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Alimentación ininterrumpida para centros de datos

Las perturbaciones eléctricas adoptan muchos disfraces: además de cortes y apagones, la tensión puede bajar o subir durante periodos breves, aunque también en periodos más largos; puede haber ruido eléctrico en la línea o variaciones de frecuencia e incluso aparecer armónicos en la tensión. Aquí es donde aparecen los UPS.

99 % de los fabricantes de UPS emplean baterías que almacenan la energía que se requerirá cuando falle la alimentación o supere los valores permitidos.

Por Juha Lantta.

Un Sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS) es capaz de acondicionar la alimentación de entrada (Gráfico 1); eliminar los picos, las subidas y bajadas de tensión, además del ruido y los armónicos. En caso de fallo total de la alimentación, también suministra energía eléctrica desde baterías u otros sistemas de almacenamiento. Un generador de reserva ayudará durante los cortes más largos, lo que garantizará el funcionamiento de los centros de datos durante 24 horas sin corrupción o pérdida de datos.

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Gráfico 1 Anomalías del suministro

Aplicaciones en los centros de datos
El principal objetivo de los UPS que se utilizan dentro de un centro de datos es proteger a los servidores contra posibles interrupciones en el suministro eléctrico, y puede situarse de forma centralizada o junto a cada fila de bastidores de servidores.

Usualmente, la primera topología es adecuada para centros de datos de gran tamaño, en comparación con la última que se encuentra en centros de datos más pequeños.

Los servidores no son los únicos elementos de un centro de datos que necesitan protección mediante UPS: los dispositivos auxiliares y los sistemas que controlan la refrigeración y la seguridad, que a menudo se denominan “cargas mecánicas”, también son esenciales para el correcto funcionamiento de los centros de datos.

Diseño y clasificación de los centros de datos
El diseño detallado de un centro de datos depende de su tamaño, densidad de potencia y criticidad. El esquema de alimentación forma parte de la infraestructura del emplazamiento del centro de datos y las clasificaciones Tier (I–IV) del Uptime Institute proporcionan directrices y ayuda en la comprensión de los niveles de protección energética que puedan aplicarse.

Tier I: infraestructura básica del emplazamiento (no redundante)
Tier II: redundante; componentes de la infraestructura del emplazamiento (redundantes)
Tier III: infraestructura del emplazamiento mantenible simultáneamente
Tier IV: infraestructura del emplazamiento tolerante a fallos

Aumento de la disponibilidad de alimentación eléctrica
La innovación de cargas de “cable doble” de TI ha permitido el desarrollo del concepto de barra doble que ahora se utiliza en aplicaciones Tier IV. En la actualidad, la infraestructura de alimentación tolerante a fallos Tier IV se utiliza frecuentemente en centros de datos críticos, aunque el propio centro de datos no esté necesariamente homologado como Tier V, debido a la importancia de la alimentación protegida en relación con sus costes. Dicho diseño soporta un fallo catastrófico en cualquier lado del suministro, permite un mantenimiento simultáneo y hasta es posible acometer trabajos en la infraestructura sin perturbar la carga crítica.

Esto se consigue gracias a la elección de una configuración “sistema más sistema”, es decir, dos sistemas UPS independientes, cada uno con redundancia N + 1, lo que representa suficientes elementos UPS para hacer frente a la máxima demanda esperada más uno.

Fiabilidad y disponibilidad
Las UPS son fundamentales en el asegurmiento de la fiabilidad de la TI y la disponibilidad de los datos; como resultado, la fiabilidad del propio UPS es primordial. Siempre que falle un UPS y deje de estar disponible, se ponen en riesgo las cargas eléctricas críticas. La forma más segura de aumentar la disponibilidad de la alimentación es optimizar la redundancia del sistema UPS y minimizar tiempos de mantenimiento y reparación.

La disponibilidad, una medida de la calidad del sistema, se define formalmente como:

MTBF / (MTBF + MTTR) x 100 %, donde MTBF representa el tiempo medio entre fallos y MTTR, el tiempo medio de reparación (en horas). Son parámetros usuales en el sector de los UPS e influyen en la disponibilidad del sistema.

Los diseños de UPS modulares minimizan el MTTR del sistema.

00a00041239Gráfico 2 UPS en espera

Topologías UPS
Las arquitecturas de funcionamiento de los UPS se clasifican de acuerdo con su diseño: standby, línea interactiva y doble conversión en línea. Los sistemas standby son de baja potencia (hasta 5 kVA), alimentan la carga crítica desde la red sin ninguna conversión activa de tensión (Ver Gráfico 2) y transfieren la carga al inversor en caso de fallo de alimentación del bypass. Una batería se carga desde la red para suministrar alimentación estable en caso de un fallo de la red.

Como los modelos standby, las UPS de línea interactiva normalmente alimentan la carga crítica desde la red y la transfieren al inversor en caso de fallo de alimentación del bypass (Ver Gráfico 3). Los bloques de baterías, cargadores e inversores se utilizan igual que en el sistema offline, pero debido a los circuitos de regulación añadidos en la línea de bypass, suele añadirse un transformador cambiador de tomas para regulación de la tensión a fin de que se ocupe de cualquier pequeña bajada o subida de tensión. Por lo tanto, la transferencia de la carga al suministro de inversores alimentado por baterías suele hacerse con menos frecuencia.

