شناخت و درک ضریب توان، ضریب اوج، ضریب موج [1]
مقدمه
سه اصطلاح ضریب توان (Power Factor)، ضریب اوج (Crest Factor)، ضریب موج (Surge Factor) سه مفهوم متفاوت را در مرکزداده بیان می‌کنند که ارتباط چندانی باهم ندارند. این ویژگی‌ها معمولا برای سیستم‌های UPS مشخص می‌شوند و گاهی نیز مشتریان آن‌ها را در مشخصات می‌آورند.
ضریب توان (Power Factor)
کمیت ضریب توان در برآورد مشخصات UPS و تجهیزات توزیع برق نقش مهمی دارد. «توان» معیار اندازه‌گیری مقدار انرژی تامین‌شده است و در مدارهای برق مستقیم (DC) به‌شکل حاصل‌ضرب ولت در آمپر (توان = ولت × آمپر) بیان می‌شود. این مقدار در سیستم برق متناوب (AC) پیچیده‌تر است. زیرا امکان دارد مقداری از جریان متناوب (آمپر) پس از جریان یافتن در مدارِ مصرف بازگردد و بدین ترتیب هیچ مقدار از انرژی را منتقل نکند. چنین جریان‌هایی با نام راکتیو (Reactive) و هارمونیک (Harmonic) شناخته می‌شوند [2] و نوعی توان «ظاهری» (ولت × آمپر) ایجاد می‌کنند که از مقدار مصرف واقعی برق بیشتر است. مفهوم ضریب توان از اختلاف میان توان ظاهری و توان واقعی پدید می‌آید: ضریب توان برابر است با نسبت توان واقعی بر توان ظاهری. توان ظاهری را با ولت‌آمپر (VA) و توان واقعی را با وات (W) بیان می‌کنند [مطالعهٔ بیشتر]. بنابراین توان واقعی سیستم AC نیز همان حاصل‌ضرب مقدار ولت‌آمپر در ضریب توان است.
تفاوت میان توان ظاهری (ولت‌آمپر) و توان واقعی (وات) در بسیاری از انواع تجهیزات الکتریکی چندان اندک است که می‌توان آن را نادیده گرفت؛ ولی مقدار آن در بعضی از کامپیوترها زیاد است و اهمیت دارد. بسیاری از کامپیوترهای شخصی بار غیرخطی به منبع تغذیهٔ متناوب اعمال می‌کنند. علت آن است که طراحی منبع تغذیهٔ این کامپیوترها از نوع «سویچ ورودی خازنی» [3] است. پژوهش مجلهٔ PC ثابت میکند که ضریب توان کامپیوترهای معمول شخصی در حدود ۰٫۶۵ است. این یعنی توان ظاهری (ولت‌آمپر) چنین سیستم‌هایی از توان واقعی (وات) آن‌ها ۵۰ درصد بیشتر است!
تجهیزات فاوا از جمله سرور، روتر، هاب، همچنین سیستم ذخیره‌ساز (Storage System) کمابیش در همهٔ جهان از منبع تغذیهٔ دیگری استفاده می‌کنند که «ضریب توان اصلاح‌شده» [4] نام دارد. این دستگاه‌ها بار خطی به منبع برق متناوب وارد می‌کنند و جریان هارمونیک ندارند. در واقع این‌ها از جمله تجهیزاتی هستند که تمیزترین بارهای شبکهٔ برق را دارند و از بسیاری تجهیزات (همانند لامپ‌های فلورسنت یا موتورهای دور متغیر) جریان هارمونیک کمتری تولید می‌کنند. ده سال پیش‌تر همین دستگاه‌ها نیز همچون کامپیوترهای شخصی بار غیرخطی داشتند. ولی امروزه همگی آن‌ها از قوانین بین‌المللی IEC 1000-3-2 پیروی می‌کنند که منبع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده را اجباری کرده است.
برآورد مشخصات UPS
هر دو مقدار مصرف که توان ظاهری (ولت‌آمپر) و توان واقعی (وات) باشد، برای برآورد سیستم UPS و اطمینان از فراهم‌بودن مقدار کافی ظرفیت خروجی اهمیت دارند. «وات» در UPS بیانگر قابلیت تامین توان و «ولت‌آمپر» بیانگر قابلیت تامین جریان است. بهترین روش در هنگام اجرا آن است که وات UPS متناسب با مقدار وات مصرف تعیین بشود. این موضوع به‌ویژه دربارهٔ اجراهای فاوای بزرگ اهمیت می‌یابد که ضریب توان مصارف در آن‌ها نزدیک به ۱ باشد. اگر دربارهٔ مقدار توان یا ضریب توان ابهام و سردرگمی وجود داشته باشد، هنگامی که می‌خواهیم اطمینان یابیم UPS به‌خوبی قابلیت تغذیهٔ مصارف را دارد، توان واقعی UPS را باید بزرگ‌تر یا مساوی ولت‌آمپر بار مصرفی در نظر بگیریم. بدین ترتیب حاشیهٔ ایمنی (Safety Margin) فراهم می‌شود که با آن می‌توان از فراهم‌بودن توان مصارف اطمینان داشت.
ضریب توان برای تعیین مدت پشتیبانی باتری UPS مفهوم مهمی است. مدت پشتیبانی باتری (UPS Run Time) را مقدار وات مصرفی تعیین میکند. با این‌همه بسیاری از سازندگان UPS هنگامی که مدت‌زمان را برای پشتیبانی در مصرف کامل ظرفیت بیان می‌کنند، در واقع «توان ظاهری» مصرف را می‌گویند نه «توان واقعی». برای نمونه، UPS با توان ظاهری ۱۰٬۰۰۰ ولت‌آمپری را در نظر بگیرید که مدت پشتیبانی آن در بار (Load) کامل تقریبا ۲۰ دقیقه باشد. در ریز مشخصات این محصول چنین بیان می‌شود که ضریب توان آن در بار کامل ۰٫۶۵ است. در نتیجه مقدار بار تعیین‌شده برای این مدت از پشتیبانی فقط ۶٬۵۰۰ وات است. حال اگر این UPS توان ۹٬۰۰۰ واتی نیز داشته باشد؛ یعنی از ۷۲ درصد (۹٬۰۰۰ ÷ ۶٬۵۰۰) از ظرفیت کامل خود استفاده کرده است. پس مدت پشتیبانی باتری UPS ممکن است در ۷۲ درصد از توان واقعی سیستم، تقریبا تا ۷۰ درصد بیشتر از مدت پشتیبانی در مقدار وات واقعی و کامل طول بکشد. اکنون امکان دارد برخلاف آنچه ادعا می‌شود، پشتیبانی به‌جای ۲۰ دقیقه در مصرف کامل وات تنها ۱۲ دقیقه باشد. برای غلبه بر این سردرگمی باید مطمئن شد که مدت پشتیبانی باتری به‌جای توان ظاهری (ولت‌آمپر) برپایهٔ توان واقعی (وات) تعیین شده است.
سازندگان UPSهای کوچک‌تر اغلب برای محصولات خود تنها مشخصات ولت‌آمپر را بیان می‌کنند. هنگامی که مقدار توان واقعی (وات) معلوم نیست، اطمینان یافتن از اینکه UPS مصرف مشخصی را به‌خوبی تغذیه میکند بسیار دشوار خواهد بود. توان واقعی در بیشتر UPSهای ارزان‌قیمت برابر با ۵۰ درصد از توان ظاهری مشخص‌شدهٔ آن‌ها است. این مسئله موجب سردرگمی می‌شود. برای نمونه، UPS با توان ظاهری ۱٬۰۰۰ ولت‌آمپری نمی‌تواند از مصرف ۶۰۰ واتی پشتیبانی کند. زیرا یا مقدار وات را در مشخصات بیان نکرده‌اند یا در واقعیت تنها ۵۰۰ وات است.
افزون بر اثری که جریان‌های هارمونیک بر ضریب توان می‌گذارند، تاثیرات دیگری نیز در طراحی سیستم برق دارند. مقالهٔ «پژوهشی دربارهٔ جریان‌های هارمونیک مرکزداده» این موضوع را بیشتر بررسی کرده است.
ضریب اوج (Crest Factor)
بعضی از مصارف فاوا افزون بر اینکه ضریب توان کم دارند، دارای ضریب اوج بسیار بالا و غیر معمول هستند. «ضریب اوج» عبارت است از نسبت بیشینهٔ جریان آنی مورد نیاز در مصارف، تقسیم بر جریان RMS (مقدار موثر، نوعی مقدار میانگین) [5]. بیشتر وسایل برقی ضریب اوج ۱٫۴ دارند. (۱٫۴ نسبت بیشترین مقدار موج سینوسی بر RMS است). کامپیوترها و تجهیزات فاوایی که با منبع تغذیهٔ ضریب توان اصلاح‌شده کار می‌کنند، این‌چنین هستند. این مقدار در کامپیوترهای شخصی و سوئیچ‌های شبکه برابر ۲ تا ۳ است.
هرگاه بار (Load) دارای ضریب اوج بیش از ۱٫۴ باشد، منبع تغذیه (UPS) باید از نیاز اوج جریان آن پشتیبانی کند، وگرنه مقدار اضافی اوج جریان موجب اعوجاج شکل موج ولتاژ منبع تغذیه می‌شود. ازاین‌رو است که اگر مشخصات UPS متناسب با پشتیبانی از ضریب اوج مصرف برآورد نشده باشد، شکل موج ولتاژ خروجی UPS اعوجاج پیدا میکند.
الزامات ضریب اوج هریک از مصارف فاوا، بسته به منبعی که آن را تغذیه میکند متفاوت است. تاآنجاکه ممکن است جابه‌جاکردن پریز برق AC هر مصرف فاوا در درون سالن (اتاق) نیز موجب تغییر آن بشود. باور عمومی چنین است که ضریب اوج از ویژگی‌های ذاتی مصارف فاوا است؛ ولی در واقع از تاثیر متقابل میان مصرف و منبع برق متناوب به‌وجود می‌آید. ضریب اوج هر مصرف فاوا بستگی به شکل موج منبع برق متناوب دارد. اگر موج منبع برق به‌شکل سینوسی باشد، ضریب اوج کامپیوتر شخصی بدون ضریب توان اصلاح‌شده معمولا برابر ۲ تا ۳ خواهد بود. اگر موج منبع برق به‌شکل پله‌ای ولی شبیه سینوسی باشد (همانند شکل موج به‌کاررفته در بیشتر UPSهای زیر ۱ کیلووات)، ضریب اوج کامپیوتر میان ۱٫۴ تا ۱٫۹ خواهد بود.
باور فراگیر نادرستی می‌گوید که از نظر کارکرد بهتر است کامپیوترها بالاترین ضریب اوج ممکن را داشته باشند. ولی سازندگان کامپیوتر به‌عکس این نظر همیشه تلاش می‌کنند از ضریب اوج بکاهند. زیرا ضریب اوج بالا در اجزای منبع تغذیه موجب حرارت بیش از حد می‌شود.
کاستن از ضریب اوج در مصارف فاوایی که از UPS یا سرج‌ارستر (صاعقه‌گیر) یا محافظ برق (Power Conditioner) تغذیه می‌شوند کار سودمندی است، مگر اینکه با اعوجاج اضافی در شکل موج ولتاژ ورودی مصرف همراه باشد. چنین اعوجاجی ممکن است اوج ولتاژ تامین‌شده برای مصرف را به‌مقدار چشمگیری کاهش بدهد. این مسئله به تجهیزات الکتریکی آسیب می‌رساند. دستگاه UPS یا محافظ خط برق باید طراحی بشوند تا بتوانند اوج ولتاژ را تا اندازهٔ مناسب تعدیل کنند.
قابلیت ضریب موج در سیستم‌های UPS دارای شکل موج سینوسی معمول (همچون مدل Symmetra ساخت اشنایدر الکتریک یا Smart-UPS) چنین است: برای مصرف کامل در حدود ۳، برای نیمی از مصرف ۴، برای یک‌چهارم مصرف ۸. در مدل‌های معمول دارای موج پلکانی کوچک‌تر نیز (همچون مدل APC Back-UPS) این قابلیت برای مصرف کامل ۱٫۶ و برای نیمی از مصرف ۲ است. سیستم‌های UPS که چنین عملکردی دارند می‌توانند اوج ولتاژ مناسب را در هر مصرف فاوایی و با هر مشخصات ضریب اوج ورودی تعدیل کنند.
