Rotační UPS: jak setrvačník udrží datové centrum při výpadku

Zdroj fotografie je: Magnific.com

Když v datovém centru vypadne proud, servery si toho nesmějí ani všimnout. Většina lidí si představí místnost plnou baterií, jenže část velkých provozů sází na něco, co připomíná spíš strojovnu lodi: těžký roztočený setrvačník. Podívejme se, jak taková rotační UPS funguje a proč se jí někde dává přednost.

Nejdřív to známější: statická UPS

Klasická „statická“ UPS nemá žádné pohyblivé díly, odtud název. Uvnitř je usměrňovač, který ze střídavého proudu ze sítě udělá stejnosměrný, dále baterie, které se tím proudem dobíjejí, a střídač, který z něj zase vyrobí čistý střídavý proud pro připojená zařízení. U dražších typů jde energie touto cestou neustále, takže když síť zmizí, střídač prostě začne brát z baterií a zátěž nic nepozná.

Je to spolehlivé a dobře známé řešení. Má ale jednu slabinu, kterou zná každý majitel starého telefonu: baterie stárnou. Je potřeba je hlídat, zkoušet, po několika letech měnit a držet je v klimatizované místnosti, protože teplo jim zkracuje život. U velkých výkonů to znamená celé sály plné článků, které váží tuny.

Setrvačník jako „kinetická baterie“

Rotační (dynamická) UPS ukládá energii jinak – do pohybu. Představte si hrnčířský kruh: když ho pořádně roztočíte a pustíte, točí se ještě chvíli sám. Setrvačník v rotační UPS je stejný princip dotažený do extrému – masivní kotouč, který se za normálního provozu neustále otáčí a nese v sobě velké množství energie.

Při výpadku sítě se tahle energie začne „odčerpávat“: setrvačník roztáčí generátor, ten dál vyrábí proud a otáčky pomalu klesají. Podstatné je, že tahle zásoba nevydrží hodiny ani minuty, ale řádově sekundy. To zní málo, jenže na úkol, který setrvačník plní, to stačí.

Motorgenerátor: srdce celé sestavy

Klíčovou součástí je elektrický stroj, který umí pracovat obousměrně. Když je v síti proud, chová se jako motor: roztáčí setrvačník a zároveň pomáhá „uhlazovat“ napětí, které jde k zařízením. Když proud zmizí, promění se v generátor a začne energii vracet.

U nejrozšířenější varianty, které se říká dieselová rotační UPS, je na stejné ose ještě naftový motor připojený přes spojku. Průběh výpadku pak vypadá zhruba takto:

1. Síť vypadne a rotační UPS se od ní oddělí.
2. Setrvačník předává energii generátoru, takže zátěž dál dostává proud bez přerušení.
3. Během těchto sekund naskočí naftový motor a spojka ho připojí k ose.
4. Od té chvíle generátor pohání nafta – tak dlouho, dokud je palivo v nádrži.
5. Po návratu sítě se systém plynule přepne zpět a motor se po chvíli doběhu vypne.

Setrvačník tedy funguje jako most přes krátkou mezeru mezi výpadkem a rozběhem motoru. Úlohu, kterou ve statické sestavě hrají minuty z baterií, tu odvedou sekundy z rotující hmoty.

Proč některé verze nepotřebují baterie vůbec

Právě proto. Pokud spolehlivě startující motor převezme zátěž během pár sekund, baterie na přemostění nejsou nutné. Odpadá jejich výměna, místnost s klimatizací i starosti s likvidací starých článků. Existují i kombinované sestavy, kde setrvačník doplňuje menší baterii, ale čistě „bezbateriové“ provedení je pro rotační UPS typické.

Má to ovšem důsledek: celá spolehlivost stojí na tom, že motor naskočí. Pravidelné zkoušky pod zátěží, údržba a kvalitní palivo tu nejsou formalita, ale základ. Nafta, která roky stojí v nádrži, může nabrat vodu a nečistoty, a právě ty dokážou motor ve chvíli, kdy je nejvíc potřeba, potrápit.

Kde se rotační UPS používají

• Datová centra – velké výkony v jednom stroji a menší nároky na prostor oproti bateriovým sálům.
• Banky a finanční instituce – provoz, kde i krátké přerušení znamená zastavené platby a transakce.
• Průmysl – výrobní linky, kde výpadek zničí rozpracovanou výrobu nebo poškodí stroje.
• Nemocnice, letiště a další kritická infrastruktura – všude, kde se počítá s dlouhými výpadky a velkým odběrem.

Na českém trhu dodává rotační UPS systémy například firma FIRSTPOWER. V nabídce má stroje Hitec ve výkonech 1 000 až 3 000 kVA, které spojují UPS a motorgenerátor v jednom celku, a IEM Rotabloc pro 400 až 2 200 kVA, které pracují bez baterií a mají UPS i rozvaděč pod jedním řízením. Už z těch čísel je vidět, že jde o techniku pro velké provozy, ne do serverovny malé kanceláře.

Výhody a nevýhody

Co mluví pro rotační UPS

• Bez baterií odpadá jejich pravidelná výměna a hlídání teploty.
• UPS i záložní zdroj jsou v jednom stroji, takže sestava zabere méně místa.
• Rotační stroj snese velké proudové špičky, například při rozběhu motorů nebo při zkratu v rozvodu.
• Mechanická část má při správné údržbě dlouhou životnost.

Co je třeba zvážit

• Pohyblivé díly potřebují údržbu – ložiska, spojku, motor.
• Stroj je těžký, hlučný a vyžaduje pevný základ a odhlučnění.
• Pořizovací cena je vysoká a dává smysl až u velkých výkonů.
• Zásoba energie v setrvačníku je krátká, vše závisí na spolehlivém startu motoru.

Srovnání v kostce

Který přístup vyhraje?

Žádný univerzálně. Statická UPS je přizpůsobivá, tichá a dá se postavit v jakékoli velikosti, od krabičky pod stolem po stovky kilovoltampér. Rotační UPS je specialista na velké a nepřetržité provozy, kde provozovatel nechce řešit tuny baterií a stejně počítá s naftovým motorem. Volba se proto odvíjí od výkonu, dostupného prostoru a toho, jak dlouhé výpadky se mají přečkat. Fascinující na tom je, že v době polovodičů a chytrých řídicích systémů stojí na stráži datových center pořád i obyčejná setrvačnost – fyzika, kterou zná každé dítě, co kdy roztočilo káču.