de interruptores de transferencia utilizados como mejores selectores de fuente:

de transferencia estática y de transferencia electromecánica. Ambos se basan en el principio de

conmutación entre una fuente de energía primaria y una fuente de energía alternativa. Aunque brindan la

misma salida, lo logran en formas diferentes. Cada tipo de interruptor tiene características únicas que

ofrecen beneficios para diferentes tipos de aplicaciones. A continuación se brinda una breve reseña del

funcionamiento de cada uno; puede consultarse una descripción más detallada en el Apéndice A.

Interruptores de transferencia estática (STS)

Aplicaciones

Los interruptores de transferencia estática disponibles en la actualidad pueden tener entre 5kVA y 35 MVA

de potencia. Las unidades STS se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen compañías

eléctricas, plantas de fabricación automotriz, plantas de producción de semiconductores, refinerías de




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petróleo y centros de datos. La mayoría de estos interruptores operan en el rango de entre 100 y 300 kVA y,

por lo general, ocupan la superficie de dos racks de IT ubicados uno a continuación del otro. En

aplicaciones como las refinerías en donde la red eléctrica y la arquitectura eléctrica son menos confiables

que las de los centros de datos de misión crítica, existe poco debate respecto a los beneficios de los

interruptores estáticos. Por el contrario, la red y la arquitectura eléctricas de los centros de datos de misión

crítica son mucho más robustos. En estos casos, la disminución de la confiabilidad asociada con el uso de

unidades STS es mayor que el beneficio que ofrecen estas unidades. La Figura 2 ilustra un ejemplo de un

STS de 200 kVA. Los interruptores estáticos de esta capacidad son más adecuados para grandes cargas

trifásicas de fuente única, como las de las máquinas CNC y otros equipos de fabricación críticos. Aunque en

la actualidad existen grandes equipos IT trifásicos, tales como dispositivos de almacenamiento,

generalmente estos equipos trabajan con cable doble y fuente de alimentación redundante. En los casos de

dispositivos de fuentes duales, la confiabilidad y disponibilidad del suministro se optimizan acercando a la

carga los suministros dobles de la red eléctrica.

Los interruptores estáticos que se encuentran en el rango de entre 5 y 10 kVA suelen diseñarse para su

montaje en racks de IT estándar de 19 pulgadas (483 mm), tal como se ilustra en la Figura 3. En general,

los interruptores estáticos de este tipo se utilizan en entornos de IT, tales como salas de cableado y salas

de datos. El uso de interruptores más pequeños evita que una falla en la unidad STS afecte una gran

porción del centro de datos; así, el tiempo de inactividad resultante de la anomalía tiene consecuencias solo

para los equipos de fuente única de un rack. A diferencia de los STS de mayor capacidad, los interruptores

para montaje en rack admiten la escalabilidad y agilidad. El tiempo que transcurre entre la planificación de la

incorporación de interruptores más pequeños y la efectiva incorporación permite que los gerentes de

sistemas adquieran interruptores solamente si se presenta la necesidad. Más aun, estos interruptores

pueden instalarse y desplazarse fácilmente en función de las actualizaciones del entorno de IT.

Figura 2 – STS de 200 kVA




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Figura 3 – STS para montaje en rack

Fuente: www.spdtech.com

Fuente: www.cyberex.com

Operación

Como su nombre lo indica, los interruptores estáticos no poseen partes móviles. Esto es posible como

resultado de la tecnología de semiconductores. Esencialmente, el “interruptor” de un STS monofásico

consta de dos pares de interruptores con semiconductores denominados Rectificadores controlados de

silicio (SCR), o tiristores, que son controlados por un circuito de detección. Cuando ese circuito detecta que

el circuito primario se encuentra fuera de tolerancia, desconecta el interruptor del circuito primario y conecta

el interruptor del circuito alternativo. La duración de la conmutación suele ser de aproximadamente 4

milisegundos, pero puede ser ligeramente mayor, según el estado de ambas fuentes.

Modos de fallaEn general, cuánto más complejo es un sistema, más modos de falla son posibles. En comparación con los

interruptores de transferencia electromecánica, los interruptores estáticos son mucho más complejos, dada

la velocidad a la cual deben tomarse las decisiones cuando se conmuta la carga entre fuentes.

** Por ejemplo, el controlador debe monitorear diversas variables para ambos lados, que incluyen ángulos

de fase, estados del SCR, y estados de los disyuntores, tensiones y corrientes.

• Falla de control del interruptor estático

Los controles son el componente más crítico, con independencia de cualquier otro, de los interruptores

de transferencia estática debido a su complejidad. Si los controles interrumpieran el envío de señales a

los SCR, según el estado predeterminado de los SCR estos deberían permanecer abiertos, es decir no

conducir electricidad, por lo que caería la carga. Esta es la razón por la cual casi todos los interruptores

estáticos incorporan controladores y fuentes de alimentación redundantes. Los interruptores SCR son

controlados en forma individual y por lo tanto el controlador exhibe cuatro modos generales de falla.

1) El controlador indica que el interruptor preferido está cerrado pero debería estar abierto. Esto

generará la caída de carga si la fuente preferida no puede soportarla.