سیستم‌های UPS کم‌کیفیت‌تر موجود در بازار قابلیت اوج جریان خروجی محدودی دارند. ازاین‌رو عملکرد ضریب اوج آن‌ها ضعیف است که ولتاژ خروجی کامپیوترهای شخصی را به اعوجاج دچار میکند. این شرایط معمولا PCهای کوچک را خراب نمی‌کند و از کار نمی‌اندازد؛ ولی گروهی از PCهای بزرگ را (همچون مرکز تماس) به اعوجاج چشمگیر شکل موج خروجی UPS دچار میکند. در این حالت جای شگفتی نیست اگر موج خروجی UPS را به‌شکل مربع ببینیم. این وضعیت بسیاری از تجهیزات اداری را خراب میکند و از کار می‌اندازد.
از آنجا که امروزه کمابیش همگی تجهیزات نصب‌شده در مرکزداده از جمله سرور و روتر و دستگاه ذخیره‌ساز با ضریب توان اصلاح‌شده کار می‌کنند، می‌توان گفت مشکل ضریب اوج تقریبا از میان رفته است. اکنون تنها مراکز تماس یا آن مراکز تجاری که دارای تراکم بالایی از کامپیوترهای شخصی هستند این مشکل را دارند.
ضریب موج (Surge Factor)
اصطلاح ضریب موج را اغلب به‌اشتباه به قابلیت صاعقه‌گیری UPS ـ[6] یا دستگاه سرج‌ارستر (Surge Suppressor) ارتباط می‌دهند. اما در واقع چیز متفاوتی است که ارتباطی با این دو ویژگی ندارد. «ضریب موج» ظرفیت اضافه‌بار آنی UPS را بیان میکند. این اصطلاح معیار سنجش قابلیت UPS برای تامین مقدار بار در هنگام روشن‌شدن است؛ یعنی آن توان بیشتری که در آغازبه‌کار به‌شکل گذرا به آن نیاز هست. موتور، کمپرسور، همچنین درایوهای دیسک (Disk Drives) به‌میزان کمتر، نمونهٔ مصارفی هستند که به ضریب موج بالا نیاز دارند.
مقدار نیاز ضریب موج سیستم‌های فاوای معمول که درایو دیسک سخت دارند، تقریبا به‌مقدار ۱٫۱۵ برابر مصرف ثابت و پایدار برق است. مقدار نیاز ذخیره‌ساز داده (Disk Arrays) ممکن است ۱٫۵ برابر مصرف ثابت و پایدار برق باشد.
نتیجه‌گیری
از آنجایی که بیشتر سیستم‌های UPS امروزی «ضریب اوج» و «ضریب موج» را آن‌چنان که باید دارند، کمابیش همهٔ نیازهای مرکزداده را برآورده می‌سازند. به همین دلیل این مسئله در شروط مناقصه چندان مهم نیست و مطرح نمی‌شود.
از سوی دیگر مفهوم «ضریب توان» همچنان دچار بدفهمی است. نادیده‌گرفتن یا استفادهٔ نادرست از آن مشکلات گوناگونی به‌وجود می‌آورد. از جمله: برآورد نادرست به‌مقدار بیشتر از زمان واقعی پشتیبانی باتری UPS، مقایسهٔ نادرست میان مدت پشتیبانی محصولات گوناگون (برای انتخاب یکی از آن‌ها)، برآورد کمتر از مقدار لازم در سیستم‌های UPS.
راهنمایی‌ها و اطلاعاتی که دربارهٔ ضریب توان در این مقاله خلاصه شده است، به از میان رفتن این بدفهمی‌ها کمک میکند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
– APC White Paper 17: “Understanding Power Factor, Crest Factor, and Surge Factor” (Revision 1)
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] مراجعه کنید به مقالهٔ «تاثیر ضریب توان پیش‌افتاده بر ژنراتورهای مرکزداده»:
همچنین مقالهٔ «پژوهشی دربارهٔ جریان‌های هارمونیک مرکزداده» که در باشگاه مراکزداده از یکی‌کردن دو مقالهٔ انگلیسی زیر تهیه شده است و به‌زودی منتشر می‌شود:
– APC White Paper 26: “Hazards of Harmonics and Neutral Overloads” (Revision 1)
– APC White Paper 38: “Harmonic Currents in the Data Center: A Case Study” (Revision 1)
[3] Capacitor Input Switch Mode Power Supply
[4] Power Factor Corrected
[5] RMS کوته‌نوشت Root Mean Square، به‌معنای «مقدار موثر» یا جذر متوسط مربع است که نوعی مقدار میانگین به‌شمار می‌رود.
[6] Surge suppression characteristic of a UPS
درج دیدگاه