Alimentação de equipamentos com uma única fonte de ... - APC Media

Alimentação de
equipamentos com
uma única fonte
de alimentação
num ambiente de
circuitos duplos
Por Victor Avelar
Aplicação
Técnica nº 62

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.
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Introdução
A maioria dos centros de dados de elevada disponibilidade utilizam um sistema de alimentação com circuitos
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 disponibilidade.
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
Figura 1c – Comutador centralizado
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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 aplicação.
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 alimentação
principal e uma outra alternativa. Apesar de o resultado final ser idêntico, a estratégia utilizada é totalmente
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.
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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 trifásicas
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 fiabilidade
e a disponibilidade da alimentação são optimizadas através da ligação directa das fontes 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 dimensão
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.
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Fonte: www.cyberex.com
Figura 2 – STS de 200 kVA
Figura 3 – STS montado em bastidor
Fonte: www.spdtech.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 alternativo.
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 comparação
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 ângulos
de fase, os estados do SCR e os estados dos disjuntores, voltagens e tensões.
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• 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 predefinido
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 controladores
e fontes de alimentação redundantes. Os comutadores 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 condição
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 condição
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 alternativa
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 carga,
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 avariado
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 procedimento
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 diversas
fontes de alimentação, a falha humana pode acontecer de diversas 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.
- Procedimentos de manutenção inadequados
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Por fim, torna-se importante tomar em consideração que independentemente do modo de avaria, os comutadores
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.
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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 comutadores
de relé.
• Avaria do controlador
Apesar de ser pouco provável que tal venha a ocorrer em capacidades de potência mais baixas, é possível
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 danificados
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, apresentam
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. Lineinteractive”
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 entrada
CA. As especificações da norma IEC 61000-4-11, uma norma internacional, definem limites relativamente
à magnitude e duração das perturbações de tensão que são admissíveis para uma carga SMPS. Da
mesma forma, o Information Technology Industry Council (ITI, anteriormente denominado como Computer &
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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 necessitar
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 redundantes
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.
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TCO
O custo total de exploração inclui os custos de capital utilizados na aquisição e instalação do(s) comutador(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 dispendiosos,
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, evitando-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 comutadores
estáticos são superiores aos dos comutadores 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 telecomunicações.
Muitas vezes, os modos de avaria mais importantes apenas se identificam quando o comutador
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.
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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 alimentação
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 humana.
Os comutadores estáticos são essencialmente mais complexos do que os comutadores electromecânicos,
pelo que requerem um nível de conhecimento mais elevado aquando da sua utilização e reparação.
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 comutadores
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 suportada.
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 encontrem
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.
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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 confrontados
com diversas densidades de tensão, níveis de redundância, tensões e tipos de ligações. A escalabilidade
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 alimentação
única e dupla. Na maioria dos casos, os dispositivos com fonte de alimentação 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 necessário
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 directamente
às saídas do comutador.
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Característica Sem
comutador
de energia
Quadro 1 – Características dos três tipos de comutadores de energia
STS de grande
dimensão
20 kVA - 35 MVA
STS
montado em
bastidor
5 - 10 kVA
ATS
montado em
bastidor
5 - 10 kVA
TCO € 0 / kW € 200 - €300 / kW € 550 - € 700 / kW € 100 - € 150 / kW
Capacidade de
gestão
Período de
transferência
Facilidade de
instalação
Fiabilidade
Não é necessária
qualquer capacidade
de gestão
Sem período de
transferência
Sem necessidade
de instalação
Perdem-se os
benefícios da
fiabilidade dos
circuitos de
alimentação 2N
Modo de avaria Não aplicável
Os protocolos
baseados em
normas não são os
normais
Os protocolos
baseados em
normas não são
os normais
Incluem normalmente
protocolos
baseados em
normas
4 ms 4 ms 8 ms – 16 ms
Requer a instalação
de cabos eléctricos
MTBF = 400.000 a
1.000.000 horas
Circuito aberto ou
curto-circuito linha a
linha
Montagem em
bastidor / sem
necessidade de
cabos
MTBF = 400.000 a
1.000.000 horas
Circuito aberto ou
curto-circuito linha
a linha
Montagem em
bastidor / sem
necessidade de
cabos
MTBF = 700.000 a
1.500.000 horas
Bloqueado numa
fonte
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Observação
O custo inicial de um
bastidor STS é cerca
de seis vezes superior
ao de um bastidor ATS
A maioria dos comutadores
de transferência
possuem por predefinição
relés de contacto
seco, mas podem
incluir ferramentas de
gestão baseadas em
normas como opção
O equipamento de TI
requer períodos de
transferência inferiores
a 20 ms
Apenas electricistas
certificados devem
ligar os comutadores
estáticos de grande
dimensão
Os comutadores
estáticos apresentam
mais componentes e
uma maior complexidade
do que os
comutadores ATS,
mas não incluem
peças móveis. Os
valores MTBF
baseiam-se em
estimativas da
indústria
As avarias devido a
circuito aberto provocam
a perda da carga.
Os curto-circuitos linha
a linha podem provocar
a abertura dos
disjuntores a montante
14

