تاثیر ضریب توان پیش‌افتاده بر ژنراتورهای مرکزداده [1]

مقدمه

بیشتر مراکزداده از ژنراتورهای دیزلی یا گازی بهره می‌برند که برق جایگزین تاسیسات را در هنگام قطع طولانی یا هنگامی که تعمیر و نگهداری با خاموشی برق اصلی همراه باشد تامین می‌کنند. این ژنراتورها دستگاه‌های بادوامی هستند که اغلب بارهای پله‌ای (Load Steps)، اضافه‌بار (Overloads)، همچنین وضعیت‌های نامناسب دیگر را به‌آسانی تحمل می‌کنند. با این‌همه در کاربری‌های مرکزداده مواردی گزارش شده که ژنراتورها در محدودهٔ بار مجاز خودشان دچار خاموشی شده‌اند. ازکارافتادن‌ها در وضعیتی رخ داده‌اند که ژنراتور به‌شکل مستقیم مصارف فاوا را تغذیه می‌کرده و UPS به‌اصطلاح در حالت بای‌پس بوده است [مطالعهٔ بیشتر]. این مشکل در سیستم‌های با کلاس Tier 3 یا در طراحی‌های دیگری رخ داده که مسیر برق با UPS حفاظت نمی‌شده است.

مصارف فاوا ممکن است به حالتی دچار بشوند که در آن جریان از ولتاژ پیش بیفتد؛ ویژگی‌ای که در اصطلاح به آن «ضریب توان پیش‌افتاده» (Leading Power Factor) می‌گویند. مشکل آن است که تحمل این ویژگی برای همهٔ ژنراتورها دشوار است. اگر همیشه در مسیر برق میان مصارف فاوا و ژنراتور، یک UPS درحال‌کار باشد، هرگز مرکزداده چنین مشکلی پیدا نمی‌کند. زیرا به‌طور کلی UPSهای مدرن دستخوش ضریب توان پیش‌افتاده نمی‌شوند و به‌خوبی ژنراتور را از چنین مشکلاتی به‌دور نگه می‌دارند. اگر UPS به‌شکل خودکار یا دستی بای‌پس شود، بای‌پس نگهداری یا استاتیکی، ژنراتور ناچار خواهد شد در مصارف فاوا توان پیش‌افتاده را تامین کند. این مسئله به ژنراتور آسیب وارد می‌کند و سرانجام آن را در بدترین موقعیت از کار می‌اندازد؛ یعنی هنگامی که وجود آن بیش از همیشه ضروری است.

ژنراتورها کمی تحمل ضریب توان پیش‌افتاده را دارند و به همین دلیل نیز ممکن است مرکزداده تا مدتی بدون اشکال کار کند. ولی کم‌کم مشکل بیشتر می‌شود و تجهیزات فاوا به‌آهستگی و به‌مرور زمان تغییر می‌یابند و بر ضریب توان تاثیر می‌گذارند.

متاسفانه دربارهٔ نحوهٔ ارزیابی ریسکِ این مشکل سردرگمی بسیاری وجود دارد؛ با تجزیه‌وتحلیل ناقص از طراحی یا نصب خاص نمی‌توان برآورد دقیقی از ریسک‌ها به‌دست آورد. از سویی ممکن است حتی پس از شناسایی ریسک، تعیین بهترین راهکار بسیار دشوار باشد.

ما در این مقاله بررسی خود را با توضیح‌دادن ماهیت این مشکل و چگونگی و زمان رخ‌دادن آن آغاز می‌کنیم. سپس برای ارزیابی تاسیسات موجود، روش‌هایی ارائه می‌دهیم که احتمال بروز این مشکل را مشخص می‌کنند. سرانجام نیز شیوه‌ها و تجهیزاتی را برای اصلاح این مشکل معرفی خواهیم کرد.

ضریب توان در مرکزداده

برای فهم ماهیت ضریب توان [مطالعهٔ بیشتر] و آثار مختلف آن و ایجاد پایه‌ای برای درک تاثیری که بر ژنراتورها دارد، نخست پیشینهٔ مسائل پیچیدهٔ وابسته به آن را بیان می‌کنیم.

شکل «موج سینوسی ولتاژ» را منبع تولید برق AC ایجاد می‌کند و شکل «موج جریان» را مصرف تعیین می‌کند. در ساده‌ترین حالت که در اصطلاح به آن بار اهمی (Resistive Load) می‌گویند و نمونهٔ آن هیتر یا لامپ حرارتی است، شکل موج جریان بر شکل موج ولتاژ منطبق و درست هم‌زمان است (شکل ۱). در شکل ۱ در هر لحظه، حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان همواره مثبت می‌شود. ضریب توان بار اهمی طبق تعریف برابر ۱ است؛ به‌عبارتی ۱۰۰ درصد از جریان مصرفی در انتقال مقدار وات برق به مصرف فاوا نقش دارد. ضریب توان مطلوب برای همگی مصارف ۱ است.

انواع گوناگون از تجهیزات، جریان‌هایی را به‌وجود می‌آورند که نقشی در مقدار وات تغذیه‌کنندهٔ مصارف ندارند. چنین جریان‌هایی نامطلوب هستند و وات توان مصرفی را به محل مصرف منتقل نمی‌کنند. زیرا یا با شکل موج ولتاژ در زمان‌بندی درستی قرار ندارند که به آن‌ها جریان بی‌اثر (Out-of-Phase) می‌گویند، یا فرکانس‌شان با منبع ولتاژ متفاوت است که آن‌ها را جریان هارمونیک [مطالعهٔ بیشتر] می‌نامند. در شکل ۲ دو موج را می‌بینید که هم‌شکل هستند، یعنی جریان از نوع هارمونیک نیست؛ ولی زمان‌بندی متفاوتی دارند و شکل موج جریان از شکل موج ولتاژ ۹۰ درجه جلوتر است. در این وضعیت حاصل‌ضرب لحظه‌ای ولتاژ در جریان، در نیمی از زمان مثبت و در نیم دیگر منفی است. بدین معنی که برق تغذیه‌کنندهٔ مصرف که متوسط مقدار وات آن صفر است، پی‌درپی مثبت و منفی می‌شود. [2] هنگامی که جریان با چنین ولتاژی بی‌اثر باشد، در محل مصرف هیچ توان متوسطی تامین نمی‌شود.

جریان واقعی مصرف را می‌توان سه بخش در نظر گرفت: بخش داخل فاز با ولتاژ که وات را منتقل می‌کند، جریان بی‌اثر که وات را منتقل نمی‌کند، بخش هارمونیک‌ها  که این نیز در انتقال برق نقش ندارد.

شکل ۱ (راست): نمودار شکل موج ولتاژ و موج جریان، با شکل یکسان و زمان منطبق

شکل ۲ (چپ): نمودار شکل موج ولتاژ و موج جریان، با شکل یکسان؛ ولی موج جریان از نظر زمان ۹۰ درجه پیش‌تر از ولتاژ

«ضریب توان» برابر است با: مقدار آن بخش از جریان که وات برق را به محل مصرف منتقل می‌کند، تقسیم بر کل جریان که جریان بی‌اثر و هارمونیک را نیز در بر می‌گیرد. بدین ترتیب ضریب توان مصرف همیشه عددی میان ۰ و ۱ است. ضریب توان ۱ نشان می‌دهد همهٔ جریان در رساندن وات برق به مصرف نقش دارد. ضریب توان صفر یعنی تمامی جریان از نوع بی‌اثر یا هارمونیک است و هیچ جریان را انتقال نمی‌دهد.

هر دو جریان بی‌اثر و هارمونیک از مقدار مطلوب ضریب توان یعنی ۱ می‌کاهند و برای مرکزداده مشکل‌ساز می‌شوند. با بودن این دو جریان می‌باید مشخصات کابل‌ها و ترانسفورماتورها و شاخه‌مدارها را بیشتر از نیاز برآورد کرد [مطالعهٔ بیشتر] تا بتوانند جریان اضافی را تحمل کنند. جریان هارمونیک مشکلات ویژهٔ خود را نیز دارد؛ از جمله حرارت بیش از حد در موتورها و ترانسفورماتورها، همچنین اعوجاج ولتاژ که موجب داغ‌شدن کابل خنثی در مدار سه‌فاز می‌شود. بخش بی‌اثر جریان هم که آن را با نام «جریان راکتیو» (Reactive) می‌شناسند، بر تنظیم ولتاژ در سیستم‌های برق اثر می‌گذارد و در ژنراتورها مشکل پدید می‌آورد که موضوع اصلی همین مقاله است. بیشتر سردرگمی دربارهٔ ضریب توان به‌دلیل ناتوانی در شناخت این دو نوع جریان هارمونیک و جریان راکتیو است که ضریب توان را کاهش می‌دهند و مشکلات گوناگون را ایجاد می‌کنند. متاسفانه هنگامی که می‌گوییم ضریب توان مصرف ۰٫۸ است، آشکار نیست علت کاستی از مقدار مطلوب ۱ کدام‌یکی از این دو نوع جریان نامطلوب یعنی هارمونیک یا راکتیو است. برای درک اثر ضریب توان بر ژنراتورها به اطلاعات مرتبط بیشتری دربارهٔ این جریان‌ها نیاز داریم.

برای اندازه‌گیری ضریب توان ابزاری وجود دارد که مقدار جریان هارمونیک و جریان راکتیو را جدا می‌کند. «ضریب توان اصلاحی» (DPF: Displacement Power Factor) ‌که گاهی به آن «ضریب توان پایه» (Fundamental Power Factor) نیز می‌گویند، همان ضریب توان است که جریان هارمونیک را با محاسبات ریاضی یا اندازه‌گیری از آن حذف کرده‌اند. مقدار ضریب توان پس از حذف جریان هارمونیک، تنها شامل جریان راکتیو (بی‌اثر) خواهد بود. این کار چنان‌که نشان خواهیم داد، به تحلیل اثر ضریب توان بر ژنراتورها کمک می‌کند. چنین روش اندازه‌گیریِ ویژه‌ای فقط در چند نوع از تجهیزاتی که برای همین کار طراحی شده‌اند امکان‌پذیر است.

جریان راکتیو را بارهای «القایی» و بارهای «خازنی» ایجاد می‌کنند. شکل موج جریان بارهای القایی بی‌اثر است، همچون بار موتورها؛ به این دلیل که نسبت به موج ولتاژ تاخیر دارد و از آن عقب‌تر است. به همین دلیل می‌گویند بارهای القایی ضریب توان پس‌افتاده (Lagging) دارند. شکل موج جریانