خلاصه اجرایی

خلاصه اجرایی

دستگاه های  IT ممکن است جریان ورودی الکتریکی با مشخصه ای به نام ” ضریب توان پیشفاز ” نشان دهند این وضعیت ممکن است سبب ایجاد ناپایداری ژنراتورهای پشتیبان و خاموش شدن و از دست رفتن برق شود. علاوه بر این، یک مرکز داده یا دیتا سنتر که به مدت طولانی به درستی عمل می کند، به طور ناگهانی یک مشکل را ایجاد می کند، زیرا بار IT در طول زمان یا در یک رویداد غیر معمول ممکن است ناگهان تغییر کند. این به این معنی است که مهم است تا حاشیه ایمنی را درک کنید و قبل از اینکه این اتفاق بیفتد این شرایط را پیش بینی کنید و آنها را اصلاح کنید. این مقاله مشکل را توضیح می دهد، چرا و چگونه این مشکل اتفاق می افتد، و چگونه می توان آن را شناسایی و اصلاح کرد.

مقاله ی مرتبط:

دیزل ژنراتور دیتا سنترها

دیزل ژنراتورها چقدر عمر می‌کنند؟

معرفی

ژنراتورهای پشتیبان دیزلی یا گازی به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرند تا مراکز داده ها بتوانند در مدت زمان طولانی در طول خاموشی برق یا فعالیت های تعمیر و نگهداری خاص عمل کنند و در مدار باشند. در حالیکه این ماشین ها نیرومند هستند که به طور کلی بارها، بارگذاری ها ناگهانی و اضافه بار ها و سایر شرایط سخت را به خوبی تحمل می کنند ، در کاربری دیتا سنتر ها ، موارد ثبت شده ای وجود دارد که ژنراتور تحت شرایطی که به نظر می رسید که بار اعمالی به آن  به خوبی در ظرفیت نامی ژنراتور قرار داشت، ژنراتور ناگهان تریپ داده است. شرایطی که این اتفاق می افتد تحت شرایطی است که بارهای تجهیزات IT و دیتا سنتر ها به صورت مستقیم از طریق ژنراتور به وسیله ی ، بایپس کردن یا از مدار خارج کردن UPS تامین می شود. این مشکل زمانی اتفاق می افتد که یو پی اس در حالت بایپس قرار دارد یا از مدار خارج است یا سیستم از نوع طراحی  tier 3 یا طراحی های دیگری است که در آن یکی از مسیرهای قدرت بار های تجهیزات IT ، حفاظت با یو پی اس را ندارد و مستقیما از طریق ژنراتور، برق آنها تامین می شود.

مشکل این است که بارهای IT ممکن است یک مشخصه ی باری به نام “ضریب توان پیشفاز” نشان دهند، که خطر و ریسک خرابی و تریپ را برای تمام ژنراتورهای اتصال داده شده به صورت  مستقیم به بار IT را ایجاد می کند. اگر همیشه یک UPS در حال کار در مسیر قدرت بین ژنراتور و بار IT وجود داشته باشد، مرکز داده ممکن است هرگز این مشکل را تجربه نکند ، زیرا UPS به طور موثری ژنراتور را از این شرایط محافظت می کند. با این حال، هنگامی که یو پی اس به طور خودکار یا به صورت دستی با استفاده از بایپس ثابت یا تعمیر و نگهداری، و یا قرار دادن در حالت eco-mode 2 از مدار خارج شده و باعث می شود ژنراتور بار IT یا دیتا سنتر را با ضریب قدرت پیشفاز آنها تامین کند که باعث ایجاد وضعیت خطا در ژنراتور و تریپ دادن آن می شود، اغلب در بدترین زمان ممکن، زمانی که بیشترین نیاز برای تامین برق با دیزل ژنراتور است این اتفاق رخ می دهد.

ژنراتور می تواند مقدار کمی از ضریب توان پیشفاز را تحمل کند، بنابراین یک مرکز داده ممکن است در ابتدا به درستی عمل کند، اما تجهیزات IT به آرامی با گذشت زمان تغییر می کنند و بر ضریب توان تأثیر می گذارند و باعث ایجاد مشکل و تریپ دادن ژنراتور می شوند.

متأسفانه در مورد چگونگی ارزیابی ریسک این مشکل، سردرگمی زیادی وجود دارد و یک طراحی سطحی تاسیسات الکتریکی دیتا سنترها به طور قابل توجهی خطرات این مشکل را افزایش می دهد. علاوه بر این، هنگامی که یک خطر شناسایی می شود، پیدا کردن یک راه حل مناسب می تواند خیلی دشوار باشد.

این مقاله با توضیح ماهیت این مسئله و نحوه و زمان وقوع آن شروع می شود. سپس روش هایی برای ارزیابی دستگاه های موجودِ حساس به این مشکل توضیح داده می شود. در نهایت، تکنیک ها و تجهیزات برای اصلاح مشکل نشان داده می شود.

ضریب توان در مرکز داده

برای درک ماهیت ضریب توان و اثرات مختلف آن و فراهم آوردن پایه ای برای درک اینکه چگونه بر ژنراتور تأثیر می گذارد، توضیح برخی از پیش زمینه ها در مسئله پیچیده ضریب توان لازم است.

در یک سیستم AC، منبع تولید توان یک شکل موج ولتاژ سینوسی ایجاد می کند و بار شکل موج جریان را ایجاد می کند. در ساده ترین حالت بار ،بار به اصطلاح “مقاومتی” مانند یک لامپ بخاری یا لامپ رشته ای، شکل موج جریان همان شکل موج ولتاژ است و دقیقا در زمان همانند با شکل موج ولتاژ ایجاد می شود (شکل 1). ضرب ولتاژ و جریان در هر لحظه از زمان در طول شکل 1 همیشه مثبت است. بر اساس تعریف، گفته می شود که ضریب توان یک بار مقاومتی، برابر با مقدار 1 است، به این معنی که 100٪ جریان بار به وات (توان اکتیو یا فعال) قدرت انتقال داده شده  به بار افزوده می شود. در یک جهان ایده آل، تمام بارها ضریب توان 1 را دارند.

پاورقی1 :یو پی اس می تواند یک ضریب توان پیشفاز ایجاد کند، اما مقدار آن نسبت به آنچه که ژنراتور ها قادر به تامین آن هستند، بسیار کوچک است.  یو پی اس کمتر از 6٪ جریان راکتیو می کشند که در مقایسه با 20٪ توان راکتیو که توسط ژنراتورها مجاز است بسیار اندک است.

پاورقی 2 : این فقط با eco-mode استاندارد  ایجاد می شود که در آن اینورتر اساسا خاموش است. با استفاده از ECOMODE پیشرفته ، اینورتر روشن باقی می ماند و ژنراتور را از جریان هارمونیک بار IT محافظت می کند. نگاه کنید به مقاله White Paper 157، Eco-mode: مزایا و خطرات حالت صرفه جویی در UPS.

با این حال، بسیاری از انواع بارهای الکتریکی برخی از جریانها را به وجود می آورند که حقیقی نیست و در مقدار وات انتقال داده شده به بار افزوده نمی شود. این جریان های به طور کلی نامطلوب، وات یا توان حقیقی را انتقال نمی دهند زیرا در شکل موج ولتاژ (جریان های غیر هم فاز) هم راستا نیستند (اختلاف فاز دارند)و یا از فرکانس های متفاوت نسبت به ولتاژ منبع (جریان های هارمونیک) هستند. شکل 2، دو شکل موج را نشان می دهد که دارای شکل یکسان هستند (هیچ جریان هارمونیکی وجود ندارد)، اما شکل موج جریان 90 درجه جلوتر از شکل موج ولتاژ است. در این حالت، ضرب لحظه ای ولتاژ و جریان نصف زمان مثبت و نصف زمان منفی است، به این معنی که قدرت تحویل شده به بار بین مثبت و منفی متناوب است، که  مقدار متوسط آن ​​ صفر است(مقدار توان مصرفی انتگرال توان لحظه ای در طول زمان است برای اطلاعات بیشتر به کتاب های مدار مراجعه کنید.) ، هنگامی که جریان غیر هم فاز با ولتاژ است مثل این نمونه ، هیچ توانی (توان حقیقی) ​​به بار تحویل داده نمی شود.

یک جریان واقعی را می توان به سه بخش تقسیم کرد: بخشی که هم فاز با ولتاژ است (بخشی که وات یا همان توان حقیقی را انتقال می دهد)؛ بخشی که غیر هم فاز است و هم فاز با ولتاژ نیست (بخشی که توان حقیقی یا وات را انتقال نمیدهد)؛ و بخشی که هارمونیک را حمل می کند (این جریان نیز وات یا توان حقیقی را انتقال نمی دهد).

