JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
tisdag 19 november 2019 VECKA 47
Med parallell kraft ökar kapaciteten, produkten blir lättare att skala och på köpet får man redundans, skriver Roy Allen på Power-One.

Artikeln ger en översikt över de nödvändiga koncepten för att aktivera en parallellisering av AC/DC-nätens front end. Trots att mycket av diskussionen kan tillämpas på applikationer som kräver reservbatteri, som t.ex. –48V Central Office telekomutrustning, inkluderar AC/DC-Front End inte normalt användning av reservbatterier och därmed inte heller styrenhet för batteri och tillhörande utrustning.

I allmänhet gäller kraven för parallellisering av frontend-delar för AC-inmatning också för frontend-delar för DC-inmatning. Den enda skillnaden mellan enheterna, när de väl installerats i slutsystemet, är inmatningskällan. Frontends för DC-inmatning tillåter utrustning som huvudsakligen utformats för att arbeta med AC-inmatning att drivas från den –48V batteristödda energitillförsel som normalt finns i telekommunikationsapplikationer.

Parallelliseringens grunder
De tre grundläggande skälen för parallellisering är att öka den totala kapaciteten, underlätta skalbarhet och ge redundans.
Parallellisering för ökad kapacitet görs när värdsystemets kapacitetsbehov inte kan tillgodoses av en kraftkälla eller om det finns formfaktorbegränsningar som utesluter användningen av endast en. Ett exempel är när två 1U-kraftkällor används istället för en 2U-kraftkälla, som inte skulle passa inom höjdbegränsningen för ett 1U-rack.

Trots att varje kraftkälla ska försörja sin del av lasten lika, finns det alltid en viss obalans i delningen. Därför måste försörjningen antingen vara utformad för parallellisering eller så bör kraftkällan använda sig av en extern krets för att åstadkomma detta.
Parallellisering för skalbarhet görs för att få fram kraftkällor som täcker både små och stora applikationer. Denna infallsvinkel underlättar tillägget av inkrementell effekt när behovet på en individuell plats ökar och minskar antalet modellnummer på kraftkällor bland reservinventarierna, när många platser ska servas.

Parallellisering för redundans görs eftersom många uppdragskritiska infrastruktursystem kräver mycket hög tillgänglighet. Applikationer inkluderar medicinsk livsuppehållande vård, telekommunikation och flygledning. Kraftsystemen kräver redundant drift så att systemen kan fungera utan avbrott.

Redundans får man vanligtvis genom parallellisering av två eller flera källor. Varje kraftkälla använder ORing-kretsar för att isolera uteffekterna. Dels aktiveras fungerande källor som ska arbeta tillsammans, dels kopplas felande källor effektivt ifrån den parallelliserade bussen. Detta skyddar kraftbussen och ökar tillgängligheten på värdsystemet.
Beräkning av tillgänglighet i konfigurationer av redundant effekt. Redundanta kraftsystem kan implementeras på många sätt.

Nedan följer fyra systemutformningar:

• Två redundanta källor parallellt. Om den ena inte fungerar måste den andra ha en storlek så att den orkar ta över belastningsbehoven från hela systemet.
• Tre redundanta källor parallellt. Om den ena inte fungerar måste de övriga två vara stora nog att gemensamt hantera systemets belastning.
• Fyra kraftkällor som vardera har kraft att förse 33 procent av systembehovet. Endast en källa kan vara felaktig utan att systemets funktioner påverkas.
• Fyra kraftkällor som vardera har kraft att bära 50 procent av systemets belastning. Upp till två källor kan vara felaktiga utan att systemets funktioner påverkas.

Parallellisering av N+M.
Nomenklaturen som används för att beskriva det redundanta systemet i ovanstående exempel kallas ”N+M parallellisering” där

• N är antalet parallella kraftkällor med viss effektnivå PSUP som krävs för att driva det minsta systemet, PSYS, utan redundans eller N= (PSYS/PSUP) där man avrundar till närmsta högre heltal.

• M är antalet redundanta kraftkällor (reserver) med effektnivå PSUP som specificerats för att förbättra systemets tillgänglighet.

En normal metod för att bestämma uteffekten, PSUP, för varje strömkälla är att göra PSUP = PSYS-MIN, där PSYS-MIN är den ström som krävs för att försörja det minsta värdsystemet. Läggs en annan källa till skapas ett redundant 1+1-system för denna försörjningsnivå.

För större system läggs ytterligare kraftkällor till och N ökas. Nästa försörjningsnivå kan t.ex. kräva ytterligare försörjning för att driva systemet. I detta fall skulle systemet arbeta från ett N+M = 2+1 redundant kraftsystem.

Ytterligare förbättring av tillgängligheten kan också inkludera ökning av antalet reserver (M) som används i systemet. De flesta stora system kräver minst M=1, men system med mycket stor tillgänglighet kan specificera M=2. Det är inte många system som specificerar M>2 idag eftersom kraftkällans medeltid mellan felen (MTBF) har förbättrats betydligt under de senaste åren samt av kostnadsskäl.

Systemtillgänglighet är mycket beroende av värdet på ett systems medeltid till reparation (Mean Time to Repair – MTTR). Kraftkällor som utformats för användning i högtillgängliga miljöer har övervaknings- och signalmöjligheter som tillåter att externa övervakningssystem övervakar driften av varje aggregat och rapporterar fel. Felrapportering via specialiserade signalledningar eller protokoll som I2C gör att tekniker snabbt kan lokalisera och byta ut en felaktig enhet. Denna funktion minimerar MTTR och ökar systemets tillgänglighet och MTBF.

Ett systems tillgänglighet beskrivs av sannolikheten, A. Systemet är antingen tillgängligt eller inte vilket ger att A+F=1, där F är sannolikheten att systemet inte fungerar.

• Systemets tillgänglighet kan uttryckas som A=(1-F)
• Tillgängligheten kan dessutom uttryckas som: APWR-SYS=MTBFSUP/(MTBFSUP+MTTRSUP)

Där:
• APWR-SYS = Kraftsystemets tillgänglighet
• MTBFSUP = Medeltid mellan felen för en ensam kraftkälla
• MTTRSUP = Medeltid till reparation för en ensam kraftkälla

MTBF-data för en given källa levereras normalt av kraftkällans datablad och är temperaturberoende. I följande analys är det viktigt att MTBF-värdena som används stämmer överens med de nödvändiga drifttemperaturerna. Individuella MTTR-data för en källa beror på källans design och hur lätt den är att reparera. Systemets MTTR beror på slutanvändarens möjlighet att hitta och reparera ett fel i systemet.

Om kraftsystemet bara använder en kraftkälla med en beräknad MTBF på 25 000 timmar vid nödvändig drifttemperatur och har en MTTRSUP på 4 timmar är den beräknade tillgängligheten hos kraftsystemet som använder en källa 99,992 % förväntad drifttid. Detta 0,0080 % stillestånd i kraftkällan motsvarar ett genomsnitt på 3,5 minuter/månad.

För telekom- och datakomsystem accepteras normalt minst 99,999 % tillgänglighet det vill säga en stilleståndstid som inte överstiger 26,4 s/månad. Kontinuerliga driftprocessorer kräver ännu högre tillgänglighet. Beroende på kraven på systemets tillgänglighet kan kostnad per minut för stilleståndstiden variera från $100 till $100 000 eller ännu högre.

Om ovanstående system monterats med en andra källa, skulle systemets tillgänglighet beräknas på följande sätt:

A = 1-[(1-a)*(1-a)] = 1-(1-a)2
Där:
• A = Systemtillgänglighet
• a = tillgänglighet för varje källa

För ovanstående exempel:
A = 1-(1-0,99992)2 = 1-(0,00008)2 = 99,99999936%.

Detta ger en genomsnittlig stilleståndstid på 0,00028 minuter/månad eller 17 millisekunder!

Genom att lägga till en redundant källa till detta system minskade den genomsnittliga stilleståndstiden med en faktor 200 och det effektiva kraftsystemets MTBF ökade till mer än 312 miljoner timmar vilket är en ökning på mer än 6 000 gånger. Observera att dessa multiplikativa faktorer är mycket beroende av MTBF-värdet som används.

MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)