ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور

در این بخش قص داریم با شما درمورد ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور صحبت نماییم . 

خلاصه اجرایی

دستگاه‌های  IT ممکن‌است جریان ورودی الکتریکی با مشخصه ای به نام ” ضریب توان پیشفاز ” نشان‌دهنده این وضعیت ممکن‌است.

سبب ایجاد ناپایداری ژنراتورهای پشتیبان و خاموش شدن و از دست رفتن برق‌شود. علاوه براین، یک مرکز‌داده یا دیتا‌سنتر که به مدت طولانی به درستی عمل‌می‌کند، به طور ناگهانی یک مشکل را ایجاد می‌کند، زیرا بار IT در طول زمان یا در یک رویداد غیر معمول ممکن‌است ناگهان‌تغییرکند. این به این معنی‌است که مهم‌است تا حاشیه ایمنی را درک‌کنید و قبل از اینکه این اتفاق‌بیفتد این شرایط را پیش بینی‌کنید و آنها را اصلاح‌کنید.

این مقاله مشکل را توضیح‌می‌دهد، چرا و چگونه این مشکل اتفاق‌می‌افتد، و چگونه می‌توان آن را شناسایی و اصلاح‌کرد.

مقاله ی مرتبط:

دیزل ژنراتور دیتا‌سنترها

دیزل ژنراتورها چقدر عمر‌می‌کنند؟

معرفی

ژنراتورهای‌پشتیبان دیزلی یا گازی به طور معمول مورد‌استفاده‌قرار‌می‌گیرند تا مراکز داده‌ها بتوانند در مدت زمان طولانی در طول خاموشی برق یا فعالیت‌های تعمیر و نگهداری خاص عمل‌کنند و در مدار‌باشند.

 درحالیکه این ماشین‌ها نیرومند‌هستند که به طور کلی بارها، بارگذاری‌ها ناگهانی و اضافه بار ها و سایر شرایط سخت را به خوبی تحمل‌می‌کنند ، در کاربری دیتا‌سنتر‌ها ، موارد ثبت شده‌ای وجوددارد که ژنراتور تحت شرایطی که به نظر‌می‌رسید که بار اعمالی به آن  به خوبی در ظرفیت نامی ژنراتور قرارداشت، ژنراتور ناگهان تریپ‌داده‌است. شرایطی که این اتفاق می‌افتد تحت شرایطی‌است که بارهای تجهیزات IT و دیتا‌سنترها به صورت مستقیم از طریق ژنراتور به وسیله ی ، بایپس کردن یا از مدار خارج کردن UPS تامین‌می‌شود. این مشکل زمانی اتفاق می‌افتد که یو پی اس در حالت بایپس قراردارد

یا ازمدار خارج‌است یا سیستم از نوع طراحی  tier 3 یا طراحی‌های دیگری‌است که درآن یکی از مسیرهای قدرت بار‌های تجهیزات IT ، حفاظت با یو پی اس راندارد و مستقیما از طریق ژنراتور، برق آنها تامین‌می‌شود.

مشکل

مشکل این‌است که بارهای IT ممکن‌است یک مشخصه ی باری به نام “ضریب توان پیشفاز” نشان‌دهند، که خطر و ریسک خرابی و تریپ را برای تمام ژنراتورهای اتصال‌داده‌شده به صورت مستقیم به بار IT را ایجادمی‌کند.

اگرهمیشه یک UPS در حال کار در مسیر قدرت بین ژنراتور و بار IT وجودداشته‌باشد، مرکز‌داده ممکن‌است هرگز این مشکل راتجربه‌نکند ، زیرا UPS به طور موثری ژنراتور را از این شرایط محافظت‌می‌کند.

با اینحال، 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 مدارخارج‌شده و باعث‌می‌شود

ژنراتور بار IT یا دیتا‌سنتر را با ضریب قدرت پیشفاز آنها تامین‌کند که باعث ایجاد وضعیت خطا در ژنراتور و تریپ دادن آن می‌شود، اغلب در بدترین زمان ممکن، زمانی که بیشترین نیاز برای تامین برق با دیزل ژنراتور‌است این اتفاق رخ‌می‌دهد.

ژنراتور می‌تواند مقدار کمی از ضریب توان پیشفاز را تحمل‌کند، بنابراین یک مرکز‌داده ممکن‌است در ابتدا به درستی عمل‌کند، اما تجهیزات IT به آرامی با گذشت زمان تغییرمی‌کنند

و برضریب توان تأثیر می‌گذارند و باعث ایجاد مشکل و تریپ دادن ژنراتورمی‌شوند.

متأسفانه درمورد چگونگی ارزیابی ریسک این مشکل، سردرگمی زیادی وجوددارد و یک طراحی سطحی تاسیسات الکتریکی دیتاسنترها به طور قابل توجهی خطرات این مشکل را افزایش‌می‌‌دهد.

علاوه بر این، هنگامی که یک خطر شناسایی‌میشود، پیدا کردن یک راه حل مناسب می تواند خیلی دشوار باشد.

این مقاله با توضیح ماهیت این مسئله و نحوه و زمان وقوع آن شروع‌می‌شود.

ضریب توان در مرکز‌داده

برای درک ماهیت ضریب توان و اثرات مختلف‌آن و فراهم‌آوردن پایه ای برای درک اینکه چگونه بر ژنراتور تأثیر‌می‌گذارد، توضیح برخی از پیش زمینه‌ها در مسئله پیچیده ضریب توان‌لازم‌است.

دریک سیستم AC، منبع تولیدتوان یک شکل موج ولتاژ سینوسی ایجادمی‌کند و بارشکل موج جریان را ایجادمی‌کند. درساده ترین حالت بار ،بار به اصطلاح “مقاومتی” مانند یک لامپ بخاری یا لامپ رشته‌ای، شکل موج جریان همان شکل موج ولتاژاست و دقیقا در زمان همانند با شکل موج ولتاژ ایجاد می‌شود (شکل 1). ضرب ولتاژ و جریان در هر لحظه از زمان در طول شکل 1 همیشه مثبت‌است. براساس تعریف، گفته‌می‌شود

که ضریب توان یک بار مقاومتی، برابر با مقدار 1‌است، به‌این معنی که 100٪ جریان بار به وات (توان اکتیو یا فعال) قدرت انتقال‌داده‌شده به بار افزوده‌می‌شود. در یک جهان ایده‌آل، تمام بارها ضریب توان 1 رادارند.

پاورقی1 :

یو پی اس می‌تواند یک ضریب توان پیشفاز ایجادکند، امامقدار آن نسبت به آنچه که ژنراتور ها‌قادر به تامین آن‌هستند، بسیار کوچک‌است.  یو پی اس کمتر از 6٪ جریان راکتیو می‌کشند که در مقایسه با 20٪ توان راکتیو که توسط ژنراتورها مجاز است بسیار اندک‌است.

پاورقی 2 :

این فقط با eco-mode استاندارد ایجاد‌می‌شود که در آن اینورتر اساسا خاموش‌است. با استفاده از ECOMODE پیشرفته ، اینورتر روشن باقی‌می‌ماند و ژنراتور را از جریان هارمونیک بار IT محافظت می‌کند. نگاه‌کنید به مقاله White Paper 157، Eco-mode: مزایا و خطرات حالت صرفه جویی‌در UPS.