Característica Sem
comutador
de energia
Facilidade de
reparação
Sincronização de
fontes
A manutenção
simultânea da
arquitectura
eléctrica não é
possível
Não é necessário
efectuar a sincronização
de fontes
STS de grande
dimensão
20 kVA - 35 MVA
A reparação deve
ser efectuada no
local
Necessário para
uma transferência
mais segura
STS
montado em
bastidor
5 - 10 kVA
Substituição por
uma unidade
reparada em
fábrica
A transferência
sem sincronização
não é tão
importante
ATS
montado em
bastidor
5 - 10 kVA
Substituição por
uma unidade
reparada em fábrica
Não é necessário
efectuar a sincronização
de fontes
Escalabilidade Não aplicável Sem escalabilidade Dimensionável Dimensionável
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
Nota: O sombreado a azul indica o melhor desempenho para a característica especificada
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Observação
Os comutadores de
energia montados em
bastidor são normalmente
substituídos por
uma unidade nova ou
actualizada em caso
de avaria
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
Os comutadores de
transferência montados
em bastidor são
flexíveis e podem
acompanhar o crescimento
do centro de
dados
A distribuição da
alimentação dos
comutadores estáticos
de grande dimensão
torna a cablagem do
bastidor mais complicada
e consome
espaço valioso
15

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 optimizada
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).
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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.
Ánodo
Figura A1 – Rectificador controlador de silício
Símbolo do SCR
Porta
SCR circular
Cátodo
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) automaticamente
quando a onda sinusoidal da corrente alternada (CA) atinge a barreira zero, tal como é demonstrado
na Figura A2. Nesta altura, o SCR deixa de funcionar como um condutor e passa a funcionar indefinidamente
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 sinusoidal
CA?
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Sinal enviado
para a porta
SCR 1
Sinal enviado
para a porta
SCR 2
Figura A2 – Onda sinusoidal
Barreira
zero
A única forma de permitir o fluxo de toda a onda sinusoidal é proceder à utilização de dois SCRs em simultâneo,
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.
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Fonte 1
Fonte 2
Figura A3 – Comutador estático monofásico
K
K
LOGIC
K
K
Bypass de manutenção
Bypass de manutenção
SCRs
lado a lado
K
SCRs
lado a lado
K
Bloqueio Kirk Key
Agora que o SCR e o seu controlo já foram descritos, como é que um comutador de energia estático transfere
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 sinusoidal
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 componentes
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
Saída
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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 alimentação?
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 activação
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 dispositivo
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.
Figura 5A – Esquema de um relé mecânico
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Tal como acontece com o comutador estático, um ATS também necessita de um controlador para monitorizar
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 segundo.
Em vez disso, o controlador monitoriza apenas o estado das fontes de alimentação principal e alternativa
e decide quando deve activar e desactivar 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 equipamento
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 componentes
(picos de tensão, distorções, variações na frequência, etc.) em tensão CC simples (corrente contínua).
Este processo permite carregar um elemento de armazenamento de energia, denominado condensador,
que se encontra entre a entrada de CA e a restante fonte de alimentação. Este condensador é carregado
pela entrada de CA em impulsos que surgem duas vezes por ciclo de CA quando 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 encontra
relacionada com esta análise.
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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 funcionalidade
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.
Voltagem de
entrada
Tensão de
entrada
Figura B1 – Características da fonte de alimentação
18 ms
Entrada CA interrompida
Falha na saída CC
Linha superior: Saída de
baixa voltagem CC na fonte
de alimentação
Linhas do meio: Voltagem e
tensão de entrada
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.
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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 tensão
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.
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