KATKEAMATTOMAN SÄHKÖNSYÖTTÖJÄRJESTEL- MÄN SUUNNITTELU JA MITOITUS PALVELIMILLE

Transkriptio

1 Opinnäytetyö (AMK) Tietotekniikka Internet-tekniikka 2013 Ville Laitonen KATKEAMATTOMAN SÄHKÖNSYÖTTÖJÄRJESTEL- MÄN SUUNNITTELU JA MITOITUS PALVELIMILLE

2 OPINNÄYTETYÖ (AMK) TIIVISTELMÄ TURUN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikka Internet-tekniikka Kesäkuu Ohjaajat: Ins. Olli Ojala TkL Juha Nikkanen Ville Laitonen KATKEAMATTOMAN SÄHKÖNSYÖTTÖJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU JA MITOITUS PALVELIMILLE Opinnäytetyön aiheena oli konesalilaitteita sähköverkon häiriöiltä suojaavan UPS-järjestelmän mitoittaminen laboratorioverkon palvelimille ja verkkolaitteille. Opinnäytetyö tehtiin Turun ammattikorkeakoulun tietoliikenteen ja sähköisen kaupan Turun toimipisteelle. UPS-järjestelmän uusiminen oli tullut ajankohtaiseksi käytössä olleen UPS-laitteiston ja akuston saavutettua oletettavan luotettavan maksimikäyttöiän.tämän lisäksi käytössä ollut UPS-laite oli alkanut antaa virheellisiä ilmoituksia virtakatkoksista. Samalla yhtenäistettiin tietohallinto- ja laboratorioverkko käyttämään samaa UPS-järjestelmää. Ensin selvitettiin koulun UPS-järjestelmän nykytila. UPS-järjestelmän tehonkulutusta mitattiin laitekokoonpanolla, jonka tulosten pohjalta arvioitiin uuden UPS-järjestelmän vaatima tehonsyöttökapasiteetti. Mittaukset tehtiin mittaamalla jokaisen konesalilaitteen tasaisella käynnillä käyttämä pätöteho ja tehokerroin. Pätötehon ja tehokertoimen avulla selvitettiin laitteiden käyttämä näennäis- ja loisteho. Lopullista tehonsyöttökapasiteettia määriteltäessä otettiin huomioon myös lisätehotarve eli tilanne, jossa järjestelmän tehonkulutus tulisi kasvamaan. Työssä saatujen tulosten avulla voitiin laskea laitteiden todellinen tehonkulutus. Tehonkulutuksen perusteella kyettiin mitoittamaan uusi UPS-järjestelmä. Havaittiin, että yleisiin mitoitusohjeisiin perustuva järjestelmän mitoitus on hyvin suuntaa antava, mutta laitteiden näennäistehot ja tehokertoimet ovat ylimitoitettuja. Laitteiden tehokertoimet ovat todellisuudessa hieman isompia, joten tehohäviöt ovat suuremmat, kun mitoitusteho on suuri kuormitukseen verrattuna. ASIASANAT: palvelinkeskukset, UPS, katkeamaton virransyöttö

3 BACHELOR S THESIS ABSTRACT TURKU UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Information Technology Internet Technology June Instructors: Olli Ojala, B. Eng. Juha Nikkanen, Lic. Tech., Principal Lecturer Ville Laitonen DESIGNING AND SIZING OF AN UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SYSTEM FOR THE SERVERS The purpose for the thesis was to measure the uninterrupted power supply system (UPS) that protects server room devices from disturbances in the grid for the servers and devices of the laboratory network. The thesis was made for the Faculty of Telecommunications and e- Business of Turku University of Applied Sciences. The renewal of the UPS system has become a current issue because the UPS equipment and battery that have been in utilized has reached their alleged and reliable maximum working life. Furthermore, the UPS device that had been used had begun to give faulty notifications about power failures. At the same time, the UPS system was standardized for both the laboratory network and the IT administration. At first, the current state of the UPS system was clarified. The power consumption of the UPS system was then measured with assembly of devices. According to the results that were provided, we estimated the power supply capacity that the new UPS system would require. The measurements were done by measuring the real power and power factor used by each server on steady action. With the help of power factor and real power the complex- and reactive power used by servers could be established. As the definitive power supply capacity was defined, the need for auxiliary power, i.e., the situation where the power consumption of the system would increase was also taken into consideration. With the help of the results of the project, it was possible to calculate the actual power consumption of the devices. On the basis of the power consumption, we were able to measure the new UPS system. It was found that the system design based on the general dimensioning was directional but the complex powers and power factors used by the devices were oversized. In reality, the power factors of the devices are slightly larger so the dissipation is greater when the rated power is larger compared to the load. KEYWORDS: Data center, UPS, uninterruptible power supply

4 SISÄLTÖ KÄYTETYT LYHENTEET 1 JOHDANTO 7 2 UPS-JÄRJESTELMÄT Topologiat ja käyttötarkoitukset Reduntanttisuus Hyötysuhteet Akusto Varakäynti Monitorointi Generaattorit 17 3 UPS-JÄRJESTELMÄN MITOITTAMINEN Näennäis- ja pätöteho Loisteho ja tehokerroin Järjestelmän valinta 20 4 KOULUN KONESALI Mittauslaitteet Mittaustarkkuus Mittaukset Sähkötehoon liittyvät mittaukset Varakäyntiaikaan liittyvät mittaukset Konesalilaitteisiin liittyvät mittaukset 25 5 YHTEENVETO 31 LÄHTEET 32

