پژوهشی دربارهٔ جریان‌های هارمونیک در برق مرکزداده [1]

مقدمه

بارهای غیرخطی در خطوط برق، جریان‌های هارمونیک ایجاد می‌کنند. فرکانس این جریان‌های نامطلوب، در هر دو سیستم ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز، مضربی است از فرکانس پایه. جریان هارمونیک اگر بیشتر از اندازه بشود ممکن است به اضافه‌بار در کابل‌ها و ترانسفورماتورها بینجامد، گرما تولید کند، حتی در وضعیت ویژه باعث آتش‌سوزی بشود. در سیستم برق فاوا، آگاهی‌داشتن از زمان و چگونگی مواجهه با این مشکلات مسئلهٔ بسیار مهمی است. با این حال به‌تازگی تنوع در مصارف این مشکل را کاهش داده است. در این مقاله به مفاهیم وابسته به این موضوع در مرکزداده می‌پردازیم.

بارهای غیرخطی

بسیاری از کامپیوترهای رومیزی شخصی هنوز هم بار غیرخطی (Non-linear Loads) به جریان برق AC وارد می‌کنند. علت آن است که این رایانه‌ها با نوعی از طراحی منبع تغذیه به‌نام «منبع تغذیهٔ سویچ ورودی خازنی» تغذیه می‌شوند که در اصطلاح به آن SMPS ـ[2] می‌گویند. این منبع تغذیهٔ الکترونیکی دارای تنظیم‌کنندهٔ جریان است تا در هنگام تغییر توان الکتریکی کارایی بسیار خوبی داشته باشد. از سویی بسیاری از تجهیزات فاوای امروزی در سرتاسر جهان از جمله انواع سرور، روتر، هاب، همچنین سیستم‌های ذخیره‌ساز از نوع دیگری از منبع تغذیه بهره می‌گیرند. این نوع دارای طراحی متفاوتی است و آن را به‌نام «ضریب توان اصلاح‌شده» یا PFC ـ[3] [مطالعهٔ بیشتر] می‌شناسند. چنین دستگاه‌هایی بار خطی خوب و بدون جریان هارمونیک برای منبع AC فراهم می‌کنند. این‌ها در حقیقت از بهترین تامین‌کنندگان بار تمیز (Cleanest Loads) در شبکهٔ برق هستند و از چیزهای دیگر همچون لامپ فلورسنت یا موتورهای دور متغیر نیز کمتر هارمونیک تولید می‌کنند. تا ده سال پیش همین دستگاه‌ها نیز همانند رایانه‌های رومیزی شخصی بار غیرخطی داشتند. ولی امروزه تدوین قوانین بین‌المللی بیشتر آن‌ها را تغییر داده است و از طراحی ضریب توان اصلاح‌شده استفاده می‌کنند.

قوانین

برخی خواهان کاهش بارهای غیرخطی در سیستم برق AC هستند. ظرفیت توزیع سیستم برق شهری با این‌گونه بارگذاری کاهش می‌یابد و به‌دلیل اعوجاج در شکل موج برق AC از کیفیت برق در مصارف مشتریان کاسته می‌شود. همچنین در این کار بیم آتش‌سوزی وجود دارد.

در دههٔ ۱۹۸۰ میلادی نیروگاه‌های برق و مراجع قانونی بین‌المللی از جمله IEC ـ[4] متوجه روند افزایشی درصد مصرف برق تجهیزات الکتریکی شدند؛ از جمله افزایش درصد مصرف برق آن‌دسته از تجهیزاتی که از SMPS استفاده می‌کردند. روشنایی فلورسنت، سیستم تهویه مطبوع با عملکرد مطلوب، همچنین رایانهٔ شخصی مهم‌ترین تجهیزاتی بودند که موجب این تغییر شدند. در واکنش به این تغییر IEC در سال ۱۹۸۲ استاندارد بین‌المللی IEC 555-2 را با عنوان «اِعمال هارمونیک بر برق ورودی AC» تدوین کرد. این استاندارد به‌روشنی اعمال جریان‌های هارمونیک را با تجهیزات «غیر تخصصی» محدود می‌کند. سوئیس و ژاپن و دیگر کشورها اندک‌زمانی پس از انتشار این استاندارد آن را پذیرفتند. در آغاز در اواسط دههٔ ۱۹۸۰ میلادی تولید‌کنندگان جهانی محصولات فاوا برای فروش به این کشورها دچار مشکل شدند. این وضعیت به توسعهٔ فناوری منبع تغذیهٔ PFC شتاب داد.

IEC در سال ۱۹۹۵ نسخهٔ به‌روزشده‌ای از استاندارد IEC 555-2 را به‌نام IEC 1000-3-2 منتشر ساخت. دامنهٔ کاربرد استاندارد در این نسخه آشکارا از نسخهٔ پیشین گسترده‌تر شد تا دربرگیرندهٔ همگی تجهیزاتی باشد که برای مصرف جریان برق تا ۱۶ آمپر در فاز طراحی شده‌اند. این استاندارد به هر دو شکل مطلق و درصدی بر مقادیر جریان هارمونیک در تجهیزات دارای SMPS که بار غیرخطی دارند، محدودیت بیشتری اعمال کرده است. علاوه بر ایالات متحده و شورای اروپایی (EC) ـ[5] کشورهای بسیار دیگری نیز این استاندارد را پذیرفتند. چندی پس از آن در ۱۹۹۵، شورای اروپایی نسخهٔ ویژهٔ این استاندارد را با عنوان EN61000-3-2 منتشر کرد و سازندگان تجهیزات را وادار ساخت تا با «دستورالعمل‌ EMC» از آن پیروی کنند. EMC به سازندگان تا سال ۱۹۹۸ مهلت داد که طراحی محصولات خود را با استاندارد سازگار سازند. این مهلت تا اول ژانویهٔ ۲۰۰۱ تمدید شد.

تا ۱۹۹۵ کمابیش همگی تجهیزات فاوای جدید که برای شبکه و ارتباطات عرضه شده بودند، با استاندارد IEC 1000-3-2 سازگار شدند. هرچند تمام کشورها بی‌درنگ آن را نپذیرفتند، این استاندارد در برابر کارخانه‌هایی که هنوز از آن پیروی نمی‌کردند عامل بازدارندهٔ تجاری قدرتمندی بود. سرانجام تولیدکنندگان تجهیزات اصلی فاوا [6] تقریبا در سرتاسر جهان IEC 1000-3-2 را به‌عنوان استاندارد یکپارچه‌سازی تجهیزات اصلی پذیرفتند. این قانون توانست کمابیش تمامی صنعت فاوا را وادار کند تا پیش از پایان مهلت (۱۹۹۸ و سپس ۲۰۰۱) به‌خوبی با این استاندارد سازگار شوند.

در ایالات متحده اصلاحیه‌ای از این استاندارد با عنوان «اصلاحیهٔ ۱۴» پیشنهاد شده است. سخت‌گیری این نسخه کمتر و هارمونیک مجاز در آن بیشتر است. روشن نیست کدام کشورها این اصلاحیه را خواهند پذیرفت. ولی اکنون هیچ سازنده‌ای بدون داشتن استاندارد EN61000-3-2 نمی‌تواند محصولات خود را در شورای اروپایی و بسیاری از دیگر کشورها به‌فروش برساند. آمریکا هنوز به‌شکل رسمی آن را نپذیرفته است. با این‌همه تجهیزات فاوای امروزی را طوری طراحی می‌کنند که در همه‌جای دنیا بتوان از آن‌ها استفاده کرد. به همین دلیل پیروی از استاندارد IEC و دریافت نشان CE ضروری است. اکنون غیر از رایانه‌های شخصی کوچک، تجهیزات فاوا در همهٔ جهان با این استاندارد سازگار شده‌اند. هرچند که هنوز هم در آمریکا رایانه‌های شخصی ناسازگار با این استاندارد به‌فروش می‌رسد. در پنج سال گذشته مقدار هارمونیک در محیط مرکزداده بسیار کمتر شده و دلیل آن تجهیزات جدیدی است که جایگزین تجهیزات قدیمی شده‌اند.

جدول ۱: بازهٔ مجاز هارمونی جریان، مطابق IEC

هارمونیک	بیشینهٔ مجاز هارمونیک به‌ازای هر وات (ma/W)
۳	۳٫۴
۵	۱٫۹
۷	۱
۹	۰٫۵
۱۱	۰٫۳۵
دیگر هارمونیک‌های فرد تا ۳۹	۳٫۸۵/n

 

مشخصات استانداردها در سیستم‌های واقعی

مشخصات زیر برای سیستمی که تجهیزات سازگار با استاندارد IEC 1000-3-2 داشته باشد ضروری است:

1. جریان هارمونیک در مدار نول، با کاهش مرتبهٔ هارمونیک‌ها کاهش یابد. ۲ درصد از هر واحد جریان، از هارمونیک‌های بالاتر از هارمونیک سوم ناشی شود. بدین ترتیب تمامی هارمونیک‌های دیگر در جریان نول غیر از هارمونیک سوم بی‌اهمیت خواهند بود.
2. به‌شکل تئوری، اگر هیچ باری بیشتر از ۶۷۵ وات وجود نداشت، مقدار بیشینه ضریب K در سیستم برابر ۹ باشد. اگر بار از این مقدار بیشتر بود، بیشینهٔ مقدار تئوری ضریب K کاهش یابد. برای نمونه بیشینهٔ مقدار ضریب K در بار ۲ کیلووات، برابر ۳ خواهد بود.
3. به‌شکل تئوری، اگر تمامی مدارها متناسب با بیشترین ظرفیت بارگذاری شدند، اگر هیچ باری بیشتر از ۶۷۵ وات نبود و تمامی بارها جریان‌های هارمونیک سومی ایجاد کردند که در محدودهٔ مجاز قرار داشت، مقدار بیشینهٔ جریان نول حدود ۱٫۷ مقدار جریان نامی فاز باشد. اگر بار از این مقدار بیشتر شد، بیشینهٔ مقدار جریان نول کاهش یابد. برای نمونه، بیشینهٔ جریان نول در بار ۲ کیلووات، کمتر از جریان فاز خواهد بود.

پی‌آمدهای تنوع بار (Load Diversity) در سیستم‌های برق فاوای واقعی

1. «تنوع بار» که در اینجا دربارهٔ آن می‌گوییم، در رک فاوای مرکزداده عبارت است از نسبت طبیعی بارهای خطی (PFC) به بارهای غیرخطی. جریان‌های هارمونیک در مدارهای نول آن‌قدر کاهش می‌یابد که در ورودی‌های چندکابلی و شاخه‌مدارها دیگر نیازی به هادی‌های نول ضخیم نیست.
2. این تنوع بار همچنین ضریب K را در سیستم‌های ترانسفورماتور تا مقدار متوسط و به‌اندازهٔ بسیار کمتر از ۹ کاهش می‌دهد.

جریان هارمونیک در هر سیستم به دلایل زیر از مقدار تئوری آن بسیار کمتر است.

1.  سازندگان بین‌المللی تجهیزات فاوا می‌باید از قوانین هارمونیک‌ها در بازهٔ گسترده‌ای از ولتاژ‌، محصولات مختلف، همچنین بار پیروی کنند. نتیجه آن است که در واقعیت محصولات تولیدشده در وضعیت معمول عملیاتی، بسیار پایین‌تر از بازهٔ تطابق با استاندارد قرار دارند.
2.  بعضی از مصارف، به‌ویژه در آمریکا، به شکل فازبه‌فاز متصل می‌شوند و تاثیری بر جریان نول ندارند.
3.  با اینکه ایالات متحده در پذیرش محدودیت‌های IEC مقاومت می‌کند، مصارف فاوای مرکزداده هرچه بیشتر به بارهای خطی (PFC) تبدیل شده‌اند. تنوع تجهیزات سیستم و تاثیراتی که بر هارمونیک‌ها و نول‌های مشترک دارد، پیش از این برای طراحان ناشناخته بود.

برای آشکار کردن الزامات ضریب K و جریان نول، روی سیستم‌های واقعی آزمون‌هایی انجام شد. برای این کار دو سیستم تست به‌کار رفت. سیستم اول چند گروه از تجهیزات Dell بود؛ شامل چهار سرور گوناگون، یک ذخیره‌ساز نواری، همچنین سیستم ذخیره‌ساز متصل به شبکه. (از برندهای دیگر نیز همین نتایج به‌دست آمد.) تمام مصارف در سیستم دوم از کامپیوترهای شخصی تشکیل می‌شدند. اندازه‌گیری جریان‌های هارمونیک با Fluke Power Line Analyzer انجام شد. ضریب K نیز با استفاده از IEEE Std 1100-1992 محاسبه شد. عامل برآورد ظرفیت تحمل جریان در مدار نول را نیز برای سیستم سه‌فاز بارگذاری کردند تا بیشینهٔ ظرفیت محاسبه شود. نتایج را در جدول ۲ مشاهده کنید.

جدول ۲: نتایج آزمون برای آشکار کردن الزامات ضریب K و جریان نول

	سیستم ۱ فقط تجهیزات شبکه Dell	سیستم ۲ فقط رایانه‌های شخصی	سیستم ۳ ترکیب برابر از تجهیزات شبکه و رایانه‌های شخصی
ضریب K	۱٫۲	۱۱٫۴	۵٫۲
برآوردهای طبیعی (جریان ضروری به‌عنوان درصدی از رسانای فاز)	۸ درصد	۱۰۲ درصد	۴۲ درصد

به تفاوت زیاد میان تجهیزات شبکه و رایانه‌های شخصی در جدول توجه کنید. چنان‌که می‌بینید هرگاه این دو سیستم ترکیب بشوند، ضریب K و مقدار ضروری جریان نول کمتر از وضعیتی می‌شود که در آن تنها رایانه‌های شخصی باشند. این داده نشان می‌دهد ساختن مرکزدادهٔ فاوا با ضریب K به‌مقدار بیشتر از ۵، یا جریان نول بیشتر از جریان فاز غیرممکن است. اگر شبکهٔ فاوا فقط دربرگیرندهٔ کامپیوترهای شخصی باشد، می‌توان ضریب K مورد نیاز را تا ۱۱ افزایش داد. ولی در موارد دیگر برآورد بیشتر از نیاز در جریان نول غیرضروری است.

این مشکل تنها برای کامپیوترهای شخصی نیست؛ زیرا مصارف دیگری همچون لامپ فلورسنت نیز هستند که بار غیرخطی دارند. اکنون با وجود قوانینی که استفاده از تجهیزات با ضریب توان اصلاح‌شده را اجباری می‌کنند، در مراکزداده این مشکل را چندان جدی نمی‌گیرند. توجه داشته باشید که حتی اگر همهٔ پریزها تک‌فاز باشند، بازهم بیشتر ساختمان‌ها از کابل‌کشی سه‌فاز استفاده می‌کنند.

هارمونیک‌ها در ترانسفورماتورهای برق ساختمان باعث اضافه‌بار می‌شوند و آن‌ها را فرسوده می‌کنند

آنچه از ظرفیت ترانسفورماتور می‌کاهد، شیوهٔ تامین برق آن است. گرمای ترانسفورماتور از مقاومت‌ و جریان درون آن تولید می‌شود. هرگاه ترانسفورماتور دستخوش جریان‌های هارمونیک باشد، «اثر مجاورتی» (Proximity Effect) که نباید آن را با «تاثیر جریان گردابی» (Eddy Current) اشتباه کرد، مقاومت موثر دستگاه یا فرکانس آن را افزایش می‌دهد. بدین ترتیب اگر جریان هارمونیک در ترانسفورماتوری زیاد باشد باید ظرفیت آن را کاهش داد، وگرنه گرمای بیش از حد به‌وجود می‌آید و دستگاه را با پوسیدگی عایق‌بندی فرسوده می‌کند. خرابی در ترانسفورماتور اغلب به‌شکل فاجعه‌باری به بخش‌های دیگر تاسیسات اثر می‌گذارد، گازهای سمی منتشر می‌کند یا باعث آتش‌سوزی می‌شود. چنین خرابی‌هایی ممکن است تاسیسات را تا چند روز از کار بیندازد. همچنین پی‌آمدهایی بر سلامت و ایمنی کارکنان دارد.

برای رخ‌دادن این مشکل، سه عامل می‌باید با هم وجود داشته باشند:

1. ترانسفورماتور را نزدیک به بیشینهٔ ظرفیتش بارگذاری کرده باشند. (غیرمعمول)
2. ضریب K ترانسفورماتور ضعیف باشد. (طراحی با اثر مجاورتی بد)
3. بیشتر مصارفی که درون ساختمان هستند، رایانهٔ شخصی باشند.

این یکی از مشکلات محتمل و واقعی است که با نصب PC به‌تعداد زیاد رخ می‌دهد. بازهم تاکید می‌کنیم که این مشکل به‌طور معمول در محیط اداری با PCهای پرظرفیت همچون مرکز تماس رخ می‌دهد. پیش‌تر توضیح دادیم که امروزه مراکزداده چندان با این مشکل روبه‌رو نیستند.

کاهش و جلوگیری از مشکلات هارمونیک

برای جلوگیری از مشکلات هارمونیک چند روش وجود دارد:

1. تعیین‌کردن تجهیزات بدون هارمونیک
2. اصلاح‌کردن هارمونیک‌ها
3. برآورد بیشتر از نیاز در کابل نول
4. به‌کاربردن ترانسفورماتورهای با ضریب K بالا

۱. تعیین‌کردن تجهیزاتی که هارمونیک ایجاد نمی‌کنند

تجهیزات شبکه به‌دلیل رعایت قوانین IEC این مشکل را ندارند. وضعیت دربارهٔ PCها دشوارتر است؛ زیرا بیشتر هارمونیک‌ها را مانیتورها تولید می‌کنند. یک رویکرد برای جلوگیری از مشکلات ترانسفورماتور و کابل‌کشی در ساختمان این است که از PC و مانیتورهایی استفاده بشود که مصرف برق کلی کمتری دارند؛ مانند مانیتور LCD یا لپ‌تاپ.

۲. اصلاح‌کردن هارمونیک‌ها

در بعضی مواقع با به‌کاربردن UPS همراه با تجهیزات می‌توان جریان‌های هارمونیک را اصلاح یا حذف کرد. بعضی از UPSهای تک‌فاز همچون مدل Symmetra هستند که همهٔ جریان نول را حذف می‌کنند. اگر از UPS اصلاح‌کنندهٔ ضریب توان برای تغذیهٔ گروهی از PCها استفاده بشود، مشکلات هارمونیک به بالادست کابل‌های برق ساختمان یا ترانسفورماتورها راه نمی‌یابد. برای مصارف موجود می‌توان این روش را در بازسازی ساختمان اجرا کرد و با انجام این کار مشکلات کابل‌ها و ترانسفورماتورها را نیز برطرف ساخت. برای انواع دیگر مصارف همچون موتورهای بزرگ صنعتی که تحت قوانین هارمونیک نیستند، محصولات ویژه در دسترس است که هارمونیک‌ها را در اطراف منبع برق برطرف می‌کنند.

۳. برآورد بیشتر از نیاز در کابل نول

ظرفیت کابل نول در تاسیسات مدرن باید همواره با ظرفیت کابل‌های برق مساوی یا از آن بیشتر باشد. این وضعیت با قوانین مربوط به برق در تضاد است و ممکن است در کابل نول به استفادهٔ کمتر از ظرفیت بینجامد. هرگاه با بار مصرفی بزرگی همچون مرکز تماس روبه‌رو باشیم که ناشی از رایانه‌های شخصی است، طراحیِ مناسب برای تعیین مشخصات کابل نول ضرورت دارد تا ظرفیت آن از حدود ۵۰ درصد ظرفیت کابل فاز بیشتر باشد.

۴. به‌کاربردن ترانسفورماتورهای با ضریب K بالا

در هر تاسیسات مدرن اداری که تعداد زیادی PC پرظرفیت داشته باشد، ترانسفورماتورها می‌باید ضریب K دست‌کم برابر ۹ داشته باشند. این ترانسفورماتورها ویژهٔ از میان بردن جریان‌های هارمونیک طراحی شده‌اند. برای اینکه بخش قدیمی مرکزداده که مصارف سنتی و رایانه‌های شخصی یا نورپردازی را در خود دارد، قابلیت تحمل هارمونیک‌ها را داشته باشد، مقدار ۹ برای ضریب K کافی است.

جریان‌های غیرخطی نول در مدارهای ۴ کابلی wye بدون تنوع بار

مقدار موثر جریان نول در بارهای غیرخطیِ تعدیل‌شده، با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

هارمونیک‌های مضرب ۳ قابلیت افزودن به جریان نول را دارند و به‌دلیل غالب بودن هارمونیک سوم (۱۸۰ هرتز) این فرمول بسیار ساده شده است.

نتیجه این است که امروزه در طراحی برای رسانای نول در ورودی ۴ کابلی و سه‌فاز wye شاخه‌مدارهای مرکزداده، ظرفیت را تا ۱۷۳ درصد جریان فاز تعیین می‌کنند. اگر ۱۰۰ درصد از مصارف واقعی دارای بار غیرخطی باشند، این طراحی خوب خواهد بود. این روش برای PCهای پرظرفیت با بار غیرخطی پراکنده یا محیط‌های اداری موثر است؛ ولی تنوع مصارف موجود در محیط رک فاوا را در بر نمی‌گیرد.

جریان نول در مدارهای ۴ کابلی wye با تنوع بار

در تنوع مصارف اگر با وضعیتی همچون ترکیب بارهای خطی و غیرخطی مواجه باشیم، می‌توان از فرمول زیر برای محاسبهٔ مقدار RMS کل جریان نول استفاده کرد:

این فرمول تاثیرات بار خطی و غیرخطی را بر رسانای نول لحاظ کرده و تعادل‌نداشتن فاز هر دو بار خطی و غیرخطی را نیز به حساب آورده است. به‌طور کلی استفاده از هارمونیک‌های سوم و نهم کافی است؛ زیرا جریان اصلی هارمونیک همین دو تا هستند.

ضریب توان در مدارهای فاوای مرکزدادهٔ دارای تنوع بار

ضریب توان کلی مداری که تنوع بار دارد، با این فرمول محاسبه می‌شود:

در این فرمول داریم:

DPF = ضریب توان اصلاحی

THD_i = درصد کل اعوجاج هارمونیکی جریان مدار، به‌شکل عدد دو رقمی

نمونهٔ موردی

نمایش تاثیر تنوع بار، بهترین راهکار برای اندازه‌گیری دادهٔ واقعی سیستم است. این داده اندازه‌گیری می‌شود تا ضریب توان‌ها، ترازهای جریان نول، همچنین هارمونیک درون رک‌های فاوا در مرکزداده مشخص بشوند. در پژوهش پیش رو از دو سیستم نصب‌شدهٔ (InfraStruxure™ (ISX نوع B استفاده شده است. در معماری آن‌ها از شاخه‌مدارهای سه‌فاز چندکابلی ۲۰ آمپری (۴ کابل با سیم ارت) استفاده شده تا بتواند به‌خوبی نیاز برق رک‌های پرظرفیت فاوا را تامین کند.

سیستم بررسی‌شده در مرکزدادهٔ OneBeacon در شهر فاکسبرو در ایالت ماساچوست نصب شد. ورودی ترانسفورماتور این سیستم ۶۰ کیلوولت آمپر، K برابر ۱، ورودی آن ۴۸۰ دلتا و خروجی آن 208Y/120 است که برق UPS مدل APC Symmetra™ PX با توان ۴۰ کیلووات را تامین می‌کند. این UPS نیز تابلو برق‌های PDU سه‌فاز را تغذیه می‌کند. سپس ۱۶ رک توسط هر دستگاه PDU و از طریق شاخه‌مدارهای چندکابلی با گواهی UL تغذیه می‌شوند. هر شاخه‌مدار انشعاب چهار کابلی با سیم ارت است با جریان ۲۰ آمپر و 208Y/120 طبق UL که از یک کابل ۵ رسانای 12AWG SOOW سربندی‌شده با L21-20R Cord Cap  استفاده می‌کند. این شاخه‌مدار یک دستگاه توزیع برق سه‌فاز ISX اشنایدر الکتریک با پریزهای ۱۲۰ ولتی را تغذیه می‌کند که در هریک از رک‌ها نصب شده است.

هریک از شاخه‌مدارها از نظر این موارد آزمایش و بررسی شدند: ولتاژ و شکل موج، ضریب توان کلی (PF) ـ[7]، ضریب توان اصلاحی (DPF) ـ[8]، درصد اعوجاج هارمونیکی جریان (THD_i%) ـ[9]، درصد هارمونیک‌های سوم، پنجم، هفتم، نهم، یازدهم، سیزدهم. دو شاخه‌مدار از کل ۴۸ شاخه‌مدارِ تک‌فاز استفاده نشدند و از همهٔ محاسبات این پژوهش حذف گردیدند. در بررسی ویژگی‌های مدارها، سه شکل موج متفاوت مشاهده شد.

موج اول (شکل ۱) مربوط به کلید قدرت ۲ (CB) از فاز B است و بارهای خطی منبع تغذیه (PFC) را نشان می‌دهد؛ مانند سرورها و سیستم‌های دیسک و روترها. معمولا بیشتر بارها در محیط رک فاوای مرکزداده این‌چنین هستند. موج بخش بالایی در شکل ۱ نشان‌دهندهٔ ولتاژ شاخه‌مدار و موج پایینی نشان‌دهندهٔ جریان شاخه‌مدار است.

موج دوم (شکل ۲) مربوط به کلید قدرت ۹ (CB) از فاز C است و بارهای غیرخطی منبع تغذیه را نشان می‌دهد؛ مانند مانیتورها. این بارها معمولا در محیط رک فاوای مرکزداده کمتر هستند.

شکل ۱: شکل موج کلید ۲ فاز B	شکل ۲: شکل موج کلید قدرت ۹ در فاز C	شکل ۳: شکل موج برای کلید ۱ در فاز A

شکل ۴: جدول نتایج بررسی هارمونیک‌ها در مرکزدادهٔ OneBeacon در شهر فاکسبرو (داده)

موج سوم (شکل ۳) مربوط به کلید قدرت ۱ (CB) از فاز A است و تاثیر مثبت ناشی از تنوع بار را نشان می‌دهد. بیشتر بودن نسبت بار غیرخطی به بار خطی را می‌توان در شکل موج مشاهده کرد. این نسبت را همچنین در اندازه‌گیری‌های ضریب توان سیستم و THD می‌توان دید. هنگامی که بارها با ویژگی‌های متفاوت در مدار ترکیب می‌شوند، یکدیگر را افزایش می‌دهند و جریان هارمونیک و شاخص PF جدیدی ایجاد می‌کنند. از آنجا که در این نمونه، زیاد بودن مقدار ضریب توان و تا اندازه‌ای کم‌بودن THD جریان مشاهده می‌شود، می‌توان نتیجه گرفت که بار در این مدار بیشتر خطی (PFC) است. می‌توان «تنوع بار» مدار را به‌شکل نسبت بار خطی به بار غیرخطی تعریف کرد. برای نمونه از بار خطی ۱٬۲۰۰ ولت‌آمپر و بار غیرخطی ۳۰۰ ولت‌آمپر، نسبت ۴:۱ =۳۰۰÷۱٬۲۰۰ به دست می‌آید. تنوع بیشتر از ۱ نشان می‌دهد بارهای خطی بیشتر هستند و آشکارا تاثیر بارهای غیرخطی را کاهش می‌دهند. تنوع صفر به‌معنای باری است که یکسره غیرخطی باشد. تنوع به‌مقدار بیشتر از صفر نیز بیانگر کاهش مشکلات پیش‌گفتهٔ نظریِ مرتبط با ضریب توان کم و جریان‌های هارمونیک است.

نمودارهای زیر از تحلیل دادهٔ خام شاخه‌مدار در جدول بالا ساخته شده است تا وضعیت مدار را بهتر به‌نمایش درآورند.

مدارهای شمارهٔ ۱ تا ۴۸ به قطب‌های کلید قدرت در تابلو برق اصلی PDU مرتبط هستند که در جدول نمایش داده (شکل ۴) نیز می‌بینید. بدین ترتیب مدارهای شماره‌های ۱، ۲، ۳ همان شاخه‌مدارهای چندکابلی متناظر با کلید شمارهٔ ۱ در جدول تحلیل بالا هستند که به‌ترتیب فاز A، B، C نام دارند. این داده نشان می‌دهد که از ۱۶ شاخه‌مدار سه‌فازِ چندکابلی، هیچ‌یک بار متعادل ندارند.

نمودار شکل ۶ نشان‌دهندهٔ بار در هریک از شاخه‌مدارهای مرتبط با جریان هادی ۱۶ آمپری است. اینجا نیز هیچ‌یک از مدارهای سه‌فاز چندکابلی بار متعادل ندارند. بیشترین درصد بار تقریبا ۵۵ درصد است که در شاخه‌مدار شمارهٔ ۴ (کلید شماره ۲ ـ فاز A) مشاهده می‌شود. بار بیشتر مدارها از ۳۰ درصد از ظرفیت رسانا کمتر است.

شکل ۵: جریان‌های پایه (۶۰ هرتز)	شکل ۶: درصد از ظرفیت جریان فاز (۱۶ آمپر)

نمودار شکل ۷ تحلیل درصد کل اعوجاج هارمونیکی جریان (THD_i%) را در هر شاخه‌مدار نشان می‌دهد. می‌توان دریافت که بار بیشتر شاخه‌مدارها کمتر از ۲۰ درصد THD_i است. از مقایسهٔ میان این نمودار با نمودار قبلی، نوعی الگوی توسعه مشاهده می‌شود. در این الگو بارهایی با بیشترین THD_i (یعنی مدارهای ۲۱ تا ۳۳) بعضی از کمترین بارگذاری‌ها را در شاخه‌مدار (یعنی کمتر از ۱۰ درصد ظرفیت مدار) دارند.

نمودار شکل ۸ ضریب توان کلی همهٔ شاخه‌مدارها را نشان می‌دهد. بیشتر بارها دارای ضریب توان ۰٫۹۵ یا بهتر از آن هستند و الگوی همانند با نمودار پیشین دارند؛ بدین معنی که کمترین ضریب توان مربوط به کم‌بارترین مدارها است. ضریب توان کلی سیستم از مقدار متوسط هریک از این ضریب توان‌ها بیشتر است؛ زیرا برپایهٔ این داده، مدارهای با ضریب توان کم جریان کمتری نیز دارند. بدین ترتیب مدارهای دارای ضریب توان کم تاثیر کمتری بر توان راکتیو کلی می‌گذارند.

شکل ۷: درصد اعوجاج هارمونیکی از کل جریان	شکل ۸: ضریب توان کلی همهٔ شاخه‌مدارها

نمودار شکل ۹ مهم‌ترین نمودار برای نمایش خلاصهٔ پی‌آمدهای مرتبط با ویژگی‌های کابل‌های نول است. این نمودار جریان نول را در شاخه‌مدار با ظرفیت ۲۰ آمپر، برای همهٔ ۱۶ شاخه‌مدار چندکابلی نشان می‌دهد. راهنماهای طراحی سنتی پیش‌بینی می‌کنند که این جریان نول به ۱۷۰ درصد ظرفیت می‌رسد. ولی داده نشان می‌دهد، جریان‌ها در اجرای واقعی تقریبا ۲۰ درصد ظرفیت هستند.

افزون بر این، بیشتر منبع جریان نول بررسی‌شده در واقع تعادل‌نداشتن بار بین فازها است و جریان‌های هارمونیک نقشی در آن ندارند. با تکیه به درک و آگاهی از منابع برق فاوای مدرن، چنین نتایجی در تحلیل‌ها قابل پیش‌بینی است. روشن است که مطابق روش سنتی، برآورد بیشتر از نیاز برای کابل‌های نول در این مورد فرض نابجایی است.

شکل ۹: درصد از ظرفیت جریان نول (۲۰ آمپر)

بار فاز سیستم در همگی ۴۸ شاخه‌مدار بررسی‌شده کمتر از ۶۰ درصد و در بیشتر آن‌ها کمتر از ۲۰ درصد است. مدارهای با بیشترین درصد THD_i کمترین بار را دارند. همین مدارها همچنین کمترین جریان نول و پایین‌ترین مقدار ضریب توان را نشان می‌دهند. علت آن است که این مدارها در مراکزداده بیانگر بخش کوچکی از مصارف مدرن فاوا هستند.

تحلیل دادهٔ مدار تغذیهٔ OneBeacon

جدول زیر اثر تنوع بارِ مدارهای تامین برق را از UPS به تابلو برق PDU نشان می‌دهد. همچنین می‌بینیم که جریان هارمونیک در رسانای نول برقرار است. ولی جریان نول را نیز تقریبا به‌اندازهٔ ۴۱٫۷ درصد از کمترین جریان فاز مشاهده می‌کنیم: ۰٫۴۱۷۱۹ =۴۷٫۷÷۱۹٫۹. در این حالت ورودی نول رسانایی است با ویژگی ۱٫۰ AWG ـ[10] و ظرفیت ۱۵۰ آمپر. بنابراین درصد بار در کابل نول کمابیش ۱۳٫۳ درصد از ظرفیت ۱۵۰ آمپر است: ۰٫۱۳۲۶۶ =۱۵۰÷۱۹٫۹. درعین‌حال ضریب توان این بار بسیار زیاد است (با PF حدود ۰٫۹۷ تا ۰٫۹۸). در اینجا نیز همانند شکل موج شاخه‌مدار در کلید ۱ از فاز A، تاثیر مثبت تنوع بار در برق ورودی را مشاهده می‌کنیم.

شکل ۱۰: تحلیل دادهٔ مدار ورودی برق

مصارف محیط رک فاوای مرکزداده و ضریب K

بر اساس دادهٔ اندازه‌گیری‌شده در نمونهٔ موردی پیش‌گفته (OneBeacon) می‌توان ضریب K ضروری سیستم را تعیین کرد. ضریب K برای بار برق ورودی OneBeacon برابر ۱٫۲۵ بود که برای محاسبهٔ آن از مقادیر جریان هارمونیک فاز C استفاده شد.

بر اساس راهنمایی‌های طراحی سنتی، مقدار ضریب K ضروری ۲۱ پیش‌بینی می‌شود؛ ولی داده نشان می‌دهند نیاز واقعی به ضریب K تقریبا ۱ است. با تکیه به درک و آگاهی از منابع تغذیهٔ کامپیوتری مدرن، چنین نتایجی از تحلیل‌ها دور از ذهن نیست. در این مورد تعیین مقادیر بالا برای ضریب K همچون  عدد ۱۵ یا ۲۱، مطابق روش سنتی فرض نابجایی است.

نتیجه‌گیری

ویژگی‌های توان در محیط رک فاوای مراکزدادهٔ مدرن با آنچه در اتاق‌های کامپیوتر سال‌های نخستین دههٔ ۱۹۸۰ میلادی بود بسیار تفاوت دارد. پیشرفت چشمگیر در ضریب توان و هارمونیک تجهیزات فاوا به بهبود ضریب توان کل سیستم و کاهش جریان هارمونیک انجامیده است. اندازه‌گیری واقعی سیستم‌ها این بهبود را تایید می‌کند. هنگامی که ویژگی ضریب K در نصب‌های واقعی حدود ۱ است، در نظر گرفتن ۱۵ یا ۲۱ موجب هزینهٔ غیرضروری می‌شود. هرگاه برآورد ۲۰ درصد بیشتر از ظرفیت مدار در واقعیت برای کابل نول کافی باشد، برآورد ۱۷۰ هزینه را تا ۲۰۰ درصد افزایش می‌دهد. روش‌های سنتی طراحی و تعیین مشخصات سیستم‌های برق مرکزداده می‌باید روزآمد شود تا به نیازهای واقعی مراکزدادهٔ مدرن بپردازد.

قوانین بین‌المللی بر الزامات برق سیستم‌های فاوا تاثیر بسیاری گذاشته‌اند. پیش از این تجهیزات شبکه مسبب مشکلات کیفی برق بودند. همچنین با گرمای بیش از حد در ترانسفورماتورها و کابل‌ها موجب بروز آتش‌سوزی می‌شدند. ولی اکنون در محیط‌های صنعتی و مدرن تجاری از تمیزترین بارها به‌شمار می‌روند. استانداردهای طراحی مرکزداده که ظرفیت کابل‌های نول را به‌میزان دو برابر بیشتر از نیاز تعیین می‌کنند و از ترانسفورماتورهای با ظرفیت K برابر ۲۰ بهره می‌گیرند، هزینهٔ غیرضروری تحمیل می‌کنند و باید روزآمد بشوند.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» است و از یکی‌کردن دو مقالهٔ انگلیسی زیر تهیه شده است:

– 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)

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] Switched-mode Power Supply

[3] Power Factor Corrected

[4] International Electrotechnical Commission: کمیسیون الکتروتکنیکی بین‌المللی

[5] European Council (EC)

[6] Original Equipment Manufacturer (OEM)

[7] Total power Factor (PF)

[8] Displacement Power Factor (DPF)

[9] Total Harmonic Distortion (THD)

[10] American Wire Gauge (AWG)