7

2) El controlador indica que el interruptor preferido está abierto pero debería estar cerrado. Esto

generará la caída de la carga si el interruptor alternativo está abierto o si la fuente alternativa no

puede soportar la carga.

3) El controlador indica que el interruptor alternativo está cerrado pero debería estar abierto. Esto

generará la caída de la carga si la fuente alternativa no puede soportarla.

4) El controlador indica que el interruptor alternativo está abierto pero debería estar cerrado. Esto

generará la caída de la carga si el interruptor preferido está abierto o si la fuente preferida no

puede soportar la carga.

• Falla del componente SCR

Un SCR es bastante confiable pero cuando falla, entra en cortocircuito el 98% del tiempo, lo que

genera que caiga la carga si se pierde la alimentación que recibe ese interruptor de la red eléctrica. Es

difícil detectar un SCR en cortocircuito porque la diferencia de resistencia (caída de tensión) entre elque está en cortocircuito y el que opera correctamente suele ser menor que 0,5 voltios. Esto se suma a

la complejidad de los controles.

• Falla del disyuntor de salida

Si el disyuntor de salida se abre cuando no debe, caerá la carga. En algunos casos, se utilizan dos

disyuntores de salida para eliminar los puntos de falla únicos, pero esto puede dificultar la coordinación

de disyuntores.

• Falla por error humano

Como sucede en la mayoría de los entornos de misión crítica, el error humano es un modo de falla

común. Dada la complejidad de los interruptores estáticos y sus interacciones con diferentes fuentes de

alimentación de entrada, el error humano puede presentarse de maneras diversas. A continuación se

incluyen algunos ejemplos comunes:

- La elección subóptima de los valores iniciales del interruptor estático puede causar interacciones

negativas específicas de la instalación.

- Operación inadecuada de los disyuntores de bypass del STS. Por ejemplo, si alguien cerrara el

disyuntor preferido de bypass pero no se encontrara disponible la fuente preferida, caería la carga.

- Procedimientos de mantenimiento inadecuados.

Finalmente, es importante destacar que independientemente del modo de falla, los interruptores detransferencia más grandes harán caer una proporción mayor de la carga total en una infraestructura en

comparación con interruptores más pequeños.

Interruptores electromecánicos o Interruptores de transferencia automática (ATS)

Aplicaciones

La mayoría de los interruptores de transferencia electromecánica, también denominados interruptores de

transferencia automática (ATS), utilizados en esta aplicación no conmutan más allá de 10 kVA de potencia

debido a las limitaciones físicas de los relés con capacidades de potencia tan altas. Esta es la razón por la




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cual los interruptores de transferencia automática para montaje en rack tienden a tener 1U de altura, tal

como se ilustra en la Figura 4. Al igual que el STS para montaje en rack, el ATS para montaje en rack acota

las fallas del interruptor a un rack en lugar de propagarlas por decenas o centenas de racks. En forma

similar, el ATS para montaje en rack admite la escalabilidad y agilidad. Sin embargo, la instalación de un

ATS para montaje en rack es más simple que la de un STS para montaje en rack debido al menor tamaño y

peso.

Figura 4 – ATS para montaje en rack

Operación

Los interruptores electromecánicos dependen de una combinación de propiedades eléctricas y mecánicas.

Al igual que los STS, estos interruptores poseen un controlador que monitorea ambas fuentes de entrada. El

mecanismo para la transferencia de la carga en este caso es un relé. Un relé es un interruptor mecánico

que, por acción de una fuerza magnética, permanece en una posición determinada. Cuando el controlador

detecta que la fuente primaria se encuentra fuera de tolerancia, desenergiza el relé y un resorte fuerza el

pasaje del interruptor a la fuente secundaria. El tiempo total de transferencia para este tipo de interruptor de

transferencia oscila entre 8 y 16 milisegundos.

Modos de falla

Los interruptores electromecánicos son mucho más pequeños y menos complejos que los interruptores de

transferencia estática. Esto se debe fundamentalmente al hecho de que los interruptores electromecánicos

son más fáciles de controlar y no requieren sincronización entre las fuentes de la red eléctrica. Debido al

movimiento físico de un relé, los modos de falla para los interruptores electromecánicos tienden a

relacionarse con los componentes de hardware.




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• Falla de soldadura del relé

Un posible modo de falla consiste en que el relé se suelde al contacto. Esto sucede en casos de

transferencia de alta tensión que causan un arco de alta temperatura, por lo que se sueldan las superficies

metálicas. En un relé trifásico esto puede ocurrir con uno o más interruptores de relé.

• Falla del controlador

Aunque las probabilidades son menores con capacidades de potencia menores, es posible que el

controlador tome la decisión de conmutación equivocada. Por ejemplo, si la potencia del lado primario está

fuera de tolerancia, puede suceder que el controlador conmute la carga al lado secundario que directamente

no recibe potencia.

• Falla del suministro de energía del controlador

El suministro de energía del controlador también puede causar la operación errónea del controlador. Si latensión del suministro de energía se torna inestable, es posible que el controlador actúe imprevisiblemente

o que directamente no haga nada.