5 KUVAT Kuva 1. Modulaarinen UPS-laite 12 Kuva 2. Huoltovapaa akku 13 Kuva 3. UPS-ohjelmiston perusnäkymä 16 Kuva 4. Tehokolmio 18 Kuva 5. Mittausten kohteena ollut laitteisto 21 Kuva 6. Energiakulutusmittarit 22 TAULUKOT Taulukko 1. Yleistä UPS-laitteista 9 Taulukko 2. Resistiivisen kuorman vaikutus tehokertoimeen 24 Taulukko 3. UPS-laitteiden varakäyntiaika 25 Taulukko 4.Laitteiden pätötehoarvot 26 Taulukko 5. Lasketut näennäistehoarvot 27 Taulukko 6. Päivitetyn laitekannan tehoarvot 29

6 KÄYTETYT LYHENTEET APC cos I J HP NAS PFC P Q S U UPS VRLA UPS-laitevalmistaja (American Power Conversion) Tehokerroin Virta [A] Joule Tietotekniikkalaitteiden valmistaja (Hewlett-Packard) NAS-palvelin, verkkotallennusjärjestelmä (Network-attached storage) Tehokertoimen korjaus (power factor correction) Pätöteho [W] Loisteho [var] Näennäisteho [VA] Jännite [V] Katkeamaton virransyöttöjärjestelmä (uninterruptible power supply) Huoltovapaa lyijyakku (Valve Regulated Lead Acid)

7 7 1 JOHDANTO Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on UPS-järjestelmän mitoittaminen laboratorioverkon palvelimille ja verkkolaitteille. UPS (uninterruptible power supply) on järjestelmä, jonka tehtävänä on varmistaa katkeamaton sähkönsyöttö siihen kytketyille laitteille. UPS-laitteita käytetään suojaamaan kriittisiä laitteita sähköverkonhäiriöiltä. Jottei UPS-laitteiston akusto tyhjene liian nopeasti, on selvitettävä siihen kytkettyjen laitteiden yhteiskuorma. Kun kuorman määrä on tiedossa, voidaan sen pohjalta mitoittaa uusi UPS-järjestelmä. Työssä käydään läpi eri UPS-järjestelmiä, niihin liittyvää tekniikkaa ja mitoitusperusteita, sekä esitellään mitoitukseen käytettävät laskelmat. UPS-järjestelmän uusiminen on tullut ajankohtaiseksi käytössä olevan laitteiston ja akuston saavutettua oletettavan luotettavan maksimikäyttöiän. Tämän lisäksi UPS-laite on alkanut antaa virheellisiä ilmoituksia virtakatkoksista. Samalla yhtenäistetään tietohallinto- ja laboratorioverkko käyttämään samaa UPSjärjestelmää. Hyvä yleistieto UPS-laitteista on oleellista oikeanlaisen valinnan tekemiseksi. Ensin selvitetään koulun UPS-järjestelmän nykytila. UPS-järjestelmän tehonkulutusta mitataan nykyisellä laitekokoonpanolla, jonka pohjalta arvioidaan uuden UPS-järjestelmän vaatima tehonsyöttökapasiteetti. Mittaukset tehdään mittaamalla jokaisen konesalilaitteen tasaisella käynnillä käyttämä pätöteho ja tehokerroin. Pätötehon ja tehokertoimen avulla kyetään selvittämään laitteiden käyttämä näennäis- ja loisteho. Tämän lisäksi tehdään myös muita mittauksia, joiden tarkoituksena on tutkia teoriaa, johon UPSjärjestelmän mitoitus perustuu.

8 8 2 UPS-JÄRJESTELMÄT UPS-laitteen on turvattava jatkuva virransyöttö tärkeille kuormille mikäli tapahtuu sähkökatkos tai muu häiriö virransyötössä. UPS-järjestelmäksi kutsutaan useammasta eri UPS-laitteesta koostuvaa virransyöttöjärjestelmää [1]. Yleisimpiä virhetilanteita sähkönjakelussa ovat sähkökatkos, lyhyt- ja pitkäkestoiset yli- ja alijännitteet, taajuuden vaihtelut ja harmoninen särö [2]. Sähkökatkoksesta aiheutuva laitteiston hallitsematon alasajo saattaa vaurioittaa laitteita tai hävittää laitteilla olevaa tietoa kokonaan. UPS-laite mahdollistaa järjestelmän turvallisen alasajon automaattisesti ilman kriittisen tiedon menettämistä ja suojaa yli- ja alijännitteiden aiheuttamilta vaurioilta. Sähkönsyötön lisäksi UPS-laitteen tehtävänä on verkkosähkön laadun parantaminen ja tarjota kaksi sähkönsyöttölinjaa, pääsyöttölinja ja ohituslinja. Ohituslinjaa siirrytään käyttämään, mikäli UPS-laite esimerkiksi rikkoutuu [3]. UPS-laitteet toimivat samalla pääperiaatteella, vaikka teknisessä toteutuksessa onkin eroavaisuuksia. UPS-laitteella on kolme pääosaa: akusto, joka toimii varavirtalähteenä, akkulaturi, joka lataa akustoa sähkönjakelun toimiessa, ja invertteri, jonka tehtävä on muuntaa akuston tasasähkö vaihtosähkömuotoon. Jotkin UPS-laitteet säätelevät myös tulovirtaa, jotta kuormalle syötettävä sähkö olisi mahdollisimman hyvälaatuista. UPS-laite lataa akustoaan, kun sähkönjakelu toimii normaalisti. Sähkökatkon aikana se tuottaa korvaavaa vaihtosähköä akuston kapasiteetin mukaan.

9 9 Erityyppiset UPS-topologiat antavat järjestelmille eriasteisen suojan. Useat eri tekijät määrävät sen, mikä topologia sopii parhaiten vastaamaan käyttäjän tarpeita. Siihen vaikuttavat muun muassa luotettavuuden ja käytettävyyden taso, suojattavan järjestelmän koko, käyttöympäristö ja käyttösovellus. (Taulukko 1.) Taulukko 1. Yleistä UPS-laitteista Off-line-UPS Line-interactive-UPS Online-UPS käyttökohteet yksittäiset PClaitteet tietoverkot ja ITsovellukset kriittiset laitteistot ja pienet kuormat suoja sähkökatkot, lyhyet ali- ja ylijännitteet sähkökatkot, lyhytja pitkäaikaiset ali- ja yleisimmät sähköhäiriöt ylijännitteet tehoalue VA VA yli VA generaattoriyhteensopiva ei ei on nykytilanne poistumassa oleva tekniikka vanhempi tekniikka, käyttökohteina pääasiassa vain pienet erilliskuormat käytetyin ratkaisu UPS-järjestelmää suunniteltaessa on kiinnitettävä huomiota, ettei UPSlaitteiden syöttötehoa alimitoiteta. Maksimikuorman tulisi olla enintään 80 % järjestelmän syöttökapasiteetista [4]. Mikäli on oletettavissa, että UPS-järjestelmän tehoa joudutaan kasvattamaan, on se myös järjestelmää suunniteltaessa oleellista huomioida.

10 Topologiat ja käyttötarkoitukset Off-line-UPS Off-line-UPS on normaalitilanteen vallitessa toimintavalmiudessa, tällöin verkkosähkö pääsee muuttumattomana UPS-laitteen läpi. Laitteen akustosta saadaan ulos vain tasavirtaa, joten vaihtosähkön ulossaamiseksi tarvitaan vaihtosuuntaaja eli invertteri. Kun laite havaitsee katkoksen sähkön syötössä tai jonkin muun verkkohäiriön, vaihtosuuntaaja käynnistyy ja UPS-laite siirtyy syöttämään kuormaa akustonsa kautta.. Sähkökatkoksen mennessä ohi laite synkronoi invertterin sähköverkon taajuuteen ja vaiheeseen, jolloin kuorma palautuu käyttämään verkkosähköä. Off-line-UPS:a käytetään pääasiassa kohteissa, joiden tehontarve ei ole suuri. Off-line-UPS tarjoaa akkuvarmenteen ja ylijännitesuojan. Se ei sisällä jännitteen tai taajuudenkorjausta. Line-interactive-UPS Line-interactive-UPS eroaa off-line-ups:sta siten, että vaihtosuuntajaa on koko ajan päällä muodostamatta kuitenkaan lähtöjännitettä. Kun sähkökatko tai jokin muu häiriö ilmenee, invertteri aktivoituu ja kääntää kuormalle tapahtuvan syötön käyttämään akkuvirtaa. Tällä menetelmällä saadaan aikaiseksi nopeampi reagointi syöttöhäiriöön verrattuna offline UPS-menetelmään. Line-interactive-UPS kykenee myös korjaamaan syöttöjännitteen tasoa paremmin. Generaattorikäyttöön line-interactive-ups:ää ei suositella, sillä se ei kykene korjamaan syöttöjännitteen taajuutta. Line-interactive-UPS soveltuu koti-ja toimistokäyttöön, kun kuorman vaatima tehoalue ei ylitä 3 kva:a [5].

11 11 Online-UPS Kaksoismuunnos-UPS eli online-ups on nimensä mukaisesti jatkuvasti päällä. UPS-laitteeseen kytketty kuorma saa jatkuvasti vain tämän tuottamaa sähköä. Verkkosähkö johdetaan tasavirtalähteelle, josta saatavaa virtaa käytetään samalla lataamaan akkuja ja syöttämään vaihtosuuntaajaa. Kaikki teho kulkee siis suuntaajien läpi. Käytännössä online-ups luo verkkosähkön kokonaan uudelleen. Online-UPS tarjoaa erinomaisen suojan kaikenlaisia sähköverkossa ilmeneviä häiriöitä vastaan. Tällaisia ovat sähkökatko, harmoniset häiriöt yli-ja alijännitepiikit. Akusto on koko ajan varattu, joten häiriön ilmentyessä virran syöttö jatkuu ilman katkosta akuston kautta. Suuntaajista huolimatta on järjestelmässä oltava myös ohituskytkin, jonka kautta syöttö saadaan ohjattua sähköverkolta tulevaksi, mikäli järjestelmään ilmaantuu vikatilanne. Online-UPSja käytetään myös yhdessä varavoimalähteiden kanssa järjestelmissä, joiden sähkönsyöttö ei saa vaarantua hetkeksikään. 2.2 Reduntanttisuus UPS-laitteita voidaan kytkeä rinnan ja ne voivat olla samassa UPS-kaapissa tehomoduuleina tai yksittäisinä UPS-laitteina. Reduntanttisuus tarkoittaa järjestelmää, jossa rinnakkaisia toimintayksiköitä on useampia kuin varavoiman takaamiseksi on välttämätöntä [5].

12 12 Reduntanttisen järjestelmän ajatuksena on varmistaa katkeamaton virransyöttö tilanteessa, jossa moduuli vikaantuu. Tämä tapahtuu käytännössä lisäämällä järjestelmään yksi tai useampi varamoduuli. (Kuva 1.) Kuva 1. Modulaarinen UPS-laite On kuitenkin huomioitava, että moduulit ovat mitoitettava niin, että UPS:n kokonaisteho riittää vikaantumisesta huolimatta varmistamaan kuorman. 2.3 Hyötysuhteet UPS-laitteet ovat koko ajan valmiustilassa, joten ne kuluttavan paljon sähköä. UPS-laitteiden hyötysuhteet ovat vuosien saatossa parantuneet ja tehohäviöt pienentyneet. Uusimmissa UPS-järjestelmissä hyötysuhde on % [4]. UPSit toimivat pääasiassa % käyttöasteella, jolloin hyötysuhdekin näin ollen laskee. Useasti UPS-laitteisto on ylimitoitettu kuormitukseen nähden, joka heikentää hyötysuhdetta. Tehohäviötä saadaan pienennettyä UPS-järjestelmän modulaarisuudella. Tällöin vain tarvittava määrä UPS-laitteistosta on käynnissä [5].

13 Akusto UPS-laitteissa käytetään useimmiten venttiilisääteistä lyijyakkua (VRLA). (Kuva 2.) Kyseistä akkutyyppiä kutsutaan usein myös huoltovapaaksi tai suljetuksi akuksi [6]. Kuva 2. Huoltovapaa akku VRLA-akuissa ei käytetä nestettä. Vaikka akkutyyppi onkin niin sanotusti huoltovapaa eikä sen nestetasoa tarvitse tarkkailla, on niiden toimintaa kuitenkin seurattava. Tämäntyyppisten akkujen käyttöikä on 3 5 vuotta. Akun käyttöikä voi kuitenkin vaihdella riippuen varausjaksojen määristä, huoltamisesta sekä olosuhteista [6]. Akut on suunniteltu kestämään useat sadat purkaukset ja uudelleenvaraukset. Akun varaaminen kestää noin kymmenen kertaa purkausaikaa kauemmin [6].

14 14 Useiden akkujen varaus heikkenee kuitenkin jo kymmenen purkautumisen jälkeen [6]. IEEE:n ohjeistuksen mukaan akuston käyttöikä on päättynyt, kun se on kykenemätön tuottamaan 80 %:a nimellistehostaan ampeeritunteina. Tämän jälkeen akku tulisi vaihtaa. Käyttämätön lyijyakku on varattava aina 6 10 kuukauden välein, muutoin sen kapasiteetti häviää lopullisesti noin puolentoista vuoden jälkeen [6]. Pienemmissä UPSeissa on vain yksi akku, joka tuottaa kuormalle virran. Järjestelmän kasvaessa akuston kapasiteetti ja akkujen määrä on suurempi. Akuston nimellisteho perustuu 25 C:n asteen käyttölämpötilaan. Mikäli käyttölämpötila poikkeaa tästä, saattaa se vaikuttaa akun toimintaan ja lyhentää sen käyttöikää [6]. 2.5 Varakäynti UPSin mitoitukseen vaikuttaa siihen liitettävien laitteiden yhteenlasketun virrankulutuksen lisäksi myös näille tarvittava varakäyntiaika. Varakäyntiaika määräytyy suojaustason mukaan. Varakäyntiaikaan vaikuttavat UPS-laitteen käyttötarkoitus, varmuuskopioiden tallennuksen kesto ja serverin alasajoaika. Yleensä sähkökatkot ovat lyhytkestoisia, joten varakäyntiajaksi varataan usein 5-10 minuuttia [5]. Mikäli sähkökatko on kestoltaan pidempi kuin UPS-laitteen varakäyntiaika, ryhtyy UPS-laitteen ohjelmisto hyvissä ajoin ajamaan järjestelmää hallitusti alas. Varakäyntiaikaa voi lisätä automatisoimalla järjestelmä sammuttamaan vähemmän tärkeät kuormat kriittisempien laitteiden sähkönsaannin ylläpitämiseksi. Varakäyntiaikaa ei tarvitse mitoittaa minuutilleen, vaan riittää, että akuston kapasiteetti järjestelmälle on riittävä. UPS-laitevalmistajat ohjeistavat mitoittamaan järjestelmän siten, että laitteiden maksimikuorma olisi % UPSjärjestelmän syöttötehosta volttiampeereina [5].

15 15 Tavallisesti akkujen kapasiteetti ilmaistaan ampeeritunneissa (Ah). Varauskyky ilmoitetaan wattitunteina (Wh), joka kuvaa paremmin paljonko saadaan tehoa ulos, kuin energiasta tavallisemmin käytetty yksikkö Joule J. 1 Joule vastaa yhtä wattisekuntia (Ws) ja 1 Wh vastaa 3600 Joulea. Koska kaikkea akun kapasiteettia ei kuitenkaan saada hyötykäyttöön, on varakäyntiaikaan huomioitava myös elektroniikassa kuluva häviö sekä akkujen minimipurkausaste. UPS-laite kontrolloi, ettei akustoa käytetä kokonaan tyhjäksi, sillä mikäli niin pääsisi käymään, akku ei enää varaisi ja olisi näin ollen käyttökelvoton. Mitä enemmän UPSiin kytketään lisäakustoja, sitä pidemmäksi varakäyntiaika kasvaa. Akkujen lisääminen ei kuitenkaan lisää UPS-järjestelmän tehonsyöttökykyä. Akuston varakäyntiaika kasvaa, mikäli kuormaa pienennetään. Yleisohjeena on, kun kuormaa vähennetään puolella niin varakäynti kasvaa kolminkertaiseksi [6]. 2.6 Monitorointi UPS-järjestelmää hallitaan ja valvotaan UPS-ohjelmistolla. Ohjelmistolla on monia eri tehtäviä. Ohjelmisto auttaa varautumaan UPSin varakäyntiaikaa pidempiin sähkökatkoksiin ja sen kautta määritellään miten UPS-laite käyttäytyy automaattisesti eri vikatilanteiden aikana. Ohjelmiston avulla kyetään suorittamaan hallittu tietoverkon alasajo tallettaen tiedostot ja sulkien tietokoneiden käyttöjärjestelmät. Vaihtoehtoisesti UPS voidaan asettaa toimimaan siten, että sähkökatkon aikana osa laitteista ajetaan hallitusti alas ja katkaistaan sähkönsaanti vähemmän kriittisiltä laitteilta, jotta tärkeimmille laitteille riittää sähköä.

16 16 Ylläpidon lisäksi ohjelmisto antaa tietoa muun muassa akkujen kestosta, kuormituksesta ja kunnosta. (Kuva 3.) Kuva 3. UPS-ohjelmiston perusnäkymä Lisäksi ohjelmisto raportoi sähkönsyötössä ilmenneistä häiriöistä sekä muista verkon toimintahäiriöistä reaaliaikaisesti esimerkiksi sähköpostiin tai matkapuhelimeen. UPS-ratkaisuissa voidaan asettaa isäntä-ups, joka kontrolloi koko UPSjärjestelmää ja muuta kuormaa. Useimmiten UPS-laitteen mukana tuleva ohjelmisto on ominaisuuksiltaan rajoitettu. Tässä työssä ei ohjelmiston toimintaan sen syvemmin paneuduttu vaan käytettiin laitevalmistajan ilmaisversiota selvittämään mitä perustietoja ohjelmisto antaa ulospäin. Lisenssin maksun maksamalla ohjelmistoon saa lisää ominaisuuksia. Unix ja Linux-ympäristöön on tarjolla avoimen lähdekoodin ohjelmistoja.

17 Generaattorit UPS-järjestelmän vaatiessa tuntien varakäyntiajan, on syytä harkita varavoimalähteen lisäämistä UPS-järjestelmään. Tyypillisissä keskisuurissa konesaleissa varavoimalähteitä ei käytetä. Olisi hyödytöntä ylläpitää järjestelmää sähkökatkon aikana kun verkkolaitteet ja tietokoneet eivät kuitenkaan kuuluisi varmistetun sähkönsyötön piiriin. Tämän lisäksi generaattorin käyntiinlähtö on hidasta ja tarvitaan muita teknisiä energiaa ja huoltoa tarvitsevia laitteita generaattorin käynnistyksen varmistamiseksi. Varavoimalähde on välttämätön kriittisissä kohteissa, kuten sairaaloissa ja hätävalaistuksessa.

18 18 3 UPS-JÄRJESTELMÄN MITOITTAMINEN 3.1 Näennäis- ja pätöteho Vaihtovirtapiirin todellisuudessa kuluttamaa tehoa kutsutaan pätötehoksi P, joka on varsinaista työtä tekevät teho. Pätötehon yksikkö on watti. Näennäisteho koostuu pätötehosta ja loistehosta. Näennäisteho S on jännitteen U ja virran I tulo. Näennäistehon yksikkö on volttiampeeri. Kun näennäisteho on todellisuudessa kulutettua pätötehoa suurempi syntyy vaihe-ero. Tämän seurauksena syntyy myös loistehoa Q. Loistehon yksikkö on vari. Vaihe-eron suuruus ilmaistaan tehokertoimella cos φ. Tehokerroin siis kuvaa pätötehon suhdetta näennäistehoon [7]. (Kuva 4.) S = näennäisteho (VA) P = pätöteho (W) S Q = loisteho (Var) Q φ = vaihesiirtokulma cos φ = tehokerroin φ P Kuva 4. Tehokolmio Kun tiedossa on kuorman pätöteho ja loisteho voidaan näitä arvoja ja seuraavaa kaavaa hyväksi käyttäen selvittää myös piirin näennäisteho S. Kun arvioidaan UPS-laitteen syöttötehoa, on syytä selvittää molemmat, sekä kuorman pätöteho että näennäisteho. Näin varmistetaan, että valitun UPS-

19 19 järjestelmän syöttökyky on riittävä. Mikäli laitteen valinnassa huomioidaan vain toinen edellä mainituista tehoista, on vaarana, ettei syöttöteho ole riittävän suuri. Helpoin tapa on mitata molemmat tehoarvot, mutta mittaamalla kuorman virta ja jännite kyetään jo laskemaan suuntaa-antavat arvot. 3.2 Loisteho ja tehokerroin Kun tulojännite ja kuorman virta ovat suoraan suhteessa toisiinsa ja samassa vaiheessa, on pätöteho näennäistehon kanssa yhtä suuri. Tällöin tehokerroin on 1 ja vaihe-eroa ei synny. Mitä lähempänä tehokertoimen arvo on lukua yksi, sitä vähemmän syntyy tehohäviöitä ja vastaavasti, mitä pienempi on laitteen tehokerroin, sitä enemmän verkossa esiintyy loistehoa. Loisteho kuormittaa verkon johtimia ja aiheuttaa muuntajien käämien lämpenemistä. Tästä syystä laitteiden tehokerroin pyritään saamaan mahdollisimman lähelle yhtä käyttämällä kompensointia. Tehokertoimen korjaus (PFC) on jo jonkin aikaa ollut EU:ssa pakollinen yli 75 W:n virtalähteissä. PFC:n tehtävänä on eliminoida jännitteen ja virran vaiheeron aiheuttama loisteho. Passiivinen korjain sisältää kondensaattoreita ja keloja, jotka korjaavat tehokerrointa %:a [9,10]. Aktiivinen korjain sisältää tehoelektroniikkaa ja kykenee eliminoimaan vaiheeron lähes kokonaan. Kapasitiivisen ja induktiivisen kuormien vaihe-eroja voidaan kompensoida keskenään, koska virran ja jännitteen vaihe-erot ovat vastakkaiset [10,11]. Loisteho on toistaiseksi maksullista vain suurimmille sähkönkuluttajille, kuten teollisuuslaitoksille. Loisteholle on määrätty oma siirtotariffi [12].

20 Järjestelmän valinta UPS-järjestelmän valintaan vaikuttaa kuorman tehontarve ja onko kuorma yksivai kolmivaiheinen. Tavallisesti 20 kva:a pienempien UPS-järjestelmien lähtöjännite on 1-vaiheinen ja tätä suurempien 3-vaiheinen [5]. UPS:n valinnassa on syytä huomioida tuleeko kuorma jossain vaiheessa kasvamaan. Tällöin on syytä varautua tulevaan jo mitoitusvaiheessa ja arvioida paljonko laajennustarve tulee olemaan. UPS-laite saattaa joutua syöttämään suuria käynnistysvirtoja vaativia laitteita. Tämä on myös syytä huomioida mitoitusvaiheessa. Valinnassa on huomioitava myös käyttöympäristö ja on syytä huomioida että UPS-järjestelmän tulisi aina sijaita lähellä muuta kuormaa. Suuret UPSjärjestelmät saattavat vaatia oman laitetilan.

21 21 4 KOULUN KONESALI Opinnäytetyön tarkoituksena oli konesalilaitteita sähköverkon häiriöiltä suojaavan UPS-järjestelmän mitoittaminen laboratorioverkon palvelimille ja verkkolaitteille. Mitoituksen kohteena ollut konesalilaitteisto sijaitsee Turun ammattikorkeakoulun tietoliikenne ja sähköisen kaupan Turun toimipisteessä, ICT-talon tiloissa. (Kuva 5.) Kuva 5. Mittausten kohteena ollut laitteisto UPS-järjestelmän uusiminen oli tullut ajankohtaiseksi käytössä olleen laitteiston ja akuston saavutettua oletettavan luotettavan maksimikäyttöiän. Tämän lisäksi

22 22 käytössä ollut UPS-laite oli alkanut antamaan virheellisiä ilmoituksia virtakatkoksista. Samalla yhtenäistettiin tietohallinto- ja laboratorioverkko käyttämään samaa UPS-järjestelmää. Käytössä olleen APC:n valmistaman UPS-laitteen syötteho oli W / VA [13]. 4.1 Mittauslaitteet Opinnäytetyön mittauksissa käytettiin kahden eri valmistajan kuluttajakäyttöön suunnattuaa energiankulutusmittaria, ETECH PM300 ja Paget Trading model (Kuva 6.) Kuva 6. Energiakulutusmittarit ETECH:n valmistamia mittareita oli käytössä useampia kappaleita. Osa mittareista oli tarkistettu mittatarkkuuden osalta ja Paget Tradingin mittari oli kalibroitu koulun sähkölaboratoriossa. Useimpiin mittauksiin käytettiin kahta tai useampaa sarjaankytkettyä mittaria, jolla varmistettiin mittaustuloksen oikeellisuus. Yhden käytetyistä mittareista havaittiin antavan eri tuloksia kuin muut mittarit, joten vikaantuneen mittarin antamat mittaustulokset jätettiin työstä kokonaan pois.

23 Mittaustarkkuus Tehoarvojen mittauksiin käytetyn mittarin valmistaja ilmoittaa mittarilukemien maksimivirheeksi 5 % tai ±10 W mittarin näyttämästä arvosta, riippuen siitä kumpi virheistä on suurempi [13]. Esimerkiksi virhetarkasteluun otettakoon palvelin, jonka tehoarvo tasaisella käynnillä oli 140 wattia. Laskutoimenpiteistä on todettavissa, että on syytä käyttää 5 %:n virhetarkasteluarvoa aina siihen asti, kunnes mitattava arvo kasvaa 200 W ja tämän jälkeen käyttää ±10 W:n virhemarginaalia. Tehokerroin-mittauksiin käytetyn laitteen valmistaja ilmoittaa tehokertoimen virhemarginaaliksi 0,2 yksikköä mittarin näyttämästä. Molemmat virhemarginaalit on huomioitu lopputuloksissa siten, jotta tulokseksi saadaan suurin mahdollinen kuorma [14]. 4.2 Mittaukset Sähkötehoon liittyvät mittaukset Resistiivisen kuorman vaikutusta tehokertoimeen tutkittiin kytkemällä kuormaksi yksittäisiä PC-koneita ja lämpöpatteri. Lämpöpatterin tehtävänä oli toimia kuorman resistiivisenä osana. Resistiivisen kuorman lisääminen vaikutti tehokertoimeen positiivisesti nostaen sen lähelle yhtä. (Taulukko 2.)

24 24 Taulukko 2. Resistiivisen kuorman vaikutus tehokertoimeen Tehokerroin cos φ Jännite U (V) Virta I (A) Näennäisteho S (VA) Pätöteho P (W) 1 kone 0, , kone ja 0, , lämpöpatteri 2 konetta 0, , konetta ja 0, , lämpöpatteri 3 konetta 0, , konetta ja lämpöpatteri 0, , Induktiivisen kuorman lisääminen kuluttaa myös loistehoa, joten pätötehon lisäksi tämä aiheuttaa siirtojohtoihin lisää siirrettävää virtaa Varakäyntiaikaan liittyvät mittaukset Varakäyntiaikaan ja akuston kapasiteettiin liittyviä mittauksia tehtiin mittaamalla kahden käytöstä poistetun APC:n Smart-UPS 2200VA UPS-laitteen varakäyntiaikaa. UPS-laite sisältää kaksi erillistä akkua, joiden varauskapasiteetti 816 VAh. Kummassakin mittausjärjestelyssä kuormaksi asetettiin HP:n valmistama serveri ja kolme PC-konetta. Mittaustuloksia verrattiin uuden vastaavanlaisen laitteen arvoihin. (Taulukko 3.)