00a00041240Gráfico 3 UPS interactivo con línea

La tensión de la línea se controla activamente y cuando la tensión o la frecuencia de entrada se salen de los valores admitidos un inversor y una batería mantienen la alimentación a la carga.

Las topologías de UPS de línea interactiva se emplean para categorías de baja potencia (hasta 10 kVA) donde a menudo compiten con UPS de standby; son más caras, pero protegen la carga contra bajadas de tensión prolongadas.

También hay en el mercado sistemas de mayor tamaño en que el transformador cambiador de tomas se sustituye por un regulador de tensión activo automático (AVR). Estos sistemas UPS de línea interactiva pueden suministrar cientos de kVA.

La topología de UPS más utilizada, tanto por potencia nominal (500 W a 5 MW) como por modos de aplicación, es la de doble conversión en línea. Como sugiere su nombre, el rectificador convierte continuamente la corriente alterna (CA) de entrada a corriente continua (CC) que convierte nuevamente en CA con un inversor. Se produce así una forma de onda perfectamente limpia con cualquier condición de alimentación del generador o de la red. Este diseño ofrece el máximo grado de integridad del suministro crítico y la carga se alimenta siempre con electricidad procesada.

La topología de doble conversión es para aplicaciones críticas, como los centros de datos. Su capacidad para trabajar en configuraciones de reparto de carga en paralelo proporciona la redundancia deseada en dichas aplicaciones.

Sistemas de almacenamiento de energía
Casi todos los fabricantes de UPS (cerca del 99 por ciento) emplean baterías que almacenen la energía que se requerirá cuando falle la alimentación o salga de los valores permitidos. Los volantes de inercia que almacenan energía en forma de energía cinética son una alternativa a las baterías. No se ven afectados por los ciclos, requieren poca refrigeración y trabaja en un amplio intervalo de temperaturas. Sin embargo, los costes iniciales de un sistema de volante de inercia son considerablemente mayores que los de un sistema basado en baterías y sólo se puede mantener la carga durante segundos en lugar de los minutos que admite una batería.

Las pilas de combustible de hidrógeno se basan en que cuando se combinan el hidrógeno y el oxígeno para producir agua, también se obtiene energía eléctrica. Son bastante más caras que las baterías.

Hay que tomar en consideración que el hidrógeno es un gas explosivo, por lo que se debe de tener mucho cuidado con su almacenamiento. Aunque se encuentran todavía en sus primeros pasos, las células de combustible de hidrógeno mantienen la promesa de constituir una reserva de energía para los sistemas UPS.

Clasificación de los sistemas UPS
Para normalizar las características de los UPS la IEC presentó (en la norma IEC 62040-3) un código de clasificación en tres pasos de estos sistemas, basado en el comportamiento operativo de la tensión de salida del UPS:

Paso 1: dependencia de la salida del UPS respecto a la alimentación de entrada
Paso 2: la forma de onda de la tensión de salida del UPS
Paso 3: las curvas de tolerancia dinámica de la salida del UPS

Desarrollo de los UPS
Los centros de datos están destinados a  aumentar en tamaño, número y complejidad, con lo que la exigencia para los productos utilizados en ellos, como los UPS, será también mayor. Asimismo, la implementación de centros de datos con modularización cada vez más compleja y encapsulados en contenedores exigirá la instalación de esquemas de protección de la alimentación más versátiles. Pero, debido a que la única razón de existencia de los UPS es la disponibilidad permanente de la energía eléctrica para el sistema que alimentan, la fiabilidad y mantenibilidad continuarán siendo las piedras angulares de su diseño. Sin embargo, el costo total de propiedad y la sostenibilidad definirán las rutas hacia donde se orientará el desarrollo, lo que implicará tecnologías que ofrezcan una eficiencia energética aún mayor y rendimiento superior.

Los sistemas UPS sin transformadores seguirán dominando el mercado por algún tiempo. No obstante, los espacios ocupados por los UPS pueden reducirse todavía más, pero no en el caso del cobre necesario para transportar intensidades elevadas de energía. Por lo tanto, es sumamente probable que aparezcan en el mercado soluciones de UPS alternativas o complementarias que trabajen a niveles de media tensión (MT).

Debido a las intensidades consideradas relativamente menores, es posible fabricar UPS de MT que suministren decenas de megawatts. Estos sistemas tendrían la capacidad de soportar bloques de cargas bastante considerables e incluso las demandas energéticas de centros de datos enteros.

Las fuentes de energía alternativas, el desarrollo de redes inteligentes más sofisticadas, las herramientas de gestión de infraestructuras de centros de datos (DCIM), entre otros elementos que buscan mejorar el desempeño de los sistemas, harán aparecer nuevas normas.

Por supuesto, también surgirán nuevos conceptos en los que no se haya pensado aún; después de todo, los centros de datos son uno de los sectores de mayor crecimiento y más rápida evolución del mundo y, en consecuencia, son zonas fecundas para la inspiración.
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Juha Lantta
Newave SA, miembro del Grupo ABB, Quartino, Suiza

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