شکل 1- نمودار شکل موج ولتاژ و جریان که شکل همانند دارند و نسبت به زمان هم زمان و هم فاز هستند

شکل 2-نمودار جریان ولتاژ و جریان هم شکل و جریان نسبت به زمان 90 درجه جلوتر از ولتاژ است.

نسبت بخشی از جریان بار که وات را به بار انتقال می دهد و تقسیم شده بر جریان کلی (از جمله جریانهای خارج از  فاز و هارمونیکی) ضریب توان نامیده می شود. بنابراین، ضریب قدرت یک بار همیشه بین 0 و 1 است و با یک ضریب توان یک، این بدان معنی است که تمام جریان به سمت تحویل توان حقیقی به سمت  بار می رود و ضریب توان صفر، به این معنی است که هیچ بخشی از جریان توان حقیقی را به  بار تحویل نمی دهد  (یعنی همه جریان غیر هم فاز یا هارمونیکی می باشد).

مقاله ی مرتبط:

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

جریان های غیر هم فاز و هارمونیک باعث کاهش ضریب توان از مقدار ایده آل 1 می  شوند و می توانند برای مراکز داده مشکلاتی ایجاد کنند. هر دو این جریان ها باعث می شوند که سایز سیم، ترانسفورماتور و قطع کننده های مدار(کلید ها) افزایش پیدا کرده تا بتوانند جریان اضافی ایجاد شده را تحمل کنند. با این حال، جریانهای هارمونیک مشکلات منحصر به فرد دیگری نظیر گرمای بیش از حد در موتورها و ترانسفورماتور، اعوجاج ولتاژ ایجاد می کنند و می توانند باعث افزایش گرمای سیم نول یا همان خنثی در مدارهای سه فاز شوند. بخش غیر هم فاز جریان، که به لحاظ فنی به عنوان “جریان راکتیو” تعریف می شود، می تواند بر تنظیم ولتاژ در سیستم های برق تاثیر بگذارد و منبع ایجاد مشکل در ژنراتور است که موضوغ مورد بحث این مقاله است. مقدار زیادی از سردرگمی در مورد موضوع ضریب توان، عدم دانستن این موضوع است که دو نوع مختلف جریان که به کاهش ضریب توان کمک می کنند، یعنی هارمونیک و جریان های راکتیو، می تواند مشکلات مختلفی در سیستم ایجاد کنند. متاسفانه هنگامی که بار با عنوان داشتن یک “ضریب توان 0.8” توصیف می شود، هیچ چیز درباره جریان هایی که باعث ایجاد ضریب توان متفاوت از 1 می شود، به ما نمی گویند که کدام یک  آیا جریان های هارمونیک یا جریان های راکتیو باعث این ضریب توان می شوند. برای درک تاثیر ضریب توان در ژنراتورها، ما نیاز به اطلاعات دقیقتری در مورد این جریان ها داریم.

پاورقی ۳ :‌ راه دیگر برای درک  این مفهموم این  است که توان  در یک لحظه از زمان به بار تحویل داده می شود، اما در یک لحظه بعد از بار به منبع منتقل می شود؛ توان در حال حرکت به عقب و جلو بین بار است ، اما به طور متوسط، هیچ قدرت خالصی تحویل بار نمی شود.

یک روش دیگر اندازه گیری ضریب قدرت است که می تواند به ما کمک  کند تا سهم جریان های خارج از فاز (غیر هم فاز با ولتاژ) و هارمونیک را از هم جدا کنیم . ضریب توان جابه جایی (displacement power factor)، که بعضی اوقات نیز “ضریب توان اساسی (fundamental power factor)” نامیده می شود،این ضریب توانِ است که جریان هارمونیک با استفاده از روابط ریاضی از محاسبه یا اندازه گیری ضریب توان حذف می شود. با حذف جریان های هارمونیک، این اندازه گیری از ضریب قدرت تنها سهم جریان های راکتیو یا غیر هم فاز را گزارش می کند. همانطور که نشان خواهیم داد، این امر در تجزیه و تحلیل تاثیر ضریب قدرت در ژنراتور ها مفید خواهد بود. با این حال، این اندازه گیری تنها با انواع محدودی از تجهیزات که به طور خاص برای این منظور طراحی شده، ممکن است است.

جریان های راکتیو بوسیله بارهای به اصطلاح “القایی” یا “خازنی” ایجاد می شوند. با بارهای القایی مانند موتورها، شکل موج جریان غیر هم فاز است زیرا نسبت به شکل موج ولتاژ تاخیر دارد. به همین دلیل گفته می شود که بارهای القایی ضریب توان “پس فاز” را دارند. با بارهای خازنی نیز، شکل موج جریان غیر هم فاز است زیرا جریان  نسبت به زمان، قبل از شکل موج ولتاژ است(جریان خازن پیش فاز است). به همین دلیل، گفته می شود که بارهای خازنی دارای ضریب قدرت پیشفاز هستند. یک مقدار ضریب توان، مانند ضریب توان 0.9، هیچ اطلاعاتی در مورد زمان بندی جریان های غیر هم فاز فراهم نمی کند، بنابراین هنگام بحث در مورد ضریب توان مربوط به جریان راکتیو، نوع ضریب توان با توصیف ضریب توان به عنوان “0.9 پیشفاز” و یا “0.9 پس فاز” تشخیص داده می شود. این تمایز به ویژه در توضیح اینکه چگونه ضریب توان بر ژنراتور تاثیر می گذارد، بسیار مهم است، همان طور که توضیح خواهیم داد.

جریان های هارمونیک بوسیله بارهای به اصطلاح “غیر خطی” ایجاد می شود که یک شکل موج جریان متفاوت از شکل موج ولتاژ اعمال شده ایجاد می کند. شایع ترین بارهای غیر خطی دیمرهای نور و یا منابع تغذیه هستند. از لحاظ تاریخی، منابع قدرت اولیه سیستم های IT دارای یک ضریب توان تقریبا 0.65 بود. جریان های هارمونیکی که با استفاده از این منبع تغذیه ایجاد می شد، اغلب بیش از نیمی از کل جريان کشیده شده بود و موجب کاهش ضریب توان می شود (جریان غیر هم فاز یا راکتیو این منابع تغذیه اولیه مقدار زیادی نبود). این جریان های هارمونیک هنگامی که تعداد زیادی از دستگاه های  IT با هم در کنار هم قرار می گرفتند، مانند مراکز تماس یا مراکز داده، مشکلاتی ایجاد می کردند، در نتیجه، سیم نول و ترانسفورماتورهای که قبلا ذکر شد، بیش از حد گرم می شدند. در موارد شدید، باعث آتش سوزی می شدند. در پاسخ به این مشکل، مقررات بین المللی در دهه 1990 برای محدود کردن جریانهای هارمونیکی مجاز بوجود آمده توسط منابع تغذیه IT ایجاد شد و تمام منابع تغذیه  IT مدرن با یک فیلتر هارمونیکی(در این مقاله به عنوان تصحیح کننده ضریب توان عنوان شده است (power factor correction) که شاید باعث سو تفاهم با بانک های خازنی تصحیح کننده ضریب توان شود لذا به عنوان فیلتر هارمونیکی ترجمه کرده ایم) مجهز شده بودند که به شدت جریانهای هارمونیکی را کاهش می دهند تا روی سیستم های توزیع برق تاثیر نگذارد. مهم این است که درک کنیم که ” فیلتر هارمونک” منبع تغذیه IT در نظر گرفته شده است تا جریانهای هارمونیکی را از بین ببرد اما در نظر گرفته نشده است که جریانهای راکتیو را از بین ببرند. این یک واقعیت قابل توجه است که فیلتر های هارمونیکی منابع تغذیه IT می تواند موجب ایجاد جریان های راکتیو بیشتر نسبت به منابع تغذیه قدیمی بدون فیلتر هارمونیک شوند. این جریانهای راکتیو است که در منابع تغذیه فیلتر دار  است که باعث تأثیر بر روی ژنراتورها می شود. قبل از بررسی تأثیر بر روی ژنراتورها، مفید است بدانید که چگونه منبع تغذیه جریانهای راکتیو ایجاد می کند.

ویژگی های ضریب توان بارهای IT

تقریبا ، تمام فیلتر های منبع تغذیه IT با همان اصل که  در شکل 3 نشان داده شده است کار می کنند. در واقع، یک منبع تغذیه با تصحیح قدرت یا فیلتر هارمونیکی صرفا یک منبع تغذیه سنتی با یک ماژول تقویت PFC اضافی است که به یک فیلتر برای حفاظت  شبکه از جریان های هارمونیکی یک منبع تغذیه سنتی به طور معمول ایجاد می کند، متصل می شود.

ماژول خطی تقویت کننده PFC “فیلتر” در واقع مبدل قدرت فرکانس بالا است که جریان ورودی به شکل موج سینوسی ایجاد می کند که بسیار مشابه همان تقویت کننده صوتی مدرن است. فرکانس سوئیچینگ این مبدل قدرت معمولا در محدوده 20 تا 200 کیلوهرتز است  ، و این مدارهای اصلاح کننده یا فیلتر ها در از بین بردن جریانهای هارمونیک  خیلی موثر هستند. این مبدل ها به واسطه طبیعت شان دارای ولتاژ بالا و مدارهای سوئیچینگ فرکانس بالا هستند و نیاز به یک فیلتر شامل سلف و خازن در ورودی برق شهر هستند تا از انتقال فرکانس های بالا از منبع تغدیه به شبکه برق  اصلی که یک شکل از تداخل فرکانس رادیویی هستند جلوگیری کنند. این فیلتر یک خازن C1 است که در شکل 3 نشان داده شده است. این فیلتر ورودی خازنی است که توان راکتیو پیش فاز را ایجاد می کند و ضریب توان را از مقدار ایده آل آن یک کاهش می دهد. حتی اگر یک منبع تغذیه فیلتر دار در حذف تمام جریان هارمونیک موفق باشد، این خازن هنوز جریان راکتیو پیش فازی ایجاد می کند و ضریب قدرت کمتر از یک خواهد بود.

شکل 3 نمودار تغذیه اصلاح شده با فیلتر هارمونیک، نمایش ماژول تقویت کننده PFC.

مهم است بدانیم که این خازن در ورودی منبع تغذیه وجود دارد حتی اگر منبع تغذیه در بار کم کار کند و در بسیاری از موارد حتی اگر دستگاه IT خاموش باشد. بنابراین، جریان پیشفاز  ایجاد شده توسط خازن یک ویژگی ثابت دستگاه های IT است و مستقل از قدرت واقعی مصرف شده در دستگاه IT است. این به این معنی است که اگر مصرف توان یک دستگاه  IT کاهش یابد در حقیقت ضریب توان بدتر خواهد شد ؛ جریان که موجب مصرف توان وات است کاهش می یابد، اما جریان خازنی همان مقدار است. این اثر در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4 نشان می دهد که ضریب توان با کاهش بار دستگاه بدتر می شود. اگر یک سرور از دو مسیر قدرت از طریق دو منبع تغذیه با توان نامی 600W داخلی تغذیه شود و توان واقعی سرور 300 وات (150 وات در هر مسیر) باشد، در نتیجه آن در نقطه بهره برداری 25٪ خواهد بود و همانظور که در شکل مشخص است ضریب توان خیلی کمتر از حالت بار کامل خواهد بود. به طور کلی، در هر زمان منبع تغذیه بیش از حد بزرگ فراهم شده باشد و یا از آنها کاملا  استفاده نشود، ما با خازن بیشتر در هر کیلووات از بار IT روبه رو خواهیم شد، در نتیجه نسبت به درصد بار، جریان خازنی بیشتری خواهیم داشت

شکل 4 ضریب توان منبع تغذیه یک دستگاه  IT تابعی از توانی که تجهیز IT مصرف می کند

داده های شکل 4 برای منبع تغذیه نشان دهنده خازن منبع تغذیه 10 میکروفاراد در هر کیلووات است. این در گستره وسیعی از ظرفیت خازن مشاهده شده تجهیزات IT واقعی است. بنابراین منحنی ضریب توان نشان داده شده در شکل، در حد پایین ترین منحنی که در سرورهای واقعی انتظار می رود است و سرور های رایج از نظر شکل، منحنی مشابهی را نشان می دهند اما از نظر اندازه مقدار آنها  بالاتر است. مجموعه ای از داده ها از منابع تغذیه واقعی در شکل 5 نشان داده شده است:

شکل 5 اندازه گیری منبع تغذیه واقعی نشانگر تغییر ضریب توان با بار (تصویر از 80PLUS.org)

توجه داشته باشید که شکل 5 نشان می دهد که تمام منبع تغذیه یک ضریب توان دارند که در بار کم افت می کند و شکل منحنی مورد انتظار برای منبع تغذیه با ظرفیت ورودی مختلف در هر کیلووات را نشان می دهد. منبع تغذیه شکل 5 که کمترین ضریب توان را نشان می دهد یک منحنی مربوط به منحنی در شکل 4 از منبع تغذیه با ظرفیت خازنی 10 میکروفاراد در کیلووات از ظرفیت منبع تغذیه است. منحنی های بالاتر در شکل 5 ظرفیت خازنی کمتری را نشان می دهد. در بخش های بعدی ما نشان می دهیم که منبع تغذیه با منحنی های بالاتر در شکل نمی تواند نا پایداری ژنراتور را ایجاد کند، اما منبع تغذیه با منحنی های پایین تر می تواند منجر به نا پایداری ژنراتور شوند.

ظرفیت خازن ورودی ویژگی خاصی از یک دستگاه IT معمولی نیست و می تواند بطور قابل توجهی بین دستگاه ها متفاوت باشد، همانطور که در شکل 5 دیده می شود. بنابراین برای یک اپراتور تعیین مقدار جریان خازنی یا پیش فاز با استفاده از ترکیبی  از دستگاه های  IT بسیار مشکل می باشد. حتي اندازه گيري ضريب توان واقعی در زمان نصب، کافي نيست، زيرا اين اندازه گیری توان های راکتیوي را از جريان هاي هارمونيک جدا نمی کند و آنها را به درستی تشخیص نمی دهد. برای تعیین جریان راکتیو در یک نصب خاص نیاز به اندازه گیری های خاص است که می تواند بین جریان راکتیو و جریان های هارمونیک تماییز قائل شود؛ این ها در بخش بعدی این مقاله مورد بحث قرار می گیرند.

دشوار است که باور کنیم این فیلتر خازن کوچک در منابع تغذیه IT می تواند ژنراتور چند مگاواتی را مختل کند. با این حال، این خازن ها به میزان قابل توجهی افزایش می یابند، به ویژه هنگامی که شرایط زیر رخ می دهد:

• هنگامی کههزاران دستگاه  IT با یکدیگر قرار می گیرند، مانند یک مرکز داده
• هنگامیکه ظرفیت نامی دستگاه های داخلی منبع تغذیه IT به طور قابل توجهی بزرگتر از بار وات دستگاه است (دستگاه های IT زیر پیکربندی شده یا منابع تغذیه اضافی)
• بار کل تجهیزات IT در مرکز داده به بار کامل طراحی نزدیک می شود  (خازن بیشتر در ژنراتور)

این شرایط بیشتر به این واقعیت افزوده می شود که ژنراتورها به جریان های راکتیو بسیار حساس هستند، مخصوصا به جریان های “پیشفاز” که توسط خازن ها ایجاد می شود. این پدیده در ادامه توضیح داده خواهد شد.

تأثیر جریانهای پیشفاز در ژنراتورها

فیزیک ژنراتورها پیچیده است و توضیحات کاملی از نحوه کار آنها فراتر از محدوده این مقاله است. با این حال، برای درک چگونگی تاثیر ضریب توان بر  ژنراتور نیاز به درک سطحی از برخی از اصول کلیدی ژنراتور است.

یک ژنراتور یک میدان مغناطیسی  چرخشی دارد که به طور مداوم از روی کویل های سیم پیچ آرمیچر عبور می کند، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. عبور میدان مغناطیسی از کوئل های استاتور باعث ایجاد ولتاژ در خروجی کویل می شود که ولتاژ خروجی ژنراتور است. ژنراتور برای کنترل ولتاژ خروجی به طور مداوم  ولتاژ را اندازه گیری می کند و جریان را به میدان الکترومغناطیس چرخشی (تحریک ژنراتور)تنظیم می کند. اگر یک بار به طور ناگهانی به ژنراتور اعمال شود و ولتاژ افت کند ، تنظیم کننده ولتاژ سریعا عمل می کند تا جریان میدان گردان روتور(تحریک) را کمی افزایش دهد تا ولتاژ خروجی مورد نظر را حفظ کند.

شکل 6 -نمودار اصول عملکرد یک ژنراتور سنکرون سه فاز است

هنگامی که بار بر روی یک ژنراتور دارای ضریب توان خروجی یک است، قدرت میدان مغناطیسی چرخشی تنها از طریق جریان تحریک، که توسط تنظیم کننده ژنراتور(AVR) کنترل می شود، تعیین می شود. با این حال، زمانی که بار دارای جریان راکتیو است، این جریان موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی درون روتور ژنراتور می شود که موجب کاهش یا افزایس میدان مغناطیسی میدان گردان روتور چرخشی می شود. جریان غیر هم فاز(راکتیو) در بار باعث ایجاد کار اضافی برای سیستم تنظیم کننده می شود. برای مثال، اگر بار دارای جریان پس فاز است، جریان پس فاز به طور جزئی باعث کاهش میدان میدان گردان روتور چرخان می شود، و تنظیم کننده باید جریان را به الکترومغناطیس چرخان برای جبران افزایش دهد. برعکس، اگر بار دارای یک جریان پیش فاز باشد، این در واقع به میدان میدان گردان روتور اضافه می شود، و تنظیم کننده باید جریان تحریک را به میدان الکترومغناطیسی روتور برای جبران کردن کاهش دهد.

رگولاتور ولتاژ در یک ژنراتور قادر به حفظ ولتاژ خروجی در طیف گسترده ای از شرایط بار از جمله مقادیر مختلف جریان پیشفاز و پس فاز است. با این وجود، یک مشکل خاص با جریان پیشفاز وجود دارد . زمانی که جریان پیشفاز یا همان خازنی افزایش پیدا می کند، همانطور که قبلا توضیح داده شد این جریان  به قدرت میدان مغناطیسی چرخان افزوده می شود، و تنظیم کننده جریان مقدار جریان ورودی به الکترو مغناطیس چرخان(میدان مغناطیسی روتور یا همان تحریک) کاهش می دهد تا این افزایش میدان جبران شود. این می تواند تا زمانی ادامه یابد که جریان پیشفاز به اندازه ای بزرگ می شود که دیگر نیاز نیست تا تنظیم کننده ولتاژ، جریانی به میدان مغناطیسی گردان بدهد.این یک محدودیت تقریبا تمام ژنراتورها است که تنظیم کننده قادر به ارائه جریان منفی به میدان گردان روتور نیست، بنابراین وقتی که جریان پیشفاز به  این نقطه می رسد، تنظیم کننده نمی تواند جریان پیشفاز بیشتر را جبران کند. اگر جریان پیشفاز فراتر از نقطه ای برود که تنظیم کننده نتواند میدان گردان در روتور را جبران کند ، تنظیم کننده خاموش می شود. در این نقطه، میدان گردان روتور فراتر از مقدار مورد نظر افزایش می یابد و به دلیل اینکه ولتاژ خروجی توسط میدان کنترل می شود، ولتاژ خروجی ژنراتور از کنترل خارج شده و  شروع به افزایش می کند. نتیجه این است که رله های ژنراتور اضافه ولتاژ را تشخیص داده و باعث خاموش شدن ژنراتور می شوند.

سوال و جواب مرتبط:

این مسئله به اصطلاح مشکل “ضریب قدرت” با ژنراتورها نامیده می شود. این مشکل توسط هارمونیک ایجاد نمی شود. این مسئله ناشی از جریان راکتیو پس فاز نیست. این مسئله به طور خاص بوسیله جریان راکتیو پیشفاز بیشتر از یک مقدار آستانه مشخص ایجاد می شود. هنگامیکه جریان پیشفاز از یک مقدار آستانه عبور می کند، ژنراتور کنترل ولتاژ خروجی خود را از دست می دهد و رله اضافه ولتاژ تریپ می کند. مهم است که درک کنیم که در حالی که جریان راکتیو باعث کاهش ضریب توان می شود، اندازه این جریان راکتیو  است  نه مقدار مشخصی از ضریب توان، که موجب این مشکل می شود. ما اکنون جزئیات بیشتری را بررسی خواهیم کرد.

هر ژنراتور دارای مشخصات در مورد شرایط عملکرد قابل قبول است. مشخصات در مورد جریان پیشفاز قابل قبول برای یک ژنراتور خاص در “منحنی قابلیت (capability curve)” ارائه شده است، همانطور که در مثال 7 نشان داده شده است.

شکل 7- نمونه منحنی توانایی ژنراتور نشانگر شرایط عملیاتی قابل قبول برای بار و ضریب قدرت

منطقه سبز این منحنی به عنوان منطقه عملکرد نرمال در نظر گرفته می شود، مناطق زرد قابل قبول هستند اما نرمال نیستند و مناطق قرمز امکان پذیر نیستند. محور افقی، اندازه جریان راکتیو بار ژنراتور است که جریان راکتیو پیشفاز در سمت چپ منحنی قرار دارد. محور عمودی وات خروجی ژنراتور است. اصطلاح “پریونیت per unit ” می تواند به عنوان “درصد از توان نامی” خوانده می شود. خطوط شعاعی خطوط ضریب توان ثابت است. برای این بحث، ما روی ناحیه زرد بلافاصله به سمت چپ مرکز منحنی تمرکز خواهیم کرد.

اطلاعات مهم در این منحنی، شکل منطقه زرد در سمت چپ است. توجه داشته باشید که مرز چپ این منطقه تقریبا عمودی است در حدود 0.2 پریونیت، نشان دهنده وضعیت که در آن جریان اصلی راکتیو حدود 20٪ از جریان نامی ژنراتور داده شده است. بالاتر از این سطح جریان راکتیو، ژنراتور نا پایدار و خاموش می شود. این منحنی به اندازه کافی نماینده ژنراتورهای معمول است به طوری که تعمیم زیر امکان پذیر است:

به عنوان یک قاعده کلی، ژنراتورها باید با جریان راکتیو  پیشفاز کمتر از 20٪ از حداکثر جریان نامی برای جلوگیری از ناپایداری کار کنند. به طور کلی توصیه می کنیم که ژنراتور دارای ظرفیت kVAr حداقل 20٪ توان پیشفاز باشد که این قانون 4 را اجرایی کند.

توجه داشته باشید که این قانون ضریب توان را ذکر نمی کند. در واقع، نگاه کردن به خطوط ضریب توان در منحنی سازگاری بالا نشان می دهد که ضریب توان در مرز ناپایداری به طور گسترده ای متفاوت است، از 0.0 در زمانی که هیچ بار وات وجود دارد، تا حدود 0.97 در بار کامل! این به وضوح در شکل 8 نشان داده شده است.

منحنی به وضوح نشان می دهد که ژنراتورها با بار سبک تقریبا هر ضریب توانی را تحمل می کنند، اما با افزایش بار، ضریب توان باید بالاتر از یک مقدار بحرانی حفظ شود که در بار کامل برابر با 0.97 می شود. این یک نکته ی مهم را نشان می دهد: بعید است که مشکل نا پایداری در یک مرکز داده بارگیری شده به صورت سبک  روی دهد. همچنین توضیح می دهد که چرا یک سیستم ژنراتور مرکز داده ممکن است برای سال ها پایدار باشد و پس از افزایش بار دیتا سنتر در طول زمان ، ناپایدار شود.

شکل 8 -کمترین ضریب قدرت قابل قبول برای یک ژنراتور به عنوان یک تابع از بار، که در مقداری کمتر از آن ژنراتور خاموش می شود

توجه داشته باشید که این منحنی های پذیرش شامل سهم جریان های هارمونیک ها در ضریب توان نیست. اگر جریان هارمونیک وجود داشته باشد خطوط ضریب توان بر روی منحنی هر دو شکل 7 و 8 نامعتبر است و نمی توانند مورد استفاده قرار گیرند و تنها درصد جریان پیش فاز تعیین کننده مرز نا پایداری است.

این امر منجر به یک نکته مهم می شود که مسئله نا پایداری نباید از لحاظ کمیت و فقط مقدار یک ضریب توان مشخص توصیف داده شود، بلکه از لحاظ درصد جریان راکتیو پیشفاز باید توصیف شود. بسیاری از اپراتورهای که این مشکل را تجربه کرده اند (یا نگران آن هستند) تلاش می کنند که از ضریب توان به عنوان معیار اندازه گیری یا طراحی استفاده کنند و به نتیجه گیری های اشتباه می رسند یا این مسئله آنها را سردرگم می کند. برای ادامه این مقاله، بنابراین، ما در مورد مسئله ی کمیت از لحاظ درصد جریان پیشفاز فاز بحث خواهیم کرد.

پاورقی4 : هنگام طراحی یک مرکز داده جدید، به فروشنده مولد یا دیزل ژنراتور اطلاع دهید که بارهای IT که ضریب توان پیشفاز هستند را دارید تا آنها یک ژنراتور به اندازه درست به عنوان راهی برای جلوگیری از این مسئله پیشنهاد دهند. برای تاسیسات ژنراتور موجود، بعدها در این مقاله بعضی از استراتژی های کاهش ریسک را ارائه می کنیم.

مثال

مسئله نا پایداری ژنراتور تنها از اهمیت عملی برخوردار است اگر جریان راکتیو پیشفاز بار IT به اندازه کافی بزرگ باشد تا از حد جریان پیشفاز ژنراتور بالاتر برود. بنابراین، آموزنده است که نمونه هایی از تجهیزات فناوری اطلاعات واقعی را ببینیم تا ببینیم که آیا این وضعیت ممکن است رخ بدهد و چه زمانی این اتفاق می افتد.

برای یک مورد تست، ما یک مرکز داده را با یک بار نامی 1MW فرض می کنیم. ما فرض می کنیم که این مرکز داده با ژنراتور توان 2MVA مجهز شده است. سپس ما در مرکز داده درصد بار تجهیزات  IT افزایش می دهیم تا ببینیم چه زمانی ناپایداری ممکن است رخ دهد. ما فرض می کنیم که بارهای IT به طور مستقیم توسط ژنراتور تامین می شود، بدون مداخله UPS (یا اگر یک یو پی اس وجود دارد، آن bypass است). ما فرض می کنیم که بارهای قابل توجهی دیگر نسبت به بارهای IT برای این مثال وجود ندارد (سهم این بارها بعدا در مقاله مورد بحث قرار می گیرد).

برای تجهیزات واقعی IT ، تغییرات قابل توجهی در جریان پیشفاز  از دستگاه به دستگاه دیگری وجود دارد. حتی دو سرور با توان نامی 1 کیلو وات هر یک ممکن است جریان پیش فاز متفاوت داشته باشد. با توجه به  بحث قبلی، سرورها دارای خازن فیلتر ورودی هستند که منبع اصلی این جریان پیش فاز است. ما دریافتیم که دستگاه های معمولی IT یک محدوده خازنی از 1 تا 10 میکروفاراد در هر کیلووات از منبع تغذیه نشان می دهند و از این مورد برای نمونه مثال ۵  استفاده می کنیم. فرض بر این است که منبع تغذیه در 230VAC کار می کند. ما می توانیم جریان راکتیو حاصل از این خازن را محاسبه کنیم، که با افزایش کیلووات بار IT در مرکز داده این جریان نیز اضافه می شود. ما همچنین باید در نظر داشته باشیم که دستگاه های  IT تقریبا همیشه طوری ایجاد شده اند تا قدرت کمتر نسبت به ظرفیت نامی منبع تغذیه خود را مصرف کنند، و ما فرض می کنیم که منبع تغذیه IT تا 40 درصد از توان نامی بارگیری شده است

شکل 9 نشان می دهد چگونه جریان پیشفاز با اضافه شدن دستگاه های IT‌  در مثال افزایش می یابد. هنگامی که جریان پیشفاز راکتیو به 20٪ از توان ژنراتور می رسد، ژنراتور نا پایدار خواهد شد.

توجه داشته باشید که در این مثال، منحنی ها برای 2 و 5  در کیلووات هرگز به حد جریان 20٪ پیشفازی نمی رسند و همیشه پایدار خواهند بود. با این حال، با اضافه کردن تجیزات  IT تا 80٪ از توان نامی مرکز داده، منحنی 10uF در هر کیلو وات ناپایدار می شود.

مثال بالا برای یک مرکز داده با یک مسیر برق بود. اگر همان مرکز داده با توان بار تجهیزات  IT 1MW  بار دارای دو مسیر قدرت و دستگاه های دو مسیره  IT باشد، دو برابر منابع تغذیه در سیستم وجود دارد و در سیستم مسیر دوگانه شرایطی وجود دارد که همه منابع از هر دو مسیرها می توانند از منبع ژنراتور توان را دریافت کنند. در این شرایط، همان پیکربندی  IT، منجر به جریان پیشفاز بیشتری می شود که در شکل 10 نشان داده شده است.

پاورقی 5: اگر چه ما بر اساس نمونه گیری معتقدیم که 98٪ از منابع تغذیه  IT ظرفیت خازنی در این رنج را نشان می دهد، اما منبع تغذیه با ظرفیت خازنی  بزرگتر یا کوچکتر می تواند وجود داشته باشد. ما گمان می کنیم که چند مدل سرورهای بسیار کوچک ممکن است ظرفیت خازن غیر معمول یا بزرگتری را نشان دهند. بنابراین، اگر تعداد زیادی سرورهای کوچک از همان نوع استقرار داده شوند، توصیه می شود که آزمایشات برای تعیین مقدار واقعی خازن انجام شود، و از فرض کردن یک ظرفیت خازنی جلوگیری شود. روش های آزمایشی در این مقاله شرح داده شده است.

پاورقی6: امکان ایجاد معماری مرکز داده وجود دارد که در آن هر منبع تغذیه از هر دو مسیر هرگز به یک ژنراتور وصل نشود. این در بخش بعد در مورد راه حل ها بحث شده است.

شکل 9 -جریان پیشفاز اعمال شده به یک ژنراتور با یک مسیر واحد

مرکز داده به عنوان یک تابع از بار IT، برای ویژگی های مختلف خازن IT.

شکل 10- جریان پیشفاز اعمال شده  به یک ژنراتور در دو مسیر

مرکز داده به عنوان یک تابع از بار IT، برای ویژگی های مختلف خازن تجهیزات IT.

در مورد  سیستم با مسیر دوگانه، امکان جریان پیشفاز بیش از 20 درصد جریان نامی ژنراتور در همه موارد اتفاق می افتد(در واقع ناپایداری) به غیر از حالتی  که خازن تجهیزات  IT ۲ میکروفاراد در کیلووات باشد. اگر دستگاه های IT ظرفیت خازنی  10 میکروفاراد در کیلو وات داشته باشند، در این صورت، اگر برق منابع تغذیه و تجهیزات IT  از طریق ژنراتور تامین شود مرکز داده نمی تواند بیش از 40٪ از بار طراحی خود را بدون ایجاد ناپایداری تامین کند.

اگر فرض های مختلف برای مورد آزمایش ایجاد شود، احتمال نا پایداری افزایش می یابد. به طور خاص، اگر سرورها از ظرفیت قدرتشان کمتر از 40 درصد استفاده کنند، مشکل بدتر می شود. اگر ژنراتور به ظرفیت نامی IT نزدیک تر باشد، مشکل بدتر می شود. با این حال، اگر بارهای دیگری که ضریب توان پیش فاز ندارند مانند سیستم های تهویه مطبوع و روشنایی به  ژنراتور وصل شوند ،وضعیت بهبود پیدا می کند

از این مثال می توان نتیجه گیری های زیر را بدست آورد:

• نا پایداری ژنراتور به علت ضریب توان پیشفاز یک مشکل واقعی است که تمام مراکز داده باید در نظر بگیرند و اقداماتی برای جلوگیری از آن انجام دهند
• مرکز داده بارگذاری شده زیر 20٪ از بار IT تقریبا همیشه پایدار خواهد بود
• مرکز داده با مسیر دوگانه که تقریبا 100 درصد ظرفیت آن را بارگذاری می کند، اگر کل بار IT به ژنراتور متصل شود، احتمال ناپایداری ژنراتور بسیار زیاد است
• برای تعیین اینکه آیا ژنراتور پایدار خواهد بود، نیاز به اطلاعات در مورد ظرفیت خازن ورودی دستگاه های  IT، یا از طریق اندازه گیری و یا مشخصات سازنده (در صورت موجود بودن) است
• اگر تمام دستگاههای IT (یا حتی متوسط ​​توان مصرفی دستگاههای  IT) دارای ظرفیت خازنی 2 میکروفاراد در هر کیلو وات یا کمتر باشد، تقریبا هیچ مشکلی وجود نخواهد داشت

تعیین ظرفیت خازنی بارهای IT

ظرفیت خازن ورودی منبع تغذیه IT معمولا یک پارامتر مشخص نیست. حتی اگر سازندگان دستگاه های  IT مشخصات خازن ورودی را منتشر نکنند، اغلب ممکن است مشخصات ضریب توان اندازه گیری منابع تغذیه دستگاه های  IT را از تولید کننده یا منبع گزارش دهی اطلاعات مانند 80PLUS.org بدست آوریم. اگر فرض کنیم که تمام جریانهایی که موجب کاهش ضریب توان از مقدار یک می شود، توسط خازن ورودی ایجاد می شود (فرض ایمن، بدترین حالت)، ممکن است که بدترین حالت (بزرگترین) مقدار برای خازن در هر کیلووات به دست آورد . بهتر است ضریب توان در یک نقطه از قبیل بار 50٪ بدست بیاوریم، زیرا این نقطه نماینده بهتری از حالت کار معمول می باشد و دقت برای به دست اوردن مقدار خازن افزایش می یابد. با توجه به ضریب توان گزارش شده یا اندازه گیری شده در منبع تغذیه در بار 50٪ نامی، مانند آنچه که توسط 80PLUS® ارائه شده است، ظرفیت خازن در هر کیلووات از قدرت نامی تجهیزات IT را می توان از شکل 11 تعیین کرد.

شکل 11 -ظرفیت خازنی منبع تغذیه IT به ازای هر کیلو وات اندازه گیری شده در ۵۰ درصد بار

بیان خازن در میکروفاراد در کیلووات مقدار خازن را عادی سازی میکند و اجازه می دهد تا درصد جریان راکتیو پیشفاز برای هر کیلووات به راحتی با استفاده از شکل های ۹ و ۱۰ محاسبه شود،. به عنوان مثال، شکل 11 در بالا نشان می دهد که یک سرور با ضریب قدرت 0.92 در بار 50٪ دارای ظرفیت 10uF در kW است؛ اگر یک مرکز داده با مسیر دوگانه با این سرورها ایجاد  شود، شکل قبلی 10 نشان می دهد که اگر این مرکز داده بیش از 40٪ بارگیری شود ژنراتور ممکن است ناپایدار شود.

لازم به ذکر است که برای داده های اخیر که توسط تولید کنندگان برای منابع تغذیه با راندمان بالا ارائه شده است، ضریب توان معمول در بار 50٪ در حدود 0.93 تا 0.99 است، که نشان می دهد که برای نسل های اخیر منبع تغذیه، مقدار میانگین حدود 2-10uF در کیلو وات است. داده های منتشر شده همچنین نشان می دهد که منبع تغذیه برق کوچکتر به طور کلی دارای ظرفیت خازنی بالاتر در هر کیلووات می باشد. به طور کلی، این نشان می دهد که یک مرکز داده با تعداد بسیار زیادی از سرورهای 1U بیشتر احتمال دارد نسبت به یک مرکز داده ای دارای همان وات بار از سرورهای بزرگتر با در مدار قرار گرفتن ژنراتور ناپایدار شود.

دانستن ظرفیت خازن در کیلووات یک منبع تغذیه، بخش مهمی از پیش بینی میزان جریان پیش فاز منابع تغذیه می باشد. ظرفیت خازنی منابع تغذیه می تواند به سایر معیارهای مناسب مانند جریان راکتیو در هر سرور یا جریان راکتیو در هر کیلو وات ساعت تبدیل شود. ریاضیات این محاسبات در اینجا ارائه نخواهد شد.

ارزیابی خطر نا پایداری

خطر نا پایداری را می توان برای یک مرکز داده در حال کار موجود و یا در صورت توسعه آن مورد ارزیابی قرار داد و حتی می توان برای مراکز داده ای که هنوز در مراحل برنامه ریزی قرار دارند مورد ارزیابی قرار داد. فرایند برای هر یک متفاوت است.

ارزیابی ریسک خطر نا پایداری ژنراتور در یک مراکز داده ی در حال کار  

برای ارزیابی ریسک خطر نا پایداری ژنراتور در یک مراکز داده ی در حال کار  ، لازم است که جریان پیشفازی را که ژنراتور باید تامین کند را تعیین کرد، و سپس آن را با محدودیت موجود مقایسه کنید (که به طور معمول 20٪ از توان بار کامل ژنراتور است). بهترین راه برای انجام این کار این است که در واقع این جریان را اندازه گیری کنید، اما این به طور معمول عملی نیست، زیرا ممکن است ابزار دقیق برای اندازه گیری وجود نداشته باشد و ابزار دقیق اغلب قادر به اندازه گیری های لازم نباشد.

اگر پیشنهاد شده که اندازه گیری در طول یک آزمایش ژنراتور انجام شود، به یاد داشته باشید که بار ژنراتور در طول آزمایش ژنراتور معمولا UPS است و نه بار IT در طول آن آزمایش. هیچ سیستم UPS شناخته شده ای به اندازه کافی از جریان پیش فاز برای تأثیر بر یک ژنراتور تولید نمی کند، بنابراین ژنراتورها همیشه این آزمون را بدون نا پایداری انجام می دهند. همانطور که قبلا توضیح داده شد، مشکل ما در زمانی است که UPS بایپس شده یا از مدار خارج شده است، به طوری که بار IT به طور مستقیم از ژنراتور تامین می شود. در برخی از مراکز داده، ممکن است این حالت هرگز اتفاق نیفتاده باشد. بنابراین، اتصال یو پی اس به صورت بایپس زمانی که ژنراتور در مدار است و بار را تامین می کند ممکن است باعث نا پایداری شود و این روش پیشنهاد نمی شود. در یک مرکز داده عملیاتی ما باید سعی کنیم جریان پیشفاز تجهیزات IT را در خروجی یو پی اس اندازه گیری کنیم و سپس قبل از اعمال بار IT به ژنراتور بدون یو پی اس مطمئن شویم که از حد مجاز آن کمتر است. اگر UPS جداگانه ای با باس های  خروجی جداگانه متصل به یک ژنراتور وجود داشته باشد این اندازه گیری ممکن است پیچیده باشد .

مشکل اکثر دستگاه های اندازه گیری ها این است که آنها هر دو جریان هارمونیک و راکتیو را با هم اندازه گیری می کنند و بنابراین دقیقا جریان های راکتیو را گزارش نمی دهند مگر اینکه جریانهای هارمونیک صفر باشند. متاسفانه، بسیاری از مرکز داده ها به اندازه کافی جریان هارمونیک دارند تا به اندازه کافی روی اندازه گیری تاثیر بگذارد. دستگاه های اندازه گیری که توان راکتیو Reactive را گزارش می کنند معمولا مقدار جریان پیشفاز مورد نیاز ما  را در این مورد به خصوص  گزارش نمی دهند مگر آنکه به طور مشخص تعیین کنند که آنها تنها مقدار فرکانس اصلی یا فرکانس پایه را گزارش می دهند یا گواهی شده است که تعریف رسمی توان راکتیو را که در استاندارد  IEEE Standard Dictionary 100-1996 تعریف شده است را پشتیبانی می کنند. اگر دستگاه های برق “ضریب توان جابجایی (displacement power factor)” را گزارش کنند، پس از آن می توان برای محاسبه جریان راکتیو استفاده کرد.کلید این است که اطمینان حاصل شود که مقادیر اندازه گیری هارمونیک ها را در نظر نمی گیرد تا توان راکتیو واقعی فرکانس اصلی را بتوان اندازه گیری یا محاسبه شود. مجددا لازم است تأکید کنیم که اکثر تجهیزات به درستی این اندازه گیری را انجام نمی دهند، بنابراین برای اطمینان از صحت اندازه گیری تجهیزات اندازه گیری را دوباره چک کنید که می توانند توان راکتیو را بدون در نظر گرفتن هارمونیک ها اندازه گیری کنند .

پاورقی 7 :پیاده سازی درست فنی محاسبات توان راکتیو در سیستم های الکترونیکی با هزینه معقول سخت است. این به طور معمول نیاز به پردازش پیچیده DSP دارد. بیشتر اندازه گیری ها از روش های ساده برای محاسبه توان راکتیو یا جریان استفاده می کنند جریان راکتیو را با وجود هارمونیک بیشتر نمایش می دهند

نمونه هایی از دستگاه های اندازه گیری که ضریب توان جابجایی را به درستی گزارش می دهند  PowerLogic® PM820, PM850, and PM870 (Figure 12) (شکل 12) است. دستگاه اندازه گیری ممکن است به طور موقت یا دائمی برای اندازه گیری های مورد نیاز نصب شود.

شکل 12 دستگاه اندازه گیری قدرت قادر به اندازه گیری ضریب توان جابجایی

اغلب امکان پذیر نسیت که در یک نقطه تمام بارها اندازه گیری شود .جریان های راکتیو را می توان به طور جداگانه در قسمت های مختلف مرکز داده اندازه گیری کرد و با هم جمع کرد. اگر ضریب توان جابجایی اندازه گیری شود، این اندازه گیری ها ابتدا باید به جریان های راکتیو تبدیل شوند و سپس با هم جمع شوند.

 اندازه گیری ریسک در مراکز داده برنامه ریزی شده 

در مرکز داده ای که در مرحله برنامه ریزی است، امکان پذیر نیست. با این وجود، ممکن است نتیجه گیری در مورد حساسیت توان راکتیو پیشفاز ژنراتور اصلی سیستم ژنراتور امکان پذیر باشد

اول از همه، ممکن است از طریق طراحی، به شدت ریسک نا پایداری را کاهش داد. برای مثال، اگر یک سیستم مسیر دوگانه طراحی شده باشد تا تجهیزات IT در هر دو مسیر نتوانند  در زمان بارگذاری کامل به ژنراتور متصل شوند ، خطر نا پایداری بسیار پایین تر است همانطور که قبلا شرح داده شده است. به عنوان مثال، یک سیستم مسیر دوگانه می تواند طراحی شود به طوری که این ترکیب در عملیات نرمال یا تعمیر و نگهداری امکان پذیر نباشد. به عنوان مثال، اگر سیستم های یو پی اس در هر دو مسیر به طور خودکار و یا دستی بایپس می شوند، سیستم می تواند اینترلاک شود به طوری که در زمان نگهداری هر دو مسیر به یک ژنراتور متصل نشود. این فقط یک نمونه است و معماری های مختلف ممکن است رویکردهای متفاوت داشته باشند.

علاوه بر این، یک مرکز داده برنامه ریزی شده می تواند اطمینان حاصل کند که دستگاه های اندازه گیری ها مناسب برای اندازه گیری جریان  راکتیو (با استفاده از نوع صحیح اندازه گیری) نصب شده اند و اگر جریان راکتیو پیشفاز به  مقداری به نزدیکی  مقدار آستانه نا پایداری ژنراتور رسید سیستم اخطار مناسب را بدهد. تا علاوه بر این، یک مرکز داده برنامه ریزی شده می تواند میزان قابل قبول ظرفیت خازن تجهیزات IT را محاسبه و سیاست هایی را که شامل دستگاه های با ظرفیت خازنی بالا باشد یا نصب دستگاه های با ظرفیت خازنی بالا محدود کند،. به عنوان مثال یک سیاست که بیان می کند که هر نوع دستگاه شامل 10٪ یا بیشتر از کل بار مرکز داده باید ظرفیت خازنی کمتر از 5uF در کیلو وات داشته باشد و منبع تغذیه در این دستگاه ها نباید به شدت اورسایز شده باشد یا بدون استفاده باشند

حل مشکل در صورت در حال کار بودن دیتا سنتر

ممکن است مشخص شود که باید اقداماتی برای اصلاح شرایط ناپایدار جاری انجام شود یا اینکه اطمینان حاصل شود که مرکز داده در آینده در شرایط نا مطلوب قرار نمی گیرد. گزینه هایی برای حل وضعیت های موجود ابتدا مورد بررسی قرار می گیرند، و سپس برخی از گزینه های اضافی برای جلوگیری از مشکلات آینده نیز اضافه می شود. بسیار مهم است که توجه داشته باشیم که تمام مراکز داده نیاز به اصلاح ندارند، بنابراین مقابله با آن ضروری نیست مگر آنکه یک تحلیل ریسک یک شرایط که نیاز به اصلاح دارد را مشخص کند. گزینه های زیر برای اصلاح وضعیت وجود جریان های پیش فاز وجود دارد:

تجهیزاتی که بار خازنی روی ژنراتور ایجاد می کنند را حذف کنید.

 پایداری ژنراتور هنگامی که جریان پیش فاز کمتر از آستانه نا پایداری 20٪، مانند 15٪ جریان نامی ژنراتور) مطمئن است. در حالت ایده آل، دستگاه های  IT با بالاترین میزان خازن در هر کیلووات ابتدا باید حذف شوند. توجه داشته باشید که پروژه های مجازی سازی  IT معمولا بار را کاهش می دهند و تقریبا همیشه تعداد زیادی از سرورهای کوچک را حذف می کنند که اغلب بدترین ایجاد کننده جریان پیش فاز  هستند. بنابراین، یک پروژه مجازی سازی در واقع فرصتی برای کاهش بار نیست، بلکه تغییر ماهیت بار در تجهیزات IT با ظرفیت کمتر خازنی در کیلووات است. چنین پروژه هایی ممکن است به طور موقت یا حتی دائمی مشکل را از بین ببرند.

نصب یک بار القایی 

یک لود بانک القایی گروهی از سیم پیچ های القایی است که روی باس ژنراتور قرار می گیرند . این لود بانک القایی یک مقدار ثابت جریان پس فاز است که می تواند جریان پیشفاز را ناشی از بارهای IT خنثی کند. لود بانک القایی می تواند در خروجی ژنراتور یا بعد  از یو پی اس متصل و استفاده شود. از آنجا که لود بانک القایی تلفات دارد، باید در خروجی ژنراتور (که به طور معمول خاموش است) باشد تا حداکثر بهره وری انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

همچنین ممکن است یک لود بانک القایی الکتریکی که دارای سوئیچ های اتوماتیک است، نصب شود، که در صورت نیاز برای اضافه کردن یا حذف بخش به بخش لود بانک القایی عمل کرده تا جریان راکتیو را کنترل کند. ایده این است که اگر جريان پیش فاز در طول زمان تغيير کند، سپس سیم پیج های القایی به صورت طبقه ای  در مدرا قرار می گیردن و یا از مدار خارج می شوند تا ضریب توان نزدیک به یک مقدار هدف مورد نظر مانند 1 باشد. با این حال این درجه تنظیم خوب لازم نیست و هزینه و پیچیدگی برای توجیه دشوار است.

یک برنامه عملیاتی این است که دو لود بانک القایی تغذیه شده با سوئیچ را به صورت دستی تغییر داده، به طوری که هنگام استفاده با یکدیگر، آنها ثبات سیستم را تضمین می کنند. به عنوان مثال، دو بار القایی، یکی با توان نامی  5٪ و یکی با توان نامی 10٪ از توان نامی ژنراتور می تواند مورد استفاده قرار گیرد 0، 5، 10، یا 15٪ جریان پس فاز به  ژنراتور اعمال کرد، که می تواند  تقریبا در هر مورد قابل تصور مشکل ضریب توان ژنراتور را حل کند. واحد می تواند به صورت دستی بر اساس بار عملیاتی مرکز داده تغییر داده شود. بسته به تجزیه و تحلیل ریسک ممکن است لود بانک های القایی کوچکتر ممکن باشد. چنین بارهای القایی سوئیچ دار ممکن است موجود نباشد اما می توان برای هر مشتری ساخت.

نگرانی در مورد بانک های بار القایی زمانی است که آنها برقدار می شوند. به طور کلی، یک لود بانک القایی الکتریکی ممکن است به علت اشباع مغناطیسی یک جریان هجومی داشته باشد، مگر اینکه به طور خاص با هسته بیش از حد بزرگ طراحی شود تا هرگز اشباع نشود (که به میزان قابل توجهی به هزینه و وزن اضافه می کند). بنابراین، مطلوب است که یک بار در بالای هر یک از مدارهایی که ممکن است به صورت خودکار روشن شوند وصل شود. مکان ایده آل برای یک لود بانک القایی، درست در خروجی ژنراتور است.

گاهی اوقات پیشنهاد می شود که لود بانک القایی الکتریکی در پایین یو پی اس قرار گیرد تا هر دو ژنراتور و یو پی اس جریان پیش فاز کمتری را ببینند. این فرض می کند که لود بانک القایی مشکلات مربوط به یو پی اس را با ضریب توان پیشفاز حل می کند. لازم به ذکر است که برخی از مشکلات که سیستم های UPS ممکن است با ضریب توان پیشفاز داشته باشند، عمدتا از سوی دیگر اثرات ناشی از وجود خازن ها در بار ایجاد می شود و این خازن ها هنوز هم وجود دارند و هنوز هم می توانند بر UPS تاثیر بگذارند حتی زمانی که یک لود بانک القایی الکتریکی نصب شد. قرار دادن لود بانک های القایی در پایین UPS، لود بانک را در شرایط مختلف سوئیچینگ، از قبیل بایپس کردن، ، که می تواند شرایط گذرا نامطلوب را ایجاد کند، مگر اینکه لود بانک القایی به طور خاص طراحی شده باشد تا به علت اشباع نا جریان هارمونیکی نداشته باشد.

پاورقی9: مشکل جرقه زدن سوئیچ ها می تواند به علت خازن ها در بارهای  IT باشد. این به دلیل ظرفیت خازنی و ربطی به ضریب توان ندارد. بنابراین، اصلاح ضریب توان این مشکل را حل نمی کند.

یک سیستم اصلاح ضریب توان الکترونیکی را نصب کنید .

این یک دستگاه است که به عنوان یک فیلتر فعال شناخته می شود، که قادر است ضریب توان را اصلاح کند و از انتقال هارمونیک ها به  منبع قدرت جلوگیری کند. بسیاری از مدل ها حالت های عملیاتی مختلفی را ارائه می دهند و بعضی از آنها توانایی حذف جریان پیش فاز را نیز دارند. این دستگاه با حذف کردن جریان های راکتیو و هارمونیک ها به طور مداوم تلاش می کند که ضریب قدرت را در 1 نگه دارد. هیچ گذارهای کلید زنی ناشی از این تجهیزات وجود. از آنجا که آنها به طور مداوم ضریب توان را تصحیح می کنند، هیچ بررسی دائمی لازم نیست. آنها نیز بسیار کوچکتر و سبکتر از لود بانک های القایی هستند. یک مثال از چنین دستگاهی که معمولا در مراکز داده استفاده می شود، در شکل 13 نشان داده شده است.

شکل 13 سیستم اصلاح ضریب توان الکتریکی قادر به اصلاح ضریب قدرت پیشفاز و جریان نامی آ» 300A ( Schneider Electric Accusine)

دستگاه نشان داده شده در شکل قادر خنثی کردن اثر جریان پیش فاز برای ژنراتورهای تا سایز ۲ مگاوات است. دستگاه های اصلاح ضریب توان الکتریکی مثل همینی که در شکل نشان داده شده است می توانند از شرایط خاص نامطلوب به دلیل هارمونیک همزمان با از بین بردن اثر پیشفازی تجهیزات IT‌ جلوگیری کند در همان زمان كه جریان فاز خارجي را اصلاح می كند، اصلاح كنند. این دستتگاه برای حالتی مناسب است که می خواهیم هم هارمونیک و هم جریان پیش فاز را کنترل کنیم. فیلترهای فعال مزایای بیشتری نسبت به لود بانک های ااقایی غیر فعال دارند اما هزینه بیشتری هم دارند؛ در حدود 180 دلار در هر کیلو وات در مقایسه با 70 دلار در هر کیلووات . اگر این مقدار برای جبران 15 درصد جریان راکتیو باشد، این هزینه از 5 درصد هزینه ژنراتور می باشد.

شناسایی تجهیزات IT ‌که خیلی مشکل زا هستند و آنها را جایگزین کنید

خازن در دستگاه های IT به طور قابل توجهی متفاوت است. در بعضی از مراکز داده، استقرار وسیع دستگاه خاص با ظرفیت خازنی بالا، ممکن است بخش قابل توجهی جریان پیش فاز خازنی تولید کنند. اگر این نوع دستگاه را می توان شناسایی کرد، این دستگاه ها را با دستگاه هایی که ظرفیت خازنی کمتری دارند جایگزین کنید. این ممکن است به راحتی در طول تعمیرات انجام شود

گزینه های بالا لیستی از گزینه ها برای اصلاح جریان پیش فاز که می تواند به نا پایداری ژنراتور منجر شود، شامل می شود. هنگامی که مرکز داده هنوز طراحی نشده است، یا هنگامی که مرکز داده هنوز به یک شرایط بحرانی نرسیده است، گزینه های اضافی زیر نیز در دسترس هستند:

فروشندگان تجهیزات  IT را بر اساس ظرفیت خازن منابع تغذیه آنها انتخاب کنید.

 هنگام انتخاب سازندگان برای هر دستگاه IT که ممکن است در مقادیر زیاد در مرکز داده مستقر شود، خازن ورودی را به عنوان معیار انتخاب در نظر بگیرید.

از آنجا که خازن یک پارامتر مشخص نیست، ظرفیت کم خازن از طریق آزمون ارزیابی و پذیرش یا تضمین عملکرد توسط فروشنده سرور ایجاد می شود. حداکثر مقدار ۴ میکروفاراد در کیلووات برای منبع تغذیه که توسط اندازه گیری یک ضریب توان 0.99 در 50٪ بار نامی تضمین می شود، می تواند هدف عملی خوبی برای انتخاب باشد

اجتناب از استفاده از مقادیر بسیار زیادی از سرورهای کوچک

دستگاه های کوچکتر  IT مانند سرورهای 1U  به طور معمول دارای ظرفیت خازنی بالاتر  در هر کیلوویت ساعت بار IT هستند. بنابراین، طراحی  IT که از سرورهای کوچکتر به طور کلی استفاده نمی کند دارای ظرفیت خازنی  پایین تری است.

طراحی برای افزایش استفاده از منبع تغذیه

 همانطور که قبلا توضیح داده شد، قدرت راکتیو پیشفاز متناسب با ظرفیت نامی منبع تغذیه IT است و مستقل از بار واقعی واتی  IT است. بنابراین، یک منبع تغذیه که اور سایز شده ظرفیت خازنی ورودی بیش از حدی را دارد،. هنگامی که یک تعداد زیادی از سرورهای استقرار داده می شود با ارزش است که مقدار مصرف تجهیزات IT ‌ از منابع تغذیه  بررسی شود و از اورسایز کردن منابع تغذیه جلوگیری شود

اجازه ندهید دو مسیر قدرت(تجهیزاتی IT که دارای ۲ ورودی برق برای اطمینان بیشتر هستند) در یک ژنراتور وجود داشته باشد

 انواع معماری مسیر دوگانه در طراحی مرکز داده مورد استفاده قرار می گیرند. در بیشتر طرح ها، دستگاه های IT درای ۲ منبع تغذیه هستند  که بار IT را به اشتراک می گذارند و طوری طراحی  می شوند، که اگر یک مسیر از بین رفت ، مسیر دوم می تواند کل بار IT را تامین کند. اغلب این بدان معنی است که یک مسیر ممکن است ناگهان ۲ برابر تحت بار بارگذاری قرار گیرد، اما هر دو مسیر به منابع قدرت متصل متصل است. بنابراین، تحت این حالت ، ظرفیت خازنی بدون تغییر است، حتی اگر قدرت بار دو برابر شود. با این حال، در بسیاری از طرح ها حالت هایی وجود دارد که در آن هر منابع تغذیه در هر دو مسیر ممکن است به یکی از مسیرها متصل شود؛ شایع ترین علت این امر، عمل کردن یک ” cross-tie ” در مسیرهای قدرت است. هنگامی که یک cross-tie  فعال می شود،دو برابر شدن منابع تغذیه متصل شده باعث دو برابر شدن ظرفیت خازنی می شود که می تواند ژنراتور را در شرایط ناپایدار براند. این می تواند دلیل خوبی برای در نظر گرفتن طرح هایی است که دارای cross-ties نیستند.

نتیجه

مشکل نا پایداری ژنراتور در مراکز داده توضیح داده شده است و نشان داده شد که از طریق جریان های راکتیو پیشفاز تولید شده توسط دستگاه های IT این مشکل ایجاد می شود. در شرایط عملیات عادی، نا پایداری تقریبا هرگز اتفاق نمی افتد، زیرا یک UPS بین ژنراتور و دستگاه های  IT وجود دارد که ژنراتور را از جریان راکتیو پشفاز محافظت می کند. این مشکل زمانی اتفاق می افتد که دستگاه های  IT به طور مستقیم به ژنراتور متصل می شوند، مانند زمانی که UPS در حال بایپس کردن یا UPS از مدار برای نگهداری خارج شده است. بنابراین، نا پایداری ممکن است خود را تا زمانی که یک رویداد گذرا و یا در طول عملیات تعمیر و نگهداری خوش را نشان ندهد و هزینه ی زیادی تحمیل کند

این مقاله راهنمایی های عملی در مورد نحوه ارزیابی مرکز داده های موجود یا برنامه ریزی شده برای نا پایداری ژنراتور و راهبردهای جلوگیری از احتمال نا پایداری را فراهم می کند. تجزیه و تحلیل نا پایداری باید بخشی از هر طراحی موثر مرکز داده و همچنین بخشی از یک طرح مدیریت موثر مرکز داده باشد.