25 25 Taulukko 3. UPS-laitteiden varakäyntiaika UPS-laite 1 UPS-laite 2 Uudet akustot (teoreettinen) Maksimiteho P (W) (esimerkki) Wattitunti (kwh) 0,11 0,02 0,52 Käyntiaika (min) 11 1,40 54 Mittaustuloksista huomattiin, että valmistajan lupaama varakäyntiaika uudelle UPS-laitteelle 54 minuuttia 577 W:n kuormalla, ei pitänyt enää lähellekään paikkaansa vaan akut olivat vuosien saatossa menettäneet huomattavasti varauskykyään [16]. UPS-laitteen ollessa kytkettynä sähköverkkoon, ohjelmisto antoi virheellistä tietoa varakäyntiajasta. Heti verkkosähkön katkettua UPS-laitteen ohjelmisto alkoi näyttää todellista järjestelmän varakäyntiaikaa Konesalilaitteisiin liittyvät mittaukset Koulun konesalin laitteiden sähkötehon tarve selvitettiin mittaamalla. Mittaukset suoritettiin koulun konesalissa yhdessä ohjaavan opettajan kanssa. Mittauksissa käytettiin koululta lainattuja mittareita. Koulun konesalilaitteisto koostui kymmenestä erityyppisestä palvelimesta ja yhdestä kytkimestä. Verkkopalvelimien tehot mitattiin yksitellen siten, että jokaisen laitteen teho mitattiin kytkemällä tehomittari tämän ja UPS-laitteen väliin. Näin saatiin jokaisen laitteen kuluttama pätöteho. Samalla tavalla mitattiin myös laitteiden tehokerroin. Kytkimessä ja NAS-palvelimissa on vain yksi virtalähde, joten näiden laitteiden käytönaikaista tehonkulutusta ei voitu mitata. Näin ollen laskuissa on käytetty valmistajan ilmoittamaa tehonkulutusarvoa.

26 26 Palvelimet oli NAS-palvelimia lukuunottamatta kytketty UPS-laitteeseen sekä suorasti sähköverkkoon. Tällä tavoin estetään syöttövirran katkeaminen, mikäli UPS-laite vikaantuu. Kaikkien laitteiden yhteenlaskettu pätöteho saatiin mittaamalla tehomittarilla kunkin laitteen käyttämä pätöteho (taulukko 4.) ja summaamalla saadut pätötehoarvot yhteen. Taulukko 4.Laitteiden pätötehoarvot Laite Pätöteho P (W) Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin NAS-palvelin 1 60 NAS-palvelin 2 60 NAS-palvelin 3 24 Kytkin 7 Yhteensä Tämän jälkeen mitattiin laitteiden tehokerroin. Laitteiden tehokertoimet vaihtelivat 0,81-0,85:n välillä. Mittaustuloksista palvelinten tehokertoimeksi cos valittiin pienin mitattu arvo 0,81. Kun huomioitiin mittarivalmistajan antama virhemarginaali, päädyttiin laskuissa käyttämään tehokerroinarvoa 0,79. Tätä arvoa käytettiin laskettaessa laitteiden näennäistehot.

27 27 Seuraavaa kaavaa käyttämällä saatiin taulukossa 5. esitetyt tulokset. Taulukko 5. Lasketut näennäistehoarvot Laite Näennäisteho S (VA) Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin NAS-palvelin 1 76 NAS-palvelin 2 76 NAS-palvelin 3 30 Kytkin 9 Yhteensä Mittauksista ilmeni, etteivät palvelimet kuluttaneet tasaisella käynnillä lähellekään valmistajan antamaa maksimitehoa. Tästä voitiin päätellä, ettei käytetty UPS-laite ollut alimitoitettu. Tehokertoimen ja pätötehon arvojen perusteella saatiin laskettua kuorman kokonaisuudessa käyttämä näennäisteho. Eri kuormien näennäistehoja ei voida kuitenkaan summata yhteen sellaisenaan vaan on myös otettava huomioon vaihesiirtokulmien erot. Mikäli erot ovat poik-

28 28 keavia, tulee selvittää pätö- ja loistehot, summata ne ja palauttaa takaisin yhteisvektoriksi. Mikäli kaikkien laitteiden tehokerroin on saman arvoinen, voidaan tällöin kuorman laitteiden näennäistehotkin laskea yhteen kokonaisnäennäistehon selvittämiseksi. Laitteista mitattiin sekä kuorman ja UPS-laitteen, että kuorman ja sähköverkon välillä käyttämä pätöteho. Suoraan sähköverkkoon kytketty virtalähde kulutti odotetusti hieman vähemmän tehoa kuin UPS-laitteeseen kytketty virtalähde. Mittausten perusteella tarvittavan näennäistehon arvo oli VA ja pätötehon arvo W. Kun huomioitiin, ettei mitoitettu kuorma saa olla yli 80 %:a valmistajan antamasta maksimikuormasta, oli suoritettava seuraava laskutoimenpide. UPS-laitteen syöttökuorma oli yhteensä W / VA. Mittausten jälkeen tapahtui muutama laitemuutos. Palvelin numero 7, Dell Poweredge 2800 ja toinen Terastationin NAS-palvelimista poistettiin käytöstä ja samalla käyttöön otettiin IBM:n ja QNAP:n palvelimet. Näin ollen varmistettava kuorma tuli laskea uudelleen poistamalla käytöstä poistuneen laitteen tehoarvot ja lisäämällä lisättyjen laitteiden tehot. (Taulukko 6.) QNAP:n valmistaman NAS-palvelimen tehoarvo luettiin valmistajan sivuilta ja IBM:n laitteen tehokulutukseksi mitattiin samalla menetelmällä kuin muutkin palvelimet.

29 29 Taulukko 6. Päivitetyn laitekannan tehoarvot Laite Pätöteho P (W) Näennäisteho S (VA) Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin Palvelin NAS-palvelin NAS-palvelin NAS-palvelin Kytkin 7 9 Yhteensä Varmistettavaa kuormaa laitteiston päivittämisen myötä jäi yhteensä W / VA. Kun selvitetylle kuormalle huomioidaan vielä 80 %:n mitoitusohje saatiin arvoiksi 1 687W / VA. Kun kyseessä ei ole niin sanottu kriittinen kuorma, riittää, että UPS turvaa sähkönsaannin lyhyiden sähkökatkojen ja palvelimien alasajon ajaksi. Varakäynnin aikana tuli pystyä luomaan myös varmuuskopiot verkossa sijaitsevissa tiedos-

30 30 toista. Vakioakusto riittää useimpien palvelimien turvalliseen alasajoon, mutta jotkin tietokannat saattavat vaatia hieman pidemmän ajan, kuin mitä yksittäinen UPS-laite kykenee täydellä kuormalla turvaamaan. Yksittäisen virtuaalipalvelimen alasajo kesti noin 2 minuuttia, josta pääteltiin useamman virtuaalipalvelimen alasajoon kuluvan hieman kauemmin aikaa, muttei kuitenkaan 10 minuuttia kauempaa. Kun tätä varakäyntiaikaa verrattiin uusittavaan laitteeseen, voitiin todeta, että uusi, käytössä ollutta laitetta vastaava UPS riittäisi ylläpitämään mitattua kuormaa määritellyn varakäyntiajan. Varakäyntiaika laskettiin selvittämällä ensin UPS-laitteen akuston varauskyky kertomalla yksittäisen akun kapasiteetti akkujen määrällä ja käyttöjännitteellä. Seuraavaksi jaettiin akuston varauskyky mitoitetulla pätöteholla, josta saadaan tulokseksi laitteen varakäyntiaika. Varakäyntiajaksi saatiin näin ollen 1 tunti, joka on tähän tarkoitukseen hieman ylimitoitettu, mutta kuitenkin riittävä aika, kun huomioidaan tehohäviöt ja muu tarvittava lisävara.

31 31 5 YHTEENVETO Opinnäytetyön tavoitteena oli mitoittaa uusi UPS-järjestelmä vanhan tilalle. Käytössä ollut UPS-laite oli tehonsyöttökapasiteetiltaan riittävän tehokas, mutta oli uusittava tullessaan teknisen käyttöiän päähän. Koulun konesalin UPS-järjestelmän syöttökapasiteetti ja kuormat ovat vuosien saatossa muuttuneet, eikä tarkkoja mittauksia tai laskelmia oltu palvelimia uudistettaessa tehty. Mittausten perusteella saatiin nykyisen laitekokoonpanon tehontarve ja laadittiin suunnitelma ja mitoitus uudelle järjestelmälle. Mitoitus suoritettiin mittaamalla kunkin laitteen tasaisella käynnillä käyttämä pätöteho ja tehokerroin. Saatujen tulosten avulla saatiin selvitettyä myös kuorman näennäisteho. Mittaamalla laitteiden todelliset tehot saatiin huomattavasti tarkemmat arvot, kuin laitteiden tyyppikilvissä ilmoitetut tehoarvot. Tämän lisäksi oli huomioitava tilanne, jossa UPS-järjestelmän kuorma tulisi kasvamaan. Uuden järjestelmän syöttökapasiteetti piti siis hieman ylimitoittaa, muttei kuitenkaan liikaa. Havaittiin, että yleisiin mitoitusohjeisiin perustuva järjestelmän mitoitus on hyvin suuntaa antava, mutta laitteiden näennäistehot ja tehokertoimet ovat ylimitoitettuja. Laitteiden tehokertoimet ovat todellisuudessa hieman isompia, kuin yleisissä mitoitusohjeissa. Työssä mitattujen ja laskettujen arvojen avulla saatiin selvitettyä laitteiden todellinen tehonkulutus. Näiden arvoja hyväksi käyttäen kyettiin mitoittamaan uusi UPS-järjestelmä. Työssä käytettyä mitoitus- ja laskutapaa voidaan käyttää samankaltaisissa konesalikohteissa. Erityisesti on syytä mitata tai muulla tavoin selvittää todellinen tehonkulutus ja tehokerroin. Mikäli laitekanta muuttaa ajan myötä merkittävästi, on syytä tehdä mittaus energiankulutusmittareilla.

32 32 LÄHTEET [1] UPS, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [2] Häiriötön sähkönsyöttö, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [3] Soininen, Lasse, UPS-laitteiden ohituskytkennät, Tutkintotyö, Tampereen ammattikorkeakoulu, 2008 (Luettu: ) [4] Energiatehokas konesali, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [5] Ylinen, Marko, UPS suunnittelu ja mitoitus, Opinnäytetyö, Satakunnan ammattikorkeakoulu, 2010 (Luettu: ) [6] UPS-käsikirja - Eaton, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [7] SMG-2100 Sähkötekniikka, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [8] Pesonen, Niko, SÄHKÖVERKON SÄHKÖN LAATU PANKAKOSKEN KARTONKI- TEHTAALLA, Opinnäytetyö, Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu, 2012 (Luettu: ) [9] Power Factor, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [10] Power Factor Correction : Correction Required, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [11] Reaktanssi, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [12] Törne, Aki, Loistehon kompensoinnin toimivuus, Opinnäytetyö, Vaasan ammattikorkeakoulu, 2013 (Luettu: ) [13] APC SMART UPS 2200 SUA2200, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [14] UPM Owner s manual, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [15] User manual of a power meter, [www-dokumentti]. Saatavilla: (Luettu: ) [16] Smart-UPS, technical specifications, [www-dokumentti] Saatavilla: (Luettu: )