Comparaison des onduleurs statiques et rotatifs modernes. Les onduleurs statiques ont atteint leur limite?

Le marché de l'industrie informatique est le plus grand consommateur d'alimentations sans coupure (UPS), utilisant environ 75% de tous les UPS fabriqués. Les ventes mondiales annuelles d'équipements UPS à tous les types de centres de données, y compris les entreprises, les entreprises et les super-grands, s'élèvent à 3 milliards de dollars. Dans le même temps, l'augmentation annuelle des ventes d'équipements UPS dans les centres de données approche les 10% et il semble que ce ne soit pas la limite.

Les centres de données deviennent de plus en plus grands et cela, à son tour, crée de nouveaux défis pour l'infrastructure d'approvisionnement en énergie. Bien qu'il y ait un long débat sur la façon dont les onduleurs statiques sont supérieurs aux onduleurs dynamiques et vice versa, il y a une chose avec laquelle la plupart des ingénieurs conviennent que plus la puissance est élevée, plus les machines électriques conviennent pour travailler avec elle: à savoir les générateurs utilisé pour générer de l'énergie électrique dans les centrales électriques.

Tous les onduleurs dynamiques utilisent des générateurs de moteur, mais ils ont des conceptions différentes et, certainement, diffèrent dans leurs propriétés et caractéristiques. L'un de ces onduleurs assez courants est une solution avec un moteur diesel connecté mécaniquement - un onduleur diesel rotatif (DRIBP). Cependant, dans le monde de la construction de centres de données, il existe une réelle concurrence entre les onduleurs statiques et d'autres technologies d'onduleurs dynamiques - les onduleurs rotatifs, qui sont une combinaison d'une machine électrique qui génère une tension sinusoïdale de forme naturelle et de l'électronique de puissance. Ces onduleurs rotatifs sont en communication électrique avec des dispositifs de stockage d'énergie, qui peuvent être des batteries ou des volants d'inertie.

Les progrès modernes de la technologie de contrôle, de la fiabilité, de l'efficacité et de la densité de puissance, ainsi que la réduction du coût unitaire de l'alimentation UPS, sont des facteurs inhérents non seulement aux UPS statiques. La série Piller UB-V récemment introduite est une alternative valable.

Ensuite, nous considérons certains critères clés pour évaluer et choisir un système UPS pour un grand centre de données moderne dans le contexte duquel la technologie semble plus préférable.

1. Coûts en capital

Il est vrai que les onduleurs statiques peuvent offrir un prix inférieur pour 1 kW pour les petits onduleurs, mais cet avantage s'évapore rapidement lorsqu'il s'agit de systèmes à haute puissance. Le concept modulaire, que les fabricants d'onduleurs statiques sont forcément obligés d'appliquer, tourne autour de la connexion parallèle d'un grand nombre d'onduleurs avec une petite puissance nominale, par exemple de 250 kW comme dans l'exemple ci-dessous. Cette approche vous permet d'atteindre la valeur souhaitée de la puissance de sortie donnée du système, mais en raison de la complexité de nombreux éléments dupliqués, elle perd 20 à 30% de l'avantage de prix par rapport au coût d'une solution basée sur un onduleur rotatif. De plus, même cette connexion parallèle de modules a des limites sur le nombre de blocs dans un système UPS, après quoi les systèmes modulaires parallèles eux-mêmes doivent être parallèles,ce qui augmente encore le coût de la solution en raison d'appareillages et de câbles supplémentaires.



. 1. 48. UB-V .

2.

Ces dernières années, les centres de données sont devenus des entreprises de plus en plus banalisées, tandis que la fiabilité est de plus en plus considérée comme acquise. À cet égard, on craint de plus en plus que cela ne crée des problèmes à l'avenir. Alors que les opérateurs s'efforcent d'obtenir une tolérance maximale aux pannes (le nombre de «9») et il est supposé que les inconvénients de la technologie d'onduleurs statiques sont mieux surmontés en raison du temps de réparation court (MTTR) en raison de la possibilité d'effectuer un remplacement rapide et «à chaud» des modules d'onduleurs. Mais cet argument peut être autodestructeur. Plus il y a de modules impliqués, plus la probabilité de défaillance est élevée et, plus important encore, plus le risque qu'une telle défaillance entraîne une perte de charge dans l'ensemble du système est élevé. Mieux vaut ne pas avoir de problèmes du tout.

Une illustration de la dépendance du nombre d'accidents d'équipement sur la valeur du MTBF pendant le fonctionnement normal est montrée à la Fig. 1 et calculs correspondants.



Figure. 1. La dépendance du nombre d'accidents d'équipement sur le MTBF.

La probabilité de défaillance Q (t) de l'équipement en fonctionnement normal, dans la section (II) du graphique de la courbe de défaillance normale, est assez bien décrite par la loi de distribution exponentielle des variables aléatoires Q (t) = e- (λx t), où λ = 1 / MTBF est l'intensité défaillances, et t est le temps de fonctionnement en heures. En conséquence, après l'instant t, dans l'état sans problème, il y aura N (t) installations à partir du nombre initial de toutes les installations N (0): N (t) = Q (t) * N (0).

Le MTBF moyen des onduleurs statiques est de 200 000 heures et le MTBF des onduleurs rotatifs de la série UB-V Piller est de 1 300 000 heures. Le calcul montre que sur 10 ans de fonctionnement, 36% des UPS statiques seront dans un accident, et seulement 7% des UPS rotatifs. Compte tenu des différentes quantités d'équipements UPS (tableau 1), cela signifie 86 pannes sur 240 modules UPS statiques et 2 pannes sur 20 onduleurs rotatifs Piller sur le même centre de données avec une charge informatique utile de 48 MW sur 10 ans de fonctionnement.

L'expérience de l'exploitation d'onduleurs statiques dans des centres de données en Russie et dans le monde confirme la fiabilité des calculs basés sur les statistiques de pannes et de réparations disponibles à partir de sources ouvertes.

Tous les onduleurs Piller rotatifs, et en particulier la série UB-V, utilisent une machine électrique pour générer une onde sinusoïdale pure et n'utilisent pas de condensateurs de puissance et de transistors IGBT, qui provoquent très souvent des pannes dans tous les onduleurs statiques. De plus, un onduleur statique est une partie complexe du système d'alimentation. La complexité réduit la fiabilité. Les onduleurs UB-V rotatifs ont moins de composants et une conception de système plus robuste (moteur-générateur), ce qui augmente la fiabilité.

3. Efficacité énergétique

Les onduleurs statiques modernes ont une bien meilleure efficacité énergétique en ligne (ou mode «normal») que leurs prédécesseurs. Typiquement, avec des rendements maximaux de 96,3%. Des nombres plus élevés sont souvent donnés, mais cela n'est possible que lorsque l'onduleur statique fonctionne en basculant entre les modes en ligne et alternatifs (par exemple, le mode ECO). Cependant, lorsque vous utilisez le mode d'économie d'énergie alternatif, la charge fonctionne à partir d'un réseau externe sans aucune protection. Pour cette raison, dans la plupart des centres de données, dans la plupart des cas, seul le mode en ligne est utilisé.

La série d'onduleurs rotatifs Piller UB-V ne change pas d'état pendant le fonctionnement normal, tout en offrant une efficacité jusqu'à 98% en ligne pour un niveau de charge de 100% et à 97% lors du chargement de 50%.

Cette différence d'efficacité énergétique permet de réaliser d'importantes économies d'électricité en fonctionnement (tableau 2).



Languette. 2. Économie d'énergie au centre de données Charge informatique de 48 MW.

4. Espace occupé

Les onduleurs statiques à usage général sont devenus beaucoup plus compacts avec la transition vers la technologie IGBT et l'exclusion des transformateurs. Cependant, même en tenant compte de cette circonstance, les onduleurs rotatifs de la série UB-V donnent un gain de 20% ou plus en termes d'espace occupé par unité de puissance. L'économie d'espace qui en résulte peut être utilisée à la fois pour augmenter la capacité du centre de puissance et pour augmenter l'espace «blanc», utile, du bâtiment pour accueillir des serveurs supplémentaires.



Figure. 2. La place occupée de l'onduleur pour 2 MW de technologies différentes. Installations à échelle réelle.

5. Disponibilité

L'un des principaux indicateurs d'un centre de données bien conçu, construit et exploité est sa haute tolérance aux pannes. Bien que la disponibilité à 100% soit toujours un objectif, les rapports indiquent que plus de 30% des centres de données dans le monde connaissent au moins une panne imprévue par an. Beaucoup d'entre eux sont causés par des erreurs humaines, mais les infrastructures énergétiques jouent également un rôle important. La série UB-V utilise la technologie éprouvée de l'onduleur rotatif Piller dans une conception monobloc pendant des années, dont la fiabilité est nettement supérieure à toutes les autres technologies. De plus, pour l'onduleur UB-V lui-même dans les centres de données avec un environnement correctement contrôlé, leur arrêt annuel n'est pas nécessaire pour effectuer la maintenance.

6. Flexibilité

Souvent, les systèmes informatiques des centres de données sont mis à jour et modernisés en 3 à 5 ans. Par conséquent, l'infrastructure des systèmes d'alimentation électrique et de refroidissement doit être suffisamment universelle pour y répondre et avoir une perspective d'avenir suffisante. Les onduleurs statiques conventionnels et les onduleurs UB-V peuvent être configurés de différentes manières.

Cependant, la composition des solutions basées sur ces dernières est plus large et, d'une manière générale, puisque cela dépasse le cadre de cet article, elle permet de mettre en œuvre des systèmes d'alimentation sans coupure à une tension moyenne de 6-30 kV, de travailler sur des réseaux avec des sources de génération renouvelables et alternatives, de construire systèmes ultra-fiables économiques avec bus parallèle isolé (bus IP), correspondant au niveau de l'interface utilisateur de niveau IV dans la configuration N + 1.

En conclusion, plusieurs conclusions peuvent être tirées. Plus les centres de données se développent, plus il devient difficile de les optimiser lorsqu'il est nécessaire de surveiller simultanément les indicateurs économiques, les aspects de fiabilité, de réputation et de minimiser l'impact environnemental. Les onduleurs statiques ont été et seront utilisés à l'avenir dans les centres de données. Cependant, il est également incontestable qu'il existe des alternatives aux approches existantes dans le domaine des systèmes d'alimentation électrique, qui présentent des avantages significatifs par rapport à la "bonne vieille statique".