با اینحال، بسیاری از انواع‌بارهای‌الکتریکی برخی از جریانها را به وجودمی‌آورند که حقیقی‌نیست و در مقدار وات انتقال داده‌شده به بار افزوده‌نمی‌شود. این جریان‌های به طور کلی نامطلوب، وات یا توان حقیقی را انتقال‌نمی‌دهند

زیرا درشکل موج ولتاژ (جریان‌2های غیر هم فاز) هم راستانیستند (اختلاف فاز دارند)و یا از فرکانس‌های متفاوت نسبت به ولتاژ منبع (جریان‌های هارمونیک)هستند. شکل 2، دو شکل موج را نشان‌می‌دهد که دارای شکل یکسان‌هستند

(هیچ جریان هارمونیکی وجود‌ندارد)، اما شکل موج جریان 90 درجه جلوتر از شکل موج ولتاژاست.

که‌مقدار متوسط آن‌صفر است(مقدار توان مصرفی انتگرال توان لحظه‌ای در طول زمان‌است برای اطلاعات بیشتر به کتاب‌های مدارمراجعه‌کنید.)

یک جریان واقعی را می‌توان به سه بخش تقسیم‌کرد: بخشی که هم فاز با ولتاژ است (بخشی که وات یا همان توان حقیقی راانتقال‌می‌دهد)؛

بخشی که غیر هم فاز‌است و هم فاز با ولتاژ‌نیست (بخشی که توان حقیقی یا وات را انتقال‌نمیدهد)؛ و بخشی که هارمونیک را حمل‌می‌کند (این جریان نیز وات یا توان حقیقی را انتقال‌نمی‌دهد).

عکس 1

نمودار شکل موج ولتاژ و جریان که شکل هماننددارند و نسبت به زمان هم زمان و هم فازهستند

عکس 2

نمودار جریان ولتاژ و جریان هم شکل و جریان نسبت به زمان 90 درجه جلوتر از ولتاژاست.

بنابراین، ضریب قدرت یک بار همیشه بین 0 و 1است و با یک ضریب توان یک، این بدان‌معنی‌است که تمام جریان به سمت تحویل توان حقیقی به سمت‌بارمی‌رود

و ضریب توان صفر، به این‌معنی‌است که هیچ بخشی از جریان توان حقیقی را به بار تحویل‌نمی‌دهد (یعنی همه جریان غیر هم فاز یا هارمونیکی‌می‌باشد).

مقاله ی مرتبط:

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

جریان‌های ‌غیر هم فاز و هارمونیک باعث کاهش ضریب توان از مقدار ایده‌آل 1 می‌شوند و می‌توانند برای مراکز‌داده مشکلاتی ایجادکنند. هر دو این جریان‌هاباعث‌می‌شوند

که سایز سیم، ترانسفورماتور و قطع کننده‌های مدار(کلید ها) افزایش‌پیداکرده تابتوانندجریان اضافی ایجادشده راتحمل‌کنند.

بااینحال، جریان‌های‌هارمونیک مشکلات منحصر به فرد دیگری نظیر گرمای بیش از حددر موتورها و ترانسفورماتور، اعوجاج ولتاژ ایجادمیکنند.

ومیتوانند باعث افزایش گرمای سیم نول یا همان خنثی در مدارهای‌سه فازشوند.

بخش غیر هم فاز جریان، که به لحاظ فنی به عنوان “جریان راکتیو” تعریف‌می‌شود، می‌تواند بر تنظیم ولتاژ در سیستم‌های برق تاثیربگذارد

و منبع‌ایجاد مشکل در ژنراتوراست که موضوع مورد بحث این مقاله‌است.

مقدار زیادی از سردرگمی در مورد موضوع ضریب توان، عدم دانستن این موضوع‌است که دو نوع مختلف جریان که به کاهش ضریب توان کمک‌می‌کنند،

یعنی هارمونیک و جریان‌های راکتیو، می‌تواند مشکلات مختلفی در سیستم‌ایجاد‌کنند.

 متاسفانه هنگامی که بار با عنوان داشتن یک “ضریب توان 0.8” توصیف‌میشود، هیچ چیز درباره جریان هایی‌که باعث ایجاد ضریب توان متفاوت از 1 می‌شود، به ما‌نمی‌گویند

که کدام یک  آیا جریان‌های هارمونیک یا جریان های راکتیو باعث این ضریب توان‌می‌شوند. برای درک تاثیر ضریب توان در ژنراتورها، ما نیاز به اطلاعات دقیقتری در مورد این جریان هاداریم.

پاورقی ۳ :‌

راه دیگر‌برای درک  این مفهوم‌این‌است که توان در یک لحظه از زمان به بار تحویل‌داده‌می‌شود، اما‌در یک لحظه بعد از بار به منبع‌منتقل‌می‌شود؛

توان در حال حرکت به عقب و جلو بین باراست ، اما به طور متوسط، هیچ قدرت خالصی تحویل بار‌نمی‌شود.

یک روش دیگر اندازه گیری ضریب قدرت‌است که‌می‌تواند به‌ماکمک‌کند تا سهم جریان‌های خارج از فاز (غیر هم فاز با ولتاژ) و هارمونیک‌رااز هم‌جداکنیم . ضریب توان جابه جایی (displacement power factor)، که بعضی اوقات نیز “ضریب توان اساسی (fundamental power factor)”‌نامیده‌می‌شود،

این‌ضریب توانِ است‌که جریان هارمونیک با استفاده از روابط ریاضی ازمحاسبه یا اندازه‌گیری ضریب توان حذف‌می‌شود.

با حذف جریان‌های ‌هارمونیک، این اندازه گیری از ضریب قدرت تنها سهم جریان‌های راکتیو یا غیر هم فاز راگزارش‌می‌کند.

همانطور که‌نشان‌خواهیم‌داد، این امردر تجزیه و تحلیل تاثیر ضریب قدرت در ژنراتورهامفید‌خواهد‌بود. بااینحال، این‌اندازه‌گیری تنها باانواع محدودی ازتجهیزات که به طور خاص برای این منظور طراحی‌شده،‌ممکن‌است.

بار خازنی

جریان‌های راکتیو بوسیله‌بارهای به اصطلاح “القایی” یا “خازنی” ایجادمی‌شوند. بابارهای القایی مانند موتورها، شکل موج جریان غیر هم‌فازاست

زیرانسبت به شکل موج ولتاژتاخیردارد. به همین‌دلیل‌گفته‌می‌شود که بارهای القایی ضریب توان “پس فاز”رادارند.

با بارهای خازنی نیز، شکل موج جریان غیر هم‌فازاست زیراجریان نسبت به زمان، قبل از شکل موج ولتاژ‌است(جریان خازن پیش‌فازاست). به همین‌دلیل، گفته‌می‌شود

که بارهای خازنی دارای ضریب قدرت پیشفاز‌هستند. یک‌مقدار ضریب توان، مانند ضریب توان 0.9، هیچ اطلاعاتی در مورد زمان بندی جریان‌های غیر هم فازفراهم‌نمی‌کند،

بنابراین هنگام بحث درمورد ضریب توان مربوط به جریان راکتیو، نوع ضریب توان با توصیف ضریب توان به عنوان “0.9 پیشفاز” و یا “0.9 پس فاز” تشخیص‌داده‌می‌شود.

این تمایز به ویژه درتوضیح اینکه چگونه ضریب توان بر ژنراتور تاثیرمی‌گذارد، بسیار‌مهم‌است، همانطور که توضیح‌خواهیم‌داد.

جریان‌های هارمونیک بوسیله بارهای به اصطلاح “غیر خطی” ایجادمی‌شود که یک شکل موج جریان متفاوت از شکل موج ولتاژ اعمال شده ایجاد‌می‌کند.

 شایع ترین بارهای غیر خطی دیمرهای نور و یا منابع تغذیه هستند. از لحاظ تاریخی، منابع قدرت اولیه سیستم‌های IT دارای یک ضریب توان تقریبا 0.65 بود.

جریان‌های هارمونیکی که با استفاده از این منبع تغذیه‌ایجاد‌می‌شد، اغلب بیش از نیمی از کل جريان‌کشیده‌شده‌بود وموجب کاهش ضریب‌توان‌می‌شود (جریان غیر هم فاز یا راکتیو این منابع تغذیه اولیه مقدار زیادی‌نبود).

و در ادامه

این جریان‌های‌هارمونیک هنگامی که تعداد زیادی از دستگاه‌های  IT با هم در کنارهم‌قرارمی‌گرفتند،

مانند مراکز تماس یا مراکز داده، مشکلاتی ایجاد‌می‌کردند، در نتیجه، سیم نول و ترانسفورماتورهای که قبلا ذکرشد، بیش از حد گرم‌می‌شدند.

درموارد شدید، باعث آتش سوزی می‌شدند. درپاسخ به این مشکل، مقررات بین المللی در دهه 1990 برای محدودکردن جریانهای هارمونیکی مجاز بوجود‌آمده

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 بانک‌های 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 سیستم‌های توزیع برق تاثیر نگذارد. مهم این‌است که درک کنیم که ” فیلتر هارمونک” منبع تغذیه IT در نظر گرفته‌شده‌است تا جریانهای هارمونیکی را از بین ببرد

اما در نظر گرفته نشده‌است که جریانهای راکتیو را از بین ببرند.

 این یک واقعیت قابل توجه‌است که فیلتر‌های هارمونیکی منابع تغذیه IT میتواند موجب ایجاد جریان‌های راکتیو بیشتر نسبت به منابع تغذیه قدیمی بدون فیلتر هارمونیک شوند.

 این جریانهای راکتیو است که در منابع تغذیه فیلتر‌دارست

که باعث تأثیر بر روی ژنراتورها می شود. قبل از بررسی تأثیر بر روی ژنراتورها، مفید است بدانید که چگونه منبع تغذیه جریانهای راکتیو ایجادمی‌کند.

ویژگی‌های ضریب توان بارهای IT

تقریبا ، تمام فیلتر‌های منبع تغذیه IT با همان اصل که  در شکل 3‌نشان داده‌شده‌است‌کارمی‌کنند. در واقع، یک منبع تغذیه با تصحیح قدرت یا فیلتر هارمونیکی صرفا یک منبع تغذیه سنتی با یک ماژول تقویت PFC اضافی‌است

که به‌یک فیلتر برای حفاظت  شبکه از جریان‌های هارمونیکی یک منبع تغذیه سنتی به طور معمول ایجادمی‌کند، متصل‌می‌شود.

ماژول خطی تقویت کننده PFC “فیلتر” در واقع مبدل قدرت فرکانس بالااست که جریان ورودی به شکل موج سینوسی ایجاد‌می‌کند که بسیار مشابه همان تقویت کننده صوتی مدرن‌است.

فرکانس سوئیچینگ این مبدل قدرت معمولا در محدوده 20 تا 200 کیلوهرتزاست ، و این‌مدارهای‌اصلاح کننده یا فیلتر ها در از بین بردن جریانهای هارمونیک‌ خیلی موثرهستند. این مبدل‌ها به واسطه طبیعت شان دارای ولتاژ بالا و مدارهای سوئیچینگ فرکانس بالا‌هستند

و نیاز به یک فیلتر شامل سلف و خازن در ورودی برق شهرهستند تا از انتقال فرکانس‌های بالا از منبع تغدیه به شبکه برق  اصلی که یک شکل از تداخل فرکانس رادیویی‌هستند جلوگیری‌کنند. این فیلتر یک خازن C1 است

که درشکل 3 نشان‌داده‌شده‌است. این فیلتر ورودی‌خازنی‌است که توان راکتیو پیش فاز را ایجادمی‌کند و ضریب توان را از مقدار ایده آل آن یک کاهش‌می‌دهد. حتی اگر یک منبع تغذیه فیلتر دار در حذف تمام جریان هارمونیک موفق باشد،این خازن هنوز جریان راکتیو پیش فازی ایجاد می‌کند و ضریب قدرت کمتر از یک خواهدبود.

شکل 3

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

مهم‌است بدانیم که این خازن در ورودی منبع تغذیه وجوددارد حتی اگر منبع تغذیه در بار کم کارکند و در بسیاری از موارد حتی اگر دستگاه IT خاموش‌باشد. بنابراین، جریان پیشفاز ایجاد شده توسط خازن یک ویژگی ثابت دستگاه‌های IT است

ومستقل از قدرت واقعی مصرف شده در دستگاه IT است. این به این معنی‌است که اگر مصرف توان یک دستگاه  IT کاهش یابد در حقیقت ضریب توان بدترخواهدشد ؛

جریان که موجب مصرف توان وات است‌کاهش‌می‌یابد، اماجریان خازنی همان مقدار‌است. این اثر در شکل 4 نشان‌داده‌شده‌است.

شکل 4 نشان‌می‌دهد که ضریب توان با کاهش بار دستگاه بدترمی‌شود. اگر یک سرور از دو مسیر قدرت از طریق دو منبع تغذیه با توان نامی 600W داخلی تغذیه‌شود و توان واقعی سرور 300 وات (150 وات در هر مسیر)باشد، در نتیجه آن در نقطه بهره برداری 25٪ خواهدبود و همانطور که درشکل مشخص‌است 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 کیلووات‌است. این در گستره وسیعی از ظرفیت خازن مشاهده‌شده تجهیزات IT واقعی‌است. بنابراین منحنی ضریب توان نشان داده‌شده در شکل، در حد پایین ترین منحنی که در سرورهای واقعی انتظار می‌رود‌است

و سرور‌های رایج از نظر شکل، منحنی مشابهی را نشان می‌دهند اما از نظر اندازه مقدار آنها  بالاتر است. مجموعه ای از داده ها از منابع تغذیه واقعی در شکل 5 نشان داده‌شده‌است:

شکل 5

اندازه‌گیری منبع تغذیه واقعی نشانگر تغییر ضریب توان با بار (تصویر از 80PLUS.org)

توجه داشته‌باشید که شکل 5 نشان می‌دهد که تمام منبع تغذیه یک ضریب توان دارند که در بار کم افت می‌کند و شکل منحنی مورد انتظار برای منبع تغذیه با ظرفیت ورودی مختلف در هر کیلووات را نشان میدهد.

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 میدهد.

در بخش‌های بعدی ما نشان می‌دهیم که منبع تغذیه با منحنی‌های بالاتر در شکل نمی تواند نا پایداری ژنراتور را ایجاد کند، اما منبع تغذیه با منحنی‌های پایین تر میتواند منجر به ناپایداری ژنراتور شوند.

ادامه

ظرفیت خازن ورودی ویژگی خاصی از یک دستگاه IT معمولی‌نیست و می‌تواند بطور قابل توجهی بین دستگاه ها متفاوت‌باشد، همانطور که در شکل 5 دیده‌می‌شود.

بنابراین برای یک اپراتور تعیین مقدار جریان خازنی یا پیش فاز با استفاده از ترکیبی  از دستگاه‌های  IT بسیار مشکل‌می‌باشد. حتي اندازه گيري ضريب توان واقعی در زمان نصب، کافي‌نيست،

زيرااين اندازه‌گیری توان‌های راکتیوي را از جريان‌هاي هارمونيک جدا نمی‌کند و آنها را به درستی تشخیص‌نمی‌دهد. برای تعیین جریان راکتیو در یک نصب خاص نیاز به اندازه‌گیری‌های خاص‌است

که می‌تواند بین جریان راکتیو و جریان‌های هارمونیک تماییز قائل‌شود؛ این‌ها در بخش بعدی این مقاله مورد بحث قرار می‌گیرند.

دشوار‌است که باور‌کنیم این فیلتر خازن کوچک در منابع تغذیه IT می‌تواند ژنراتور چند مگاواتی را مختل‌کند. با اینحال، این خازن‌ها به میزان قابل توجهی افزایش‌می‌یابند،

به‌ویژه هنگامی که شرایط زیر رخ می‌دهد:

• هنگامی که هزاران دستگاه  IT با یکدیگر قرار‌می‌گیرند، مانند یک مرکز‌داده
• هنگامیکه ظرفیت نامی دستگاه‌های داخلی منبع تغذیه IT به طور قابل توجهی بزرگتر از بار وات دستگاه‌است (دستگاه‌های IT زیر پیکربندی شده یا منابع تغذیه اضافی)
• بار کل تجهیزات IT در مرکز‌داده به بار کامل طراحی نزدیک می‌شود  (خازن بیشتر در ژنراتور)

این شرایط بیشتر به این واقعیت افزوده می شود که ژنراتورها به جریان‌های راکتیو بسیار حساس هستند، مخصوصا به جریان های “پیشفاز” که توسط خازن‌ها ایجاد میشود. این پدیده در ادامه توضیح داده‌خواهد‌شد.

تأثیر جریان‌های پیشفاز در ژنراتورها

فیزیک ژنراتورهاپیچیده‌است و توضیحات کاملی از نحوه کار آنها فراتر از محدوده این مقاله‌است. با اینحال، 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 کویل‌های سیم پیچ آرمیچر عبور می کند، همانطور که در شکل 6 نشان داده‌شده‌است.

عبور میدان مغناطیسی از کوئل‌های استاتور باعث ایجاد ولتاژ در خروجی کویل‌می‌شود که ولتاژ خروجی ژنراتوراست. ژنراتور برای کنترل ولتاژ خروجی به طور مداوم  ولتاژ را اندازه گیری‌می‌کند

و جریان را به میدان الکترومغناطیس چرخشی (تحریک ژنراتور)تنظیم‌می‌کند. اگر یک بار به طورناگهانی به ژنراتور اعمال شود و ولتاژ افت‌کند ، تنظیم کننده ولتاژ سریعا عمل‌می‌کند تاجریان میدان گردان روتور(تحریک) را کمی افزایش‌دهد تا ولتاژ خروجی مورد نظر را حفظ‌کند.

شکل 6

نمودار اصول عملکرد یک ژنراتور سنکرون سه فاز‌است

هنگامی‌که بار بر روی یک ژنراتور دارای ضریب توان خروجی یک‌است، قدرت میدان مغناطیسی چرخشی تنهااز طریق جریان تحریک، که توسط تنظیم کننده ژنراتور(AVR) کنترل‌می‌شود، تعیین می‌شود. با اینحال، زمانی که بار دارای جریان راکتیو است،

این‌جریان موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی درون روتور ژنراتور‌می‌شود که موجب کاهش یا افزایش میدان مغناطیسی میدان گردان روتور چرخشی‌می‌شود. جریان غیر هم فاز(راکتیو) در بار باعث ایجاد کار اضافی برای سیستم تنظیم کننده‌می‌شود.

برای مثال، اگر بار دارای جریان پس فاز‌است، جریان پس فاز به طور جزئی باعث کاهش میدان میدان گردان روتور چرخان می‌شود، وتنظیم کننده باید جریان را به الکترومغناطیس چرخان برای جبران افزایش‌دهد. برعکس، اگر بار دارای یک جریان پیش فاز باشد،

این در واقع به میدان میدان گردان روتور اضافه می‌شود، و تنظیم کننده باید جریان تحریک را به میدان الکترومغناطیسی روتور برای جبران کردن کاهش‌دهد.

رگولاتور ولتاژ

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 می‌کند،

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 جبران‌شود.

 این‌می‌تواند تا زمانی ادامه‌یابد که‌جریان پیشفاز به اندازه ای بزرگ می‌شود که دیگر نیاز نیست تا تنظیم کننده ولتاژ، جریانی به میدان مغناطیسی گردان‌بدهد.این یک محدودیت تقریبا تمام ژنراتورها است که‌تنظیم کننده قادر به ارائه جریان منفی به میدان گردان روتور نیست، بنابراین وقتی که جریان پیشفاز به  این نقطه می‌رسد، تنظیم‌کننده نمی‌تواند جریان پیشفاز بیشتر را جبران‌کند. اگر جریان پیشفاز فراتر از نقطه ای‌برود که تنظیم کننده نتواندمیدان گردان در روتور را جبران کند، تنظیم کننده خاموش‌می‌شود.

 دراین نقطه، میدان گردان روتور فراتر از مقدار مورد نظرافزایش‌می‌یابد و به‌دلیل اینکه ولتاژ خروجی توسط میدان کنتر‌ل‌می‌شود، ولتاژ خروجی ژنراتور از کنترل‌خارج‌شده

و  شروع به‌افزایش‌می کند. نتیجه این‌است که رله‌های ژنراتور اضافه ولتاژ را تشخیص داده و باعث خاموش شدن ژنراتور می‌شوند.

سوال و جواب مرتبط:

چرا زمانی که ژنراتور در مدار قرار میگیره بانک خازنی باید از مدار خارج بشه؟

آیا خازن و سلف توان اکتیو مصرف می کنند؟

این‌مسئله به اصطلاح مشکل “ضریب قدرت” با ژنراتورها نامیده‌می‌شود. این مشکل توسط هارمونیک ایجاد نمی‌شود. این مسئله ناشی از جریان راکتیو پس فازنیست. این مسئله به طورخاص بوسیله جریان راکتیو پیشفاز بیشتر از یک مقدار آستانه مشخص ایجاد‌می‌شود.

هنگامیکه جریان پیشفاز از یک مقدار آستانه عبورمی‌کند، ژنراتور کنترل ولتاژ خروجی خود را ازدست می‌دهد و رله اضافه ولتاژ تریپ می‌کند. مهم‌است که درک‌کنیم که درحالیکه جریان راکتیو باعث کاهش ضریب توان می‌شود،اندازه این جریان راکتیو‌است نه مقدار مشخصی از ضریب توان، که موجب این مشکل‌می‌شود. ما اکنون جزئیات بیشتری را بررسی خواهیم‌کرد.

هرژنراتور دارای‌مشخصات در مورد شرایط عملکرد قابل قبول‌است. مشخصات در مورد جریان پیشفاز قابل قبول برای یک ژنراتور خاص در “منحنی قابلیت (capability curve)” ارائه‌شده‌است، همانطور که در مثال 7 نشان‌داده‌شده‌است.

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 گرفته‌می‌شود، مناطق زرد قابل‌قبول‌هستند امانرمال‌نیستند و مناطق قرمز امکان‌پذیرنیستند. محور افقی، اندازه جریان راکتیو بار ژنراتور‌است

که‌جریان راکتیو پیشفاز در سمت چپ منحنی قراردارد. محور عمودی وات خروجی ژنراتوراست. اصطلاح “پریونیت per unit ” می‌تواند به عنوان “درصد از توان نامی” خوانده می‌شود. خطوط شعاعی خطوط ضریب توان ثابت‌است. برای این بحث، ما روی ناحیه زرد بلافاصله به سمت چپ مرکز منحنی تمرکزخواهیم‌کرد.

اطلاعات مهم دراین منحنی، شکل منطقه زرد در سمت چپ‌است. توجه داشته‌باشید که مرز چپ این منطقه تقریبا عمودی‌است در حدود 0.2 پریونیت، نشان‌دهنده وضعیت که در آن جریان اصلی راکتیو حدود 20٪ از جریان نامی ژنراتور داده‌شده‌است.

بالاترازاین سطح جریان راکتیو، ژنراتور نا پایدار و خاموش‌میشود. این منحنی به اندازه کافی نماینده ژنراتورهای معمول‌است

 طوری که تعمیم زیر امکان پذیراست:

بعنوان یک قاعده کلی، ژنراتورهاباید با جریان راکتیو  پیشفاز کمتر از 20٪ از حداکثر جریان نامی برای جلوگیری از ناپایداری کار کنند. به طور کلی توصیه می‌کنیم که ژنراتور دارای ظرفیت kVAr حداقل 20٪ توان پیشفازباشد که این قانون 4 را اجرایی‌کند.

توجه‌داشته‌باشید که این قانون ضریب توان را ذکرنمی‌کند. در واقع، نگاه کردن به خطوط ضریب توان در منحنی سازگاری بالا نشان می‌دهد که ضریب توان در مرز ناپایداری به طور گسترده ای متفاوت است، از 0.0 در زمانی که هیچ بار وات وجوددارد، تا حدود 0.97 در بار کامل! این به وضوح در شکل 8 نشان‌داده‌شده‌است.

منحنی به وضوح نشان‌می‌دهد که ژنراتورها با بار سبک تقریبا هر ضریب توانی راتحمل‌می‌کنند، امابا افزایش بار، ضریب توان باید بالاتر از یک مقدار بحرانی حفظ‌شود که در بار کامل برابر با 0.97 می‌شود. این‌یک نکته ی مهم‌رانشان‌می‌دهد: بعید‌است که مشکل نا پایداری در یک مرکز داده بارگیری‌شده به صورت سبک‌روی‌دهد. همچنین توضیح می‌دهد که چرا یک سیستم ژنراتور مرکز داده ممکن‌است برای سال‌ها پایدارباشد و پس از افزایش بار دیتا‌سنتر در طول زمان ، ناپایدارشود.

شکل 8

کمترین ضریب قدرت قابل قبول برای یک ژنراتور به عنوان یک تابع از بار، که در مقداری کمتر از آن ژنراتور خاموش‌می‌شود

توجه‌داشته‌باشید که این منحنی‌های پذیرش شامل سهم جریان‌های هارمونیک‌ها در ضریب توان‌نیست. اگرجریان هارمونیک وجود داشته‌باشد خطوط ضریب توان بر روی منحنی هر دو شکل 7 و 8 نامعتبر‌است و نمی‌توانند مورد‌استفاده‌قرار‌گیرند و تنها درصد جریان پیش فاز تعیین کننده مرز ناپایداری‌است.

این امر منجر به یک نکته مهم‌می‌شود که مسئله ناپایداری نبایداز لحاظ کمیت و فقط مقدار یک ضریب توان مشخص‌توصیف‌داده‌شود، بلکه از لحاظ درصد جریان راکتیو پیشفاز باید توصیف‌شود.

بسیاری از اپراتورهای که این مشکل را تجربه کرده‌اند (یا نگران آن هستند) تلاش‌می‌کنند که از ضریب توان به عنوان معیار اندازه گیری یا طراحی استفاده کنند و به نتیجه گیری‌های اشتباه می‌رسند

یا این‌مسئله آنهارا سردرگم‌می‌کند. برای ادامه این مقاله، بنابراین، ما در مورد مسئله ی کمیت از لحاظ درصد جریان پیشفاز فاز بحث خواهیم‌کرد.

پاورقی4 :

هنگام طراحی یک مرکز داده‌جدید، به فروشنده مولد یا دیزل ژنراتور اطلاع دهید که بارهای IT که ضریب توان پیشفازهستندرادارید تا آنها یک ژنراتور به اندازه درست به عنوان راهی برای جلوگیری از این مسئله‌پیشنهاددهند.

 برای تاسیسات ژنراتور موجود، بعدها دراین مقاله بعضی از استراتژی های‌کاهش ریسک‌راارائه‌می‌کنیم.

مثال

مسئله ناپایداری ژنراتور تنها از اهمیت عملی برخوردار‌است اگر جریان راکتیو پیشفاز بار IT به اندازه کافی بزرگ‌باشد تا از حد جریان پیشفاز ژنراتور بالاتربرود. بنابراین، آموزنده‌است که نمونه‌هایی از تجهیزات فناوری اطلاعات واقعی‌را ببینیم تاببینیم که‌آیا این وضعیت ممکن‌است رخ‌بدهد و چه زمانی این اتفاق می‌افتد.

برای یک مورد تست، ما یک مرکز داده را با یک بار نامی 1MW فرض می‌کنیم. ما‌فرض می‌کنیم که این مرکز داده با ژنراتور توان 2MVA مجهزشده‌است. سپس ما در مرکز داده درصد بار تجهیزات  IT افزایش‌می‌دهیم تا ببینیم چه زمانی ناپایداری ممکن‌‌است‌‌رخ‌دهد. مافرض‌می‌کنیم که‌بارهای IT به طور مستقیم توسط ژنراتور تامین‌می‌شود، بدون مداخله UPS (یا اگر یک یو پی اس وجوددارد، آن bypass است). ما فرض‌می‌کنیم که‌بارهای قابل توجهی دیگر نسبت به بارهای IT برای این مثال وجودندارد (سهم این بارها بعدا در مقاله مورد بحث قرار می‌گیرد).

برای تجهیزات واقعی IT ، تغییرات قابل توجهی در جریان پیشفاز  از دستگاه به دستگاه دیگری وجوددارد. حتی دو سرور با توان نامی 1 کیلو وات هر یک ممکن‌است جریان پیش فاز متفاوت‌داشته‌باشد.

ودر ادامه

باتوجه به‌بحث قبلی، سرورها دارای خازن فیلتر ورودی‌هستند‌که منبع اصلی این جریان پیش فاز‌است. مادریافتیم که دستگاه‌های معمولی IT یک محدوده خازنی از 1 تا 10 میکروفاراد در هر کیلووات از منبع تغذیه نشان‌می‌دهند

وازاین‌مورد برای نمونه مثال ۵  استفاده‌می‌کنیم. فرض بر‌این‌است که منبع تغذیه در 230VAC کارمی‌کند. ما می‌توانیم جریان راکتیو حاصل از این خازن را محاسبه‌کنیم، که با افزایش کیلووات بار IT در مرکز‌داده این جریان نیز اضافه‌می‌شود.

 ما همچنین بایددر نظرداشته‌باشیم که دستگاه‌های‌IT تقریبا همیشه طوری ایجاد‌شده‌اند تا قدرت کمتر نسبت به ظرفیت نامی منبع تغذیه خود را مصرف‌کنند، و مافرض‌می‌کنیم که منبع تغذیه IT تا 40 درصد از توان نامی‌بارگیری‌شده‌است

شکل 9‌نشان‌می‌دهد چگونه جریان پیشفاز با اضافه شدن دستگاه‌های IT‌  در مثال افزایش‌می‌یابد. هنگامی‌که جریان پیشفاز راکتیو به 20٪ از توان ژنراتور می‌رسد، ژنراتور‌ناپایدارخواهدشد.

توجه‌داشته‌باشید که دراین مثال، منحنی‌ها برای 2 و 5  در کیلووات هرگز به حد جریان 20٪ پیشفازی نمی‌رسند و همیشه پایدارخواهندبود.

پاورقی 5:

اگرچه ما بر اساس نمونه گیری معتقدیم که 98٪ از منابع تغذیه  IT ظرفیت خازنی در این رنج را نشان می‌دهد، اما منبع تغذیه با ظرفیت خازنی بزرگتر یا کوچکتر می تواند وجودداشته‌باشد.

ما گمان‌می‌کنیم که چند مدل سرورهای بسیار کوچک ممکن‌است ظرفیت خازن غیر معمول یا بزرگتری رانشان‌دهند. بنابراین، اگر تعداد زیادی سرورهای کوچک از همان نوع استقرارداده‌شوند، توصیه می‌شود که آزمایشات برای تعیین مقدار واقعی خازن انجام‌شود، و ازفرض کردن یک ظرفیت خازنی جلوگیری‌شود. روش‌های آزمایشی در این مقاله شرح‌داده‌شده‌است.

پاورقی6:

امکان‌ایجاد معماری مرکز داده وجوددارد که در آن هر منبع تغذیه از هر دو مسیر هرگز به یک ژنراتور وصل نشود. این در بخش بعد در مورد راه حل ها‌بحث‌شده‌است.

شکل 9

جریان پیشفاز اعمال‌شده به یک ژنراتور با یک مسیر واحد مرکز داده به عنوان یک تابع از بار IT، برای ویژگی‌های مختلف خازن IT.

شکل 10

جریان پیشفاز اعمال شده‌به یک ژنراتور در دو مسیر مرکز داده به عنوان یک تابع از بار IT، برای ویژگی‌های‎‌مختلف خازن تجهیزات IT.

در مورد  سیستم با مسیر دوگانه، امکان جریان پیشفاز بیش از 20 درصد جریان نامی ژنراتور در همه موارد‌اتفاق‌می‌افتد(درواقع ناپایداری) به غیر ازحالتی‌که خازن تجهیزات  IT ۲ میکروفاراد در کیلووات باشد. اگر دستگاه های IT ظرفیت خازنی  10 میکروفاراد در کیلو وات داشته‌باشند، در این صورت، اگر برق منابع تغذیه و تجهیزات IT  از طریق ژنراتور تامین شود مرکز‌داده نمی‌تواند 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 می‌یابد. به طور خاص، اگر سرورها از ظرفیت قدرتشان کمتر از 40 درصد استفاده کنند، مشکل بدتر می‌شود. اگر ژنراتور به ظرفیت نامی IT نزدیک تر باشد، مشکل بدتر می‌شود. با این حال، اگر بارهای دیگری که ضریب توان پیش فاز ندارند مانند سیستم‌های تهویه مطبوع و روشنایی به  ژنراتور وصل شوند ،وضعیت بهبود پیدا می کند

از این مثال می‌توان نتیجه گیری‌های زیر را بدست آورد:

• نا پایداری ژنراتور به علت ضریب توان پیشفاز یک مشکل واقعی‌است .که تمام مراکز داده باید در نظر بگیرند و اقداماتی برای جلوگیری از آن انجام دهند
• مرکز‌داده بارگذاری شده زیر 20٪ از بار IT تقریبا همیشه پایدار خواهد بود
• مرکز‌داده 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 زیاد‌است
• 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 دستگاه‌های  IT مشخصات خازن ورودی را منتشر نکنند، اغلب ممکن‌است

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 می‌شود (فرض ایمن، بدترین حالت)، ممکن‌است که بدترین حالت (بزرگترین) مقدار برای خازن در هر کیلووات به دست آورد . بهتر‌است 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 می‌یابد. با توجه به ضریب توان گزارش‌شده یا اندازه‌گیری‌شده در منبع تغذیه در بار 50٪ نامی، مانند آنچه که توسط 80PLUS® ارائه شده‌است،

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 اندازه‌گیری شده در ۵۰ درصد بار

بیان خازن درمیکروفاراد در کیلووات مقدار خازن را عادی سازی میکند و اجازه می‌دهد تادرصد جریان راکتیو پیشفاز برای هر کیلووات به راحتی با استفاده از شکل های ۹ و ۱۰ محاسبه‌شود،

ادامه

که برای نسل های اخیر منبع تغذیه، مقدار میانگین حدود 2-10uF در کیلووات‌است. داده های منتشر شده همچنین نشان‌می‌دهد که منبع تغذیه برق کوچکتر به طور کلی دارای ظرفیت خازنی بالاتر در هر کیلووات‌می‌باشد.

به طورکلی، این نشان‌می‌دهد که یک مرکز‌داده با تعداد بسیار زیادی از سرورهای 1U بیشتر احتمال‌دارد نسبت به یک مرکزداده‌ای دارای‌همان وات بار از سرورهای بزرگتر با در مدار قرار گرفتن ژنراتور ناپایدارشود.

دانستن ظرفیت خازن در کیلووات یک منبع تغذیه، بخش مهمی از پیش بینی میزان جریان پیش فاز منابع تغذیه‌میباشد. ظرفیت خازنی منابع تغذیه‌می‌تواند به سایر معیارهای مناسب مانند جریان راکتیو در هر سرور یا جریان راکتیو در هر کیلو وات ساعت تبدیل‌شود. ریاضیات این محاسبات در اینجا ارائه‌نخواهدشد.

ارزیابی خطر نا پایداری

خطرناپایداری را می‌توان برای یک مرکز‌داده در حال‌کار موجود و یا در صورت توسعه آن مورد ارزیابی قرارداد و حتی‌می‌توان برای مراکز داده‌ای که هنوز درمراحل برنامه ریزی قراردارند مورد ارزیابی قرارداد. فرایند برای هر یک متفاوت‌است.

ارزیابی ریسک خطر نا پایداری ژنراتور در یک مراکز داده ی در حال‌کار  

برای ارزیابی ریسک خطر نا پایداری ژنراتور در یک مراکز داده ی در حال‌کار  ، لازم‌است که جریان پیشفازی را که ژنراتور باید تامین‌کند راتعیین‌کرد، و سپس آن را با محدودیت موجود مقایسه‌کنید (که به طور معمول 20٪ از توان بار کامل ژنراتور‌است). بهترین‌راه برای انجام این کار‌این‌است‌که درواقع این جریان را اندازه گیری‌کنید، امااین به طور معمول عملی نیست، زیرا ممکن‌است ابزار دقیق برای اندازه گیری وجود نداشته باشد و ابزار دقیق اغلب قادر به اندازه گیری های لازم‌نباشد.

اگر پیشنهادشده که اندازه گیری در طول یک آزمایش ژنراتور انجام‌شود، به یاد داشته‌باشید که بارژنراتور در طول آزمایش ژنراتور معمولا UPS‌است و نه بار IT در طول آن آزمایش. هیچ سیستم UPS شناخته‌شده ای به اندازه کافی از جریان پیش فاز برای تأثیر بر یک ژنراتور تولید‌نمی کند، بنابراین ژنراتورها همیشه این آزمون را بدون نا پایداری انجام‌می‌دهند.

این‌حالت هرگز‌اتفاق‌نیفتاده‌باشد. بنابراین، اتصال یو پی اس به صورت بایپس زمانی که ژنراتور در مدار‌است و بار را تامین می‌کند ممکن‌است باعث ناپایداری‌شود و این روش پیشنهاد‌نمی‌شود. در یک مرکزداده عملیاتی ما باید سعی‌کنیم جریان پیشفاز تجهیزات IT را در خروجی یو پی اس اندازه گیری‌کنیم

و سپس قبل از اعمال بار IT به ژنراتور بدون یو پی اس مطمئن‌شویم که از حد مجاز آن کمتر‌است. اگر UPS جداگانه ای با باس های  خروجی جداگانه متصل به یک ژنراتور وجود‌داشته‌باشد این اندازه گیری ممکن است‌پیچیده‌باشد .