• Falla del disyuntor

Un modo de falla importante que debe contemplarse es el de los disyuntores defectuosos que protegen la

salida del interruptor de transferencia. Estos disyuntores suelen ser poco confiables y constituyen puntos

únicos de falla.

Fuentes de alimentación de los equipos de ITEs importante destacar que los dos tipos de interruptores tratados anteriormente exhiben un tiempo de

transferencia reducido durante el cual no se ofrece suministro a la carga crítica. ¿En qué forma pueden

seguir operando los equipos de IT durante las interrupciones en el suministro? En el Informe interno N° 79,

“Comparación técnica de los diseños de UPS en línea vs. de línea interactiva” se responde esa pregunta

con gran detalle. Parte de esa respuesta se incluye en el Apéndice B del presente para la conveniencia del

lector. En esencia, la Fuente de alimentación conmutada (SMPS) de los equipos de IT debe experimentar

breves perturbaciones energéticas para poder tomar potencia de una tensión de entrada de CA senoidal.

Las especificaciones de IEC 61000-4-11, un estándar internacional, definen los límites de magnitud y

duración de las perturbaciones de la tensión que resultan aceptables para la carga de una SMPS. En forma

similar, el Information Technology Industry Council (ITI, anteriormente conocido como Computer & Business

Equipment Manufacturers Association [CBEMA]) ha publicado una Nota sobre aplicaciones que describe la

envolvente de tensión de entrada de CA que pueden tolerar en forma típica (sin interrupción en el

funcionamiento) la mayoría de los equipos informáticos (ITE)”. La Figura 5 ilustra la curva del ITIC y

muestra que los equipos de IT continuarán operando normalmente durante 20 milisegundos con cero

voltios. Es posible acceder a la Curva y la Nota sobre aplicaciones mencionadas en:

www.itic.org/technical/iticurv.pdf




10

Figura 5 – Curva del ITIC

10 s0,5 s20 ms3 ms1 ms0,01 c

40

7080

100

120

140

200

300

400

500

P o r c e n t a j e d e t e n s i ó n n o m i n a l ( v

a l o r e f i c a z o e q u i v a l e n t e a v a l o r

d e c r

e s t a )

Envolvente de tolerancia de

tensión para equipos de 120

voltios monofásicos

Región sin interrupción en el

funcionamiento

Región prohibida

Región sin daño

Duración en ciclos (c) y segundos (s)

Curva del ITI

(CBEMA)(modificada en el año 2000)

Límites continuos

110

90

Selección de los interruptores de transferenciaapropiados

Los interruptores estáticos más grandes tienen una capacidad mucho mayor que los interruptores para

montaje en rack. Aún cuando la mayoría de los equipos de IT de un centro de datos requieren menos de 6

kW de potencia, algunos equipos, como los dispositivos de almacenamiento de montaje en el piso,

requieren mucha más potencia. En esos casos, deben usarse interruptores estáticos más grandes para

suministrar energía redundante a los equipos. Sin embargo, los equipos de IT críticos de este tamaño

suelen contar con fuentes de alimentación / cables redundantes que no deberían requerir un interruptor

estático. La Tabla 1 ilustra las capacidades de potencia para cada tipo de interruptor y sirve como guía para

la selección del interruptor de transferencia apropiado. Asimismo, se incluye la posibilidad adicional de no

utilizar interruptores de transferencia. Las subsecciones que aparecen a continuación describen cada factor

de selección en detalle.




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TCO

El Costo total de propiedad incluye costos de capital relativos a la adquisición e instalación del(de los)

interruptor(es) de transferencia y los costos operativos asociados con el uso del(de los) interruptor(es). Estetema se desarrolla en mayor detalle en el Informe interno de APC N° 37, “Cómo evitar los costos que

ocasiona el sobredimensionamiento de la infraestructura de los centros de datos y las salas de gestión de

redes”.

Costos de capital

Además de ser más costosos por kVA utilizado, los interruptores estáticos de mayor capacidad que están

sobredimensionados generan costos relacionados con la pérdida de oportunidades. Los interruptores

estáticos más grandes (superiores a 10 kVA) suelen integrarse mediante cableado permanente a la

infraestructura eléctrica del edificio. Los interruptores ATS y estáticos más pequeños simplemente se

conectan a un tomacorrientes, por lo que se evita el gasto de la contratación de electricistas.

Costos operativos

Los costos operativos incluyen el servicio de la compañía eléctrica, el mantenimiento y los impuestos. Los

interruptores estáticos son menos eficientes que los electromecánicos debido a su mayor número de

componentes. La eficiencia se transforma en un tema mayor cuando los interruptores estáticos de alta

capacidad tienen poca carga. Los costos de mantenimiento varían según las recomendaciones del

proveedor; sin embargo, en general, los costos de mantenimiento para los interruptores estáticos son

mayores que los de los ATS debido a la mayor complejidad y cantidad de componentes de los primeros. Es

raro que se tengan en cuenta las cuestiones impositivas cuando se seleccionan interruptores de

transferencia, pero su consideración puede permitir importantes ahorros en función del tamaño del centro

de datos. El Informe interno de APC N° 115, “Beneficios contables e impositivos de la infraestructura portátil

y modular para centros de datos” describe la forma en que pueden clasificarse los dispositivos eléctricos

portátiles y modulares como equipos comerciales, de modo de generar ahorros impositivos (mayor

desgravación fiscal). Es posible obtener los beneficios de la aplicación de la norma mencionada cuando se

utilizan interruptores de transferencia que simplemente se enchufan y que se reubican fácilmente.

Capacidad de administración

La capacidad de administración de la infraestructura eléctrica resulta crítica para la integridad de la red de

IT y telecomunicaciones. Frecuentemente, se identifican los modos de falla crítica recién cuando elinterruptor debe transferir la carga a la fuente alternativa. Esto resulta cada vez más importante con relación

a los interruptores estáticos, dado que estos poseen muchos más modos de falla que los electromecánicos.

La administración remota de los interruptores de transferencia permite que los gerentes de sistemas y los

gerentes de infraestructura monitoreen el estado, registren eventos, configuren valores, lleven a cabo

actualizaciones de firmware y reciban alertas a través del correo electrónico y SNMP. Los interruptores

deberían permitir la administración en base a estándares a través del protocolo HTTP (Web), SNMP y

Telnet.




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Tiempo de transferencia

El interruptor de transferencia debe poder conmutar la carga entre fuentes en 20 milisegundos o menos

cuando ofrece soporte a equipos de IT y telecomunicaciones.

Facilidad de instalación

Dada la alta frecuencia de actualizaciones de IT (1 ½ a 2 años), los interruptores de transferencia deberían

permitir una rápida reconfiguración. Por ejemplo, en casos en los que se reubican equipos de fuente única,

el interruptor de transferencia debería reconfigurarse fácilmente.

Confiabilidad

En general, cuánto más complejo es un sistema, mayor es la probabilidad de que algo falle no solamente en

sus componentes y controles, sino por la intervención humana. Los interruptores estáticos son

inherentemente más complejos que los interruptores electromecánicos y, por lo tanto, requieren un nivel

mayor de comprensión cuando se los opera y repara. Los interruptores electromecánicos tienen la limitación

del número de veces en que el relé debe conmutar. Los relés utilizados para esta aplicación tienen un

régimen nominal típico de 100.000 operaciones. En promedio, los interruptores de transferencia de un

entorno de centro de datos experimentan cuatro transferencias por año. Por lo tanto, los relés brindan una

vida útil prolongada con respecto a la vida útil de los centros de datos.

Calidad de las reparaciones

Cuando los sistemas fallan, el objetivo de todo gerente de sistemas o de infraestructura debería ser

reemplazar el módulo completo con uno reparado o renovado en fábrica. Los interruptores estáticos y

electromecánicos para montaje en rack pueden reemplazarse completamente, a diferencia de los STS más

grandes, que se reparan en el establecimiento del cliente, en entornos poco estandarizados o sin

estandarizar. Sin embargo, la mayoría de los interruptores estáticos incorporan disyuntores de bypass para

permitir el mantenimiento y la reparación al tiempo que se ofrece soporte a la carga. En función de la

configuración, también resulta posible reemplazar interruptores electromecánicos más pequeños sin

desconectar la carga crítica.

Sincronización de fuentes

Cuando se realiza la conmutación entre dos fuentes de la red eléctrica, existe la posibilidad de que las

fuentes no estén sincronizadas, lo que puede causar daños a los equipos aguas abajo del interruptor o

provocar el disparo de los disyuntores. La probabilidad de que esto ocurra aumenta en proporción a la

velocidad de conmutación y el tamaño del interruptor de transferencia. Por lo tanto, los grandes

interruptores estáticos están mucho más expuestos a este problema que los más pequeños. La

conmutación fuera de sincronización de los interruptores electromecánicos no presenta un problema con

respecto a las cargas, pero puede causar una soldadura del relé en el interruptor. Por eso, algunos

interruptores de este tipo incluyen un relé adicional para evitar los arcos eléctricos.




13

Escalabilidad

Los equipos de los centros de datos se actualizan aproximadamente cada 2 años, pero los centros de datos

poseen una vida útil esperada de más de 10 años. Durante las actualizaciones, los gerentes enfrentandiferentes densidades de potencia, niveles de redundancia, tensiones y tipos de enchufes. La escalabilidad

permite lograr un dimensionamiento adecuado, simplifica la planificación y reduce las inversiones iniciales

de capital asociadas con estas variables. Cuánto más grande es el interruptor de transferencia, resulta más

difícil escalarlos y adaptarlos a estos cambios constantes, en especial si desea evitarse el tiempo de

inactividad. Usar interruptores de transferencia más pequeños permite a los gerentes reaccionar a los

cambiantes requisitos comerciales sin desconectar los sistemas críticos.

Combinación de equipos de fuente única y de fuentes múltiples

La mayoría de los centros de datos organizan los equipos de IT por proceso o departamento comercial,

pero nunca se considera de manera exclusiva el hecho de que los equipos sean de fuente única o de

fuentes duales. Por lo tanto, la mayoría de los racks de los centros de datos combinan dispositivos de

fuente única y doble. En la mayoría de los casos, los dispositivos de fuente dual requieren dos cables de

alimentación y bloques de tomacorrientes independientes. Sin embargo, los dispositivos de fuente única

requieren un único cable de alimentación y un solo bloque de tomacorrientes. Esto resulta problemático en

el caso de grandes interruptores estáticos montados en el piso, dado que el mismo rack ahora debe permitir

el acceso de tres cables de alimentación y tres bloques de tomacorrientes independientes que ocupan

espacio necesario para el cableado y los equipos integrados en red. Por su parte, los interruptores de

transferencia pequeños para montaje en rack reciben alimentación directamente de dos cables y bloques de

tomacorrientes, mientras que los equipos de fuente única se conectan directamente en los tomacorrientes

del interruptor.




14

Tabla 1 – Características de los tres tipos de interruptores de transferencia

Característica Sin interruptorde

transferencia

STA grande20 kVA – 35

MVA

STS paramontaje en

rack5 – 10 kVA

ATS paramontaje en

rack5 – 10 kVA

Comentarios

TCO US$ 0 / kW US$ 200 - US$

300 / kW US$ 550 - US$

700 / kW US$ 100 - US$

150 / kW

El costo inicial para un STSen rack esaproximadamente seisveces mayor que el de un ATS en rack

Capacidad deadministración

No se requierecapacidad deadministración

Protocolosbasados en

estándares noincluidos en

forma típica

Protocolosbasados en

estándares noincluidos en

forma típica

Protocolosbasados enestándares

incluidos en forma

típica

La mayoría de losinterruptores detransferencia brindan relésde contacto seco en formapredeterminada, peropueden ofrecer funciones

de administración basadasen estándares como opción

Tiempo detransferencia

Sin tiempo detransferencia

4 ms 4 ms 8 ms – 16 ms Los equipos de IT requierentiempos de transferenciainferiores a 20 ms.

Facilidad deinstalación

No se requiereinstalación

Se requierecableadoeléctrico

Montaje en rack/no se requiere

cableado

Montaje en rack/no se requiere

cableado

Se requieren electricistasmatriculados para conectarlos interruptores estáticosmás grandes

Confiabilidad

Se pierden losbeneficios de la

confiabilidad de los

circuitos de potencia2N

MTBF = 400.000a 1.000.000

horas

MTBF = 400.000a 1.000.000

horas

MTBF = 700.000 a1.500.000 horas

Los interruptores estáticosposeen mayor número decomponentes y complejidadque los ATS, pero no

poseen partes móviles.Valores MTBF basados enestimaciones de la industria

Modo de falla No aplicable Cortocircuito

línea a línea oabierto

Cortocircuitolínea a línea o

abierto

Adhesión a uncable

Las fallas de circuitosabiertos hacen caer lacarga. Los cortocircuitoslínea a línea pueden abrirlos disyuntores aguasarriba

Facilidad dereparación

El mantenimientoconcurrente de la

arquitectura eléctricano es posible

Debe repararseen el

establecimiento

Reemplazadopor unidad

reparada enfábrica

Reemplazada porunidad reparada

en fábrica

Los interruptores detransferencia en racksuelen reemplazarse conunidades nuevas o

reparadas en caso de falla

Fuentes:Sincronización

No se requieresincronización de

fuentes

Requerida paratransferencia

segura

La transferenciasin

sincronizaciónno es tan crítica

No se requieresincronización de

fuentes

Los efectos adversos de laconmutación fuera de fasesubsisten con los STS enrack, pero afectan unaporción más pequeña delcentro de datos

Escalabilidad No aplicable Sin escalabilidad Escalable Escalable

Los interruptores detransferencia en rack sonflexibles y pueden seguirleel ritmo al crecimiento delcentro de datos




15

Combinación de

equipos de cabledoble y único

Requiere solamentedos cables de

alimentación por

rack; no haybeneficio respectode las cargas de

fuente única

Debe tener 3cables de

alimentación porrack

Requieresolamente dos

cables dealimentación porrack

Requieresolamente dos

cables dealimentación porrack

La distribución de energíacon grandes interruptoresestáticos complica el

cableado en el rack yconsume espacio valioso

Nota: El sombreado en azul indica el mejor rendimiento para la característica correspondiente.

Conclusiones

Con el tiempo, los datos son cada vez más críticos para los negocios; por lo tanto no debería sorprender

que la mayoría de los equipos de misión crítica cuenten con fuentes duales. Sin embargo, a los gerentes de

sistemas y de infraestructura se les sigue planteando un problema a la hora de decidir cuál es la mejor

manera de proveer alimentación redundante desde la red eléctrica a los equipos restantes de fuente única

del rack, o incluso si conviene contemplar esa clase de alimentación o descartarla del todo. La

disponibilidad del suministro para los equipos con fuente única que requieren menos de 10 kVA se optimiza

acercando la redundancia de la red eléctrica al rack. Esto puede lograrse con un interruptor de transferencia

estático para montaje en rack o un ATS para montaje en rack. Sin embargo, sobre la base de los criterios

presentados en este informe, la solución óptima es emplear un ATS para montaje en rack.

Acerca del autor

Victor Avelar es Especialista en Disponibilidad en APC. Es el responsable de proveer asesoramiento y

análisis sobre la disponibilidad para las arquitecturas eléctricas y el diseño de los centros de datos de los

clientes. Victor recibió el título de Bachelor en Ingeniería Mecánica del Rensselaer Polytechnic Institute en

1995 y es miembro de ASHRAE y la American Society for Quality.




16

Apéndice A

Interruptor de transferencia estática: Teoría de funcionamientoLos interruptores de transferencia estáticos, también denominados Relés de estado sólido (SSR), son

dispositivos electrónicos utilizados para conmutar cargas entre dos fuentes de alimentación. A estos

interruptores se los llama "sólidos" y "estáticos" debido a las propiedades de los componentes de

conmutación electrónicos. Los componentes de conmutación se denominan Rectificadores controlados de

silicio (SCR), o tiristores. Para entender la forma en la que opera un SCR, primero se debe entender de qué

material está hecho.

Como lo indica su nombre, todos los SCR están hechos de un material semiconductor denominado silicio,

elemento principal de la arena y del cuarzo. Los materiales semiconductores son una mezcla de aislante y

conductor eléctrico. Los aislantes obstruyen el flujo eléctrico, mientras que los conductores permiten que la

electricidad fluya libremente. En su estado natural, los semiconductores pueden actuar tanto como aislantes

y como conductores, cambiando su temperatura. Pero para controlar mejor estas propiedades conductoras,

los semiconductores tales como el silicio son sometidos a un proceso conocido como dopaje en el que,

esencialmente, se agregan impurezas al semiconductor natural. Inyectando una pequeña cantidad de

tensión en el SCR, estas impurezas le permiten que se vuelva conductor. En la Figura A1 se muestra el

símbolo de un SCR y la imagen de un SCR real.

Figura A1 – Rectificador controlado de silicio

Símbolo del SCR SCR de disco (hockey puck )

En esencia, el SCR actúa como válvula que permite que la corriente fluya solamente en una dirección. Se

asemeja a la forma en la que funciona una válvula cardíaca en que esta solamente permite que la sangre

fluya en una dirección. Para activar o “cerrar” un SCR, se aplica una pequeña tensión al SCR en su

compuerta, que permite que la corriente fluya del ánodo al cátodo. Sin embargo, la “válvula” de un SCR se

desactiva (abre) automáticamente cuando la onda senoidal de corriente alterna (CA) toca el punto de cruce

cero, tal como se ilustra en la Figura A2. En esta instancia, el SCR deja de conducir y actúa como aislante

indefinidamente, salvo que se le envíe otra señal de compuerta. El SCR no permitirá en ningún caso que se

propague corriente inversa desde el cátodo al ánodo. Entonces, ¿cómo se “procesan” tanto la mitad directa

como la reversa (positiva y negativa) de una onda senoidal de CA?




17

Figura A2 – Onda senoidal

Punto decruce cero

Señal de

compuertaenviada a SCR 1

Señal de

compuertaenviada a SCR 2

La única forma de conducir la totalidad de la onda senoidal es utilizar dos SCR acoplados, tal como se

ilustra en la Figura A3. Así puede enviarse una señal de compuerta a SCR2 para que conduzca la parte

inferior (negativa) de la onda senoidal de la Figura A2. Esto significa que para conducir las dos ondas

senoidales completas de la Figura A2, SCR1 deberá recibir una señal en el primer y tercer puntos de cruce

cero, mientras que SCR2 deberá recibir una señal en el segundo y cuarto puntos de cruce cero.

Consideremos ahora que el controlador del interruptor estático debe enviar estas señales de compuerta con

extrema rapidez y precisión durante todo el tiempo en el que el circuito de energía primario resulte

aceptable. Por lo tanto, si la red eléctrica suministra CA a 50 Hz (50 ondas senoidales por segundo), el

controlador debe enviar 100 señales de compuerta por segundo. Y esto solo es así en el caso de los

interruptores estáticos monofásicos. Los interruptores de transferencia estáticos son casi siempre trifásicos,

lo que significa que el controlador debe enviar 100 señales de compuerta por segundo, por fase, es decir un

total de 300 señales por segundo.

La Figura A3 representa solo una fase de un interruptor de transferencia estático. Esto significa que cada

uno de los lados preferido y alternativo de un interruptor de transferencia estático trifásico debería constar

de 3 pares de SCR acoplados (6 SCR en cada lado, o un total de 12). Nota: los interruptores de

transferencia de alta capacidad utilizan “apilamientos” de la configuración que se acaba de describir, lo que

permite contar con cientos de SCR en el mismo interruptor.




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Figura A3 – Interruptor estático monofásico

Ya hemos descripto el SRC y su control, pero en última instancia, ¿de qué forma un interruptor de

transferencia estático transfiere la potencia de una fuente de la red eléctrica a otra? La respuesta está en el

comportamiento del SCR. Recordemos que cuando un SCR recibe una señal de compuerta, continúa

conduciendo electricidad hasta que la onda senoidal alcanza el punto de cruce cero. En esta instancia, los

controles del interruptor de transferencia podrían enviar una señal al mismo SCR o al SCR del lado

alternativo si la fuente de la red eléctrica primaria fuera inaceptable. Estas decisiones deben tomarse en

microsegundos para evitar que caiga la carga crítica. A diferencia de los interruptores de transferencia para

montaje en rack, los interruptores de transferencia estáticos más grandes se ven aun más exigidos en lo

que respecta a estas decisiones. Los grandes interruptores ofrecen soporte a muchas más cargas y son

más vulnerables ante cortocircuitos producidos aguas abajo. La transferencia de fuentes durante un

cortocircuito producido aguas abajo puede ser devastadora, dado que las perturbaciones se propagan a un

circuito estable. Por lo tanto, además de todas las otras decisiones, los interruptores más grandes primero

deben decidir si existe un cortocircuito y, de ser así, evitar la conmutación.

Interruptores electromecánicos o Interruptores de transferencia automática (ATS): Teoríade funcionamiento

Mientras que los interruptores estáticos utilizan SCR, los interruptores electromecánicos utilizan

componentes denominados relés para conmutar la carga entre la fuente de alimentación preferida y la

alternativa. Los relés se basan en el funcionamiento simple y económico del electroimán. El electroimán

más simple puede fabricarse con solo bobinar un cable alrededor de un clavo y conectar los extremos del

cable a una pila, tal como se ilustra en la Figura A4. Cuando se conecta la pila al cable, esta genera flujo de

Fuente 1

Fuente 2

Bypass demantenimiento

Bypass demantenimiento

K

K

K

K

K

K

Bloqueo Kirk KeyInterlock

SalidaLÓGICA

SCR acoplados

SCRacoplados




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corriente en la bobina que luego produce un campo magnético. Ese campo magnético magnetiza el clavo

que puede utilizarse para atrapar otros objetos metálicos tales como clips para papel. Este mismo principio

permite que las grúas electromagnéticas levanten automóviles en los depósitos de chatarra, aunque en este

caso hace falta mucha más energía que la provista por una pequeña pila.

Figura A4 – Electroimán simple

Entonces, ¿de qué manera un electroimán permite que un relé conmute la carga entre dos fuentes de

alimentación? La Figura A5 brinda algunas respuestas intuitivas. Un relé incluye dos circuitos: el circuito

energizante y el circuito de contacto. El electroimán se encuentra en el lado energizante y los contactos del

relé (C1 y C2) se encuentran en el lado de contacto. Dado que el electroimán atrae el metal cuando se

energiza, se lo ubica cerca del inducido. Un inducido, en un relé, es el dispositivo metálico que pivota entre

los contactos eléctricos. Cuando se energiza el electroimán, su fuerza magnética atrae y mantiene el

inducido contra el contacto C1, y cierra un circuito. Sin embargo, cuando se desenergiza el electroimán, el

inducido necesita una forma de conmutar al contacto C2. Esto puede hacerse fijando un resorte en el otro

extremo del inducido. Independientemente de lo que suceda, el inducido siempre está en contacto con C1 o

C2.




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Figura 5A – Diagrama de relé mecánico

CAMPO MAGNÉTICO CREADO

CONTACTOS

BOBINA

INDUCIDO

TERMINALES BOBINA RELÉ

RESORTE

PIVOTE

TERMINAL COMÚN

Al igual que el interruptor estático, un ATS también necesita un controlador para monitorear la alimentación

entrante desde ambas fuentes, de alimentación primaria y alternativa. Sin embargo, los controles son

mucho más simples dado que no necesitan enviar señales de compuerta cientos de veces por segundo. En

cambio, el controlador simplemente monitorea la condición de las fuentes de alimentación primaria y

alternativa y decide el momento en el cual energizar o desenergizar el relé.




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Apéndice B

Equipos de IT y alimentación de CA: ¿Cómo funciona la Fuente de alimentación conmutada(SMPS)?

¿En qué forma pueden seguir operando los equipos de IT durante las interrupciones en el suministro?

Primero debe considerarse la forma en la que se produce la electricidad. En general, la electricidad se

distribuye como alimentación de corriente alterna (CA) proveniente de compañías eléctricas y generadores

de respaldo. La tensión de CA “alterna” entre positivo y negativo –en condiciones ideales con la forma de

una onda senoidal perfecta– pasando por el valor de cero voltios dos veces por ciclo. Aunque pueda

resultar imperceptible a simple vista, una lamparita conectada a la tensión de la red eléctrica en realidad

parpadea 100 o 120 veces por segundo (para 50 o 60 ciclos de CA) en función de las veces que la tensión

cruza el punto cero para cambiar la polaridad. ¿Se “desconectan” también los equipos de IT 100 veces o

más por segundo en función de las veces que la tensión de línea cambia la polaridad? Claramente, aquí se

plantea un problema que deben solucionar los equipos de IT. Casi todos los equipos de IT modernos

solucionan este problema con una Fuente de alimentación conmutada (SMPS).1 La SMPS convierte primero

la tensión de CA con todos sus componentes no ideales (crestas de tensión, distorsión, variaciones de

frecuencia, etcétera) en CC (corriente continua) plana. Este proceso carga un elemento de almacenamiento

de energía denominado capacitor, ubicado entre la entrada de CA y el resto de la fuente de alimentación.

Este capacitor es cargado por la entrada de CA en ráfagas dos veces por ciclo de CA cuando la onda

senoidal se encuentra en su cresta (positiva y negativa) o cerca de ella, y se descarga al ritmo que exijan

los circuitos de procesamiento de IT ubicados aguas abajo. El capacitor está diseñado para absorber estos

pulsos normales de CA conjuntamente con las crestas anómalas de tensión en forma continua en toda suvida útil proyectada. Por lo tanto, a diferencia de la lámpara parpadeante, los equipos de IT operan con un

flujo constante de CC y no con la CA pulsante de la red eléctrica.

Y esto recién empieza. Los circuitos microelectrónicos requieren tensiones de CC muy bajas (3,3 V, 5 V, 12

V, etcétera), pero la tensión en todo el capacitor que acabamos de mencionar puede alcanzar valores tan

elevados como 400 V. La SMPS también convierte esta CC de alta tensión en salidas de CC de baja

tensión reguladas en forma precisa.

Al reducir la tensión de esa forma, la SMPS lleva a cabo otra importante función: brinda aislamiento

galvánico. El aislamiento galvánico es una separación física en el circuito que sirve a dos fines: El primero

tiene que ver con la seguridad, la protección contra choques eléctricos. El segundo es la protección contra

el daño o funcionamiento inadecuado de los equipos debido a tensiones de modo común (en tierra) o ruido.

Puede consultarse información sobre la puesta a tierra y las tensiones de modo común en los Informe

internos de APC N° 9, “Susceptibilidad de las computadoras en modo común”, y N° 21, “Cable neutro: Mitos

y realidad”.

1 La expresión “conmutada” se refiere a una característica del circuito interno de la fuente de alimentación que no tienerelación con el tema de este documento.




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En la misma forma en que la SMPS sortea los intervalos entre las crestas de la onda senoidal de entrada de

CA –es decir que funciona durante esos intervalos–, sortea otras anomalías e interrupciones breves en la

alimentación de CA. Esta es una característica importante para los fabricantes de equipos de IT, porque

desean que sus equipos funcionen aun en casos en los que no se cuente con una UPS. Ningún fabricante

de equipos de IT desea poner en riesgo su reputación en cuanto a la calidad y rendimiento de sus

productos a causa de una fuente de alimentación que no sea capaz de tolerar ni siquiera las anomalías

mínimas de la línea de CA. Esto es particularmente cierto en el caso de equipos de computación e

integrados en red más sofisticados, que por sus características suelen construirse con fuentes de

alimentación de mayor calidad.

Para demostrar la capacidad de funcionamiento durante las interrupciones, se cargó en gran medida una

fuente de alimentación de computadoras típica, y luego se eliminó su entrada de CA. Se monitoreó la salida

de la fuente de alimentación para determinar durante cuánto tiempo seguía suministrándose tensión de

salida aceptable con posterioridad a la pérdida de la entrada de CA. Los resultados se ilustran en la Figura

B1. Las formas de onda representadas corresponden a la tensión de entrada, la corriente de entrada y la

tensión de salida de CC de la fuente de alimentación.

Figura B1 – Capacidad de funcionamiento durante interrupciones en el suministro

Tras la desconexión de la CA, la fuente de alimentación de computadoras muy cargada colapsa, pero pasa bastante tiempo antes de que eso suceda.

Antes de ser retirada, la tensión de entrada es representada con la onda senoidal de la izquierda en la

Figura B1. La corriente de entrada –la traza en cresta bajo la curva pareja de la tensión– consta de un

pulso corto en la cresta positiva de la tensión de entrada y otro pulso corto en la cresta negativa. Solo

durante estos pulsos de corriente se carga el capacitor de la SMPS. El resto del tiempo, se toma

alimentación del capacitor para suministrar alimentación a los circuitos de procesamiento. La tensión de CC

en la salida de la SMPS está representada con la traza superior de la Figura B1. Nótese que la tensión de

salida permanece regulada con precisión por 18 milisegundos luego de quitarse la entrada de CA. APC ha

Traza superior: Salida deCC de baja tensión de lafuente de alimentación

Trazas medias: Tensión ycorriente de entrada

Tensión deentradaCorriente de

entrada

18 ms

Colapsa la salida de

CC

Entrada de CA

interrumpida




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puesto a prueba una variedad de fuentes de alimentación de diferentes fabricantes de computadoras y otros

equipos de IT y llegó a resultados similares. Si las fuentes tienen poca carga, el tiempo de funcionamiento

durante interrupciones en el suministro será mucho mayor dado que el capacitor se descargará más

lentamente.

pdu, alimentacion

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