و در ادامه

مشکل اکثر دستگاه‌های‌اندازه گیری‌ها‌این‌است که آنهاهردو جریان هارمونیک و راکتیو را با هم‌اندازه گیری‌می‌کنند وبنابراین دقیقا جریان‌های راکتیو را گزارش‌نمی‌دهند مگراینکه جریانهای‌هارمونیک صفرباشند. متاسفانه، بسیاری از مرکز‌داده ها‌به اندازه کافی جریان هارمونیک‌دارند

تابه اندازه کافی روی اندازه گیری تاثیربگذارد. دستگاه های اندازه گیری که توان راکتیو Reactive را گزارش‌می‌کنند معمولا مقدار جریان پیشفازمورد نیاز ما  را در این مورد به خصوص‌گزارش‌نمی‌دهند مگر آنکه به طور مشخص‌تعیین کنندکه آنها تنها مقدار فرکانس اصلی یا فرکانس پایه را گزارش‌می‌دهند

یا گواهی‌شده‌است که تعریف رسمی توان راکتیو را که در استاندارد  IEEE Standard Dictionary 100-1996 تعریف‌شده‌است را پشتیبانی‌می‌کنند. اگردستگاه های برق “ضریب توان جابجایی (displacement power factor)” را گزارش‌کنند، پس ازآن میتوان برای محاسبه جریان راکتیو استفاده‌کرد.

کلید این‌است که اطمینان حاصل‌شود که مقادیر اندازه گیری هارمونیک ها را در نظر نمی‌گیرد 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 انجام‌نمی‌دهند،

بنابراین برای اطمینان از صحت اندازه گیری تجهیزات اندازه گیری را دوباره چک‌کنید که می‌توانند توان راکتیو را بدون در نظر گرفتن هارمونیک ها‌اندازه گیری‌کنند .

پاورقی 7 :

پیاده‌سازی درست فنی محاسبات توان راکتیو در سیستم های الکترونیکی با هزینه معقول سخت‌است. این به طور معمول نیاز به پردازش پیچیده DSP‌دارد. بیشتر اندازه گیری‌ها از روش‌های ساده برای محاسبه توان راکتیو یا جریان استفاده‌می‌کنند جریان راکتیو را با وجود هارمونیک بیشتر نمایش‌می‌دهند

نمونه‌هایی از دستگاه‌های اندازه گیری‌که ضریب توان جابجایی را به درستی گزارش‌می‌دهند  PowerLogic® PM820, PM850, and PM870 (Figure 12) (شکل 12)‌است. دستگاه اندازه گیری ممکن‌است به طور موقت یا دائمی برای اندازه گیری‌های مورد نیاز نصب‌شود.

شکل 12

دستگاه اندازه گیری قدرت قادر به اندازه گیری ضریب توان جابجایی

اغلب امکان پذیر نیست که در یک نقطه تمام بارها اندازه‌گیری‌شود .جریان‌های راکتیو را می توان به طور جداگانه در قسمت های مختلف مرکز‌داده اندازه گیری‌کرد و با هم جمع‌کرد. اگر ضریب توان جابجایی اندازه‌گیری‌شود، این اندازه گیری‌ها ابتدا باید به جریان‌های راکتیو تبدیل‌شوند و سپس با هم جمع‌شوند.

 اندازه‌گیری ریسک در مراکز‌داده برنامه ریزی‌شده 

در مرکز‌داده‌ای که در مرحله برنامه ریزی‌است، امکان پذیرنیست. با این وجود، ممکن‌است نتیجه گیری در مورد حساسیت توان راکتیو پیشفاز ژنراتور اصلی سیستم ژنراتور امکان پذیر‌باشد

اول از همه، ممکن‌است از طریق طراحی، به شدت ریسک نا پایداری را کاهش‌داد.

به عنوان مثال، یک سیستم مسیر دوگانه می‌تواند طراحی‌شود به‌طوری که این ترکیب در عملیات نرمال یا تعمیر و نگهداری امکان پذیرنباشد. به عنوان مثال، اگر سیستم های یو پی اس درهردو مسیر به طور خودکار و یا دستی بایپس می‌شوند، سیستم‌می‌تواند اینترلاک شود‌به‌طوری که در زمان نگهداری هر دو مسیر به یک ژنراتور متصل‌نشود. این فقط یک نمونه‌است و معماری‌های مختلف‌ممکن‌است‌رویکردهای‌متفاوت‌داشته‌باشند.

علاوه براین، یک مرکز‌داده برنامه‌ریزی‌شده می‌تواند اطمینان‌حاصل‌کند که دستگاه‌های اندازه گیری‌ها مناسب برای اندازه گیری جریان  راکتیو(با استفاده از نوع صحیح اندازه گیری) نصب‌شده‌اند و اگر جریان راکتیو پیشفاز به مقداری به نزدیکی‌مقدار آستانه نا پایداری ژنراتوررسید سیستم اخطار مناسب‌رابدهد.

تا علاوه بر این، یک مرکز‌داده برنامه ریزی شده‌می‌تواند میزان قابل قبول ظرفیت خازن تجهیزات IT را محاسبه و سیاست‌هایی را که شامل دستگاه‌های با ظرفیت خازنی بالاباشد یا نصب دستگاه‌های با ظرفیت خازنی بالا محدودکند. بعنوان مثال یک سیاست که بیان‌می‌کند که هرنوع دستگاه شامل 10٪ یا بیشتر از کل بار مرکز‌داده باید ظرفیت خازنی کمتر از 5uF در کیلو وات‌داشته‌باشد و منبع تغذیه در این دستگاه‌ها نباید به شدت اورسایز شده‌باشد یا بدون استفاده‌باشند

حل مشکل در صورت در حال کار بودن دیتا‌سنتر

ممکن‌است‌مشخص‌شود که باید اقداماتی برای اصلاح شرایط ناپایدار جاری انجام‌شود یا اینکه اطمینان حاصل‌شود که مرکز‌داده در آینده در شرایط نا مطلوب قرارنمی‌گیرد. گزینه‌هایی برای حل وضعیت‌های موجود ابتدا مورد بررسی قرارمی‌گیرند،

وسپس برخی از گزینه‌های اضافی برای جلوگیری از مشکلات آینده نیز اضافه‌می‌شود. بسیارمهم‌است که توجه‌داشته‌باشیم که تمام مراکز داده نیاز به اصلاح‌ندارند، بنابراین مقابله با آن ضروری‌نیست

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) مطمئن‌است. در حالت ایده آل، دستگاه‌های  IT با بالاترین میزان خازن در هر کیلووات ابتدا باید حذف‌شوند.

توجه‌داشته‌باشید که پروژه های مجازی سازی  IT معمولا بار را کاهش‌می‌دهند 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 بین‌ببرند.

نصب یک بار القایی 

یک لود بانک القایی گروهی از سیم پیچ های القایی است که روی باس ژنراتور قرارمیگیرند . این لود بانک القایی یک مقدار ثابت جریان پس فاز است‌که می‌تواند 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 استفاده‌شود. 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 استفاده‌قرارگیرد.

همچنین ممکن‌است یک لود بانک القایی الکتریکی که دارای سوئیچ های اتوماتیک است، نصب‌شود،که در صورت نیاز برای اضافه‌کردن 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 تغييرکند، سپس سیم پیج های القایی به صورت طبقه ای  در مدرا قرارمی‌گیرند و یا از مدار خارج‌می‌شوند 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 دشوار‌است.

ادامه

یک برنامه عملیاتی این است که دو لود بانک القایی تغذیه شده با سوئیچ را به صورت دستی تغییرداده، به طوری که هنگام استفاده با یکدیگر، آنها ثبات سیستم را تضمین‌می‌کنند. به عنوان مثال، دو بار القایی، یکی با توان نامی  5٪ و یکی با توان نامی 10٪ از توان نامی ژنراتور می تواند مورداستفاده‌قرارگیرد

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 مرکز‌داده تغییر داده شود. بسته به تجزیه و تحلیل ریسک ممکن‌است

لود بانک های القایی کوچکتر ممکن باشد. چنین بارهای القایی سوئیچ دار ممکن‌است موجود نباشد اما می توان برای هر مشتری ساخت.

نگرانی در مورد بانک‌های بار القایی زمانی است که آنها برقدار‌می‌شوند. به طور کلی، یک لود بانک القایی الکتریکی ممکن است به علت اشباع مغناطیسی یک جریان هجومی داشته‌باشد، مگر اینکه به طور خاص با هسته بیش از حد بزرگ طراحی‌شود

تا هرگز اشباع‌نشود (که به میزان قابل توجهی به هزینه و وزن اضافه‌می‌کند). بنابراین، مطلوب است که یک بار در بالای هر یک از مدارهایی که ممکن‌است به صورت خودکار روشن‌شوند وصل‌شود. مکان ایده آل برای یک لود بانک القایی، درست در خروجی ژنراتوراست.

و همچنین

گاهی اوقات پیشنهاد‌می‌شود 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 فرض‌می‌کند

که لود بانک القایی مشکلات مربوط به یو پی اس را با ضریب توان پیشفاز حل می‌کند. لازم به ذکر است که برخی از مشکلات که سیستم های UPS ممکن است با ضریب توان پیشفاز داشته‌باشند،

عمدتا از سوی دیگر اثرات ناشی از وجود خازن‌ها در بار ایجاد‌می‌شود و این خازن ها هنوز هم وجود‌دارند و هنوز هم می‌توانند بر UPS تاثیر بگذارند حتی زمانی که یک لود بانک القایی الکتریکی نصب‌شد.

قرار‌دادن لود بانک‌های القایی در پایین UPS، لود بانک را در شرایط مختلف سوئیچینگ، از قبیل بایپس کردن، ، که می‌تواند شرایط گذرا نامطلوب را ایجادکند،

مگر اینکه لود بانک القایی به طور خاص طراحی‌شده‌باشد تا به علت اشباع نا جریان هارمونیکی نداشته‌باشد.

پاورقی9:

مشکل جرقه‌زدن سوئیچ‌ها می‌تواندبه علت خازن‌ها در بارهای  IT باشد. این به دلیل ظرفیت خازنی و ربطی به ضریب توان ندارد. بنابراین، اصلاح ضریب توان این مشکل را حل‌نمی‌کند.

یک سیستم اصلاح ضریب توان الکترونیکی را نصب کنید .

این یک دستگاه‌است که به عنوان یک فیلتر فعال شناخته‌می‌شود، که قادر‌است ضریب توان را اصلاح‌کند و از انتقال هارمونیک‌ها به  منبع قدرت جلوگیری‌کند. بسیاری از مدل‌ها حالت‌های عملیاتی مختلفی را ارائه‌می‌دهند

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 آنجاکه آنها به طور مداوم ضریب توان را تصحیح‌می‌کنند، هیچ بررسی دائمی لازم‌نیست. آنها نیز بسیار کوچکتر و سبکتر از لود بانک های القایی هستند.

شکل 13

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

این دستگاه برای حالتی مناسب‌است

که‌می‌خواهیم هم هارمونیک و هم جریان پیش فاز را کنترل کنیم. فیلترهای فعال مزایای بیشتری نسبت به لود بانک‌های ااقایی غیر‌فعال‌دارند اما هزینه بیشتری هم‌دارند؛

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 می‌باشد.

شناسایی تجهیزات IT ‌که خیلی مشکل زا هستند و آنها را جایگزین‌کنید

خازن در دستگاه های IT به طور قابل توجهی متفاوت‌است. در بعضی از مراکز‌داده، استقرار وسیع دستگاه خاص با ظرفیت خازنی بالا، ممکن‌است

بخش قابل توجهی جریان پیش فاز خازنی تولید‌کنند. اگر این نوع دستگاه را‌می‌توان شناسایی‌کرد، این دستگاه ها را با دستگاه هایی که ظرفیت خازنی کمتری‌دارند

جایگزین‌کنید. این ممکن‌است به راحتی در طول تعمیرات‌انجام‌شود

گزینه‌های بالا لیستی از گزینه ها برای اصلاح جریان پیش فاز که می‌تواند‌به نا پایداری ژنراتور منجرشود،

شامل می‌شود. هنگامی که مرکز‌داده هنوز طراحی‌نشده‌است، یا هنگامی که مرکز‌داده هنوز به یک شرایط بحرانی نرسیده‌است،

گزینه های‌اضافی زیر نیزدر دسترس‌هستند:

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

 هنگام انتخاب سازندگان برای هر دستگاه IT که ممکن‌است

در مقادیر زیاد در مرکز‌داده‌مستقر‌شود، خازن ورودی را به عنوان معیار انتخاب درنظربگیرید.

ازآنجا که خازن یک پارامتر مشخص‌نیست، ظرفیت کم خازن از طریق آزمون ارزیابی و پذیرش یا تضمین عملکرد توسط فروشنده سرورایجاد‌می‌شود.

حداکثر مقدار ۴ میکروفاراد در کیلووات برای منبع تغذیه که توسط اندازه گیری یک ضریب توان 0.99 در 50٪ بار نامی تضمین‌می‌شود، می‌تواند هدف عملی خوبی برای انتخاب‌باشد

اجتناب از استفاده از مقادیر بسیار زیادی از سرورهای کوچک

دستگاه‌های 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 استفاده‌نمیکند دارای ظرفیت خازنی پایین تری‌است.

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

 انواع معماری مسیر دوگانه در طراحی مرکز‌داده مورد استفاده‌قرارمی‌گیرند. در بیشتر طرح ها، دستگاه های IT درای ۲ منبع تغذیه‌هستند  که بار IT را به اشتراک‌می‌گذارند

و طوری طراحی  می شوند، که اگر یک مسیر از بین‌رفت ، مسیر دوم می‌تواند کل بار IT را تامین‌کند. اغلب این بدان معنی‌است که یک مسیر ممکن‌است ناگهان ۲ برابر تحت بار بارگذاری‌قرارگیرد،

اما هر دو مسیر به منابع قدرت متصل متصل‌است. بنابراین، تحت این حالت ، ظرفیت خازنی بدون تغییراست، حتی اگر قدرت بار دو برابرشود. با اینحال، در بسیاری از طرح‌ها حالت‌هایی‌وجوددارد

که درآن هر منابع تغذیه در هر دو مسیر ممکن‌است به یکی از مسیرهامتصل‌شود؛

شایع ترین علت این امر، عمل کردن یک ” cross-tie ” در مسیرهای‌قدرت‌است. هنگامی که یک cross-tie  فعال‌می‌شود،

نتیجه

مشکل ناپایداری ژنراتور در مراکز‌داده توضیح‌داده‌شده‌است و نشان‌داده‌شد

که از طریق جریان‌های راکتیو پیشفاز تولید‌شده توسط دستگاه های IT این مشکل‌ایجاد‌می‌شود.

در شرایط عملیات عادی، نا پایداری تقریبا هرگز اتفاق‌نمی‌افتد،

زیرا یک UPS بین ژنراتور و دستگاه‌های  IT وجود‌دارد که ژنراتور را از جریان راکتیو پیشفاز محافظت‌می‌کند.

این مشکل زمانی اتفاق‌می‌افتد که دستگاه‌های  IT به طور مستقیم به ژنراتور متصل‌می‌شوند،

مانند زمانی که UPS در حال بایپس‌کردن یا UPS از مدار برای نگهداری خارج‌شده‌است. بنابراین، نا پایداری‌ممکن‌است

خود راتا زمانی که یک رویداد گذرا و یا در طول عملیات تعمیر و نگهداری خوش رانشان‌ندهد

و هزینه‌ی زیادی‌تحمیل‌کند.

برای ناپایداری ژنراتور و راهبردهای جلوگیری ازاحتمال ناپایداری را‌فراهم‌می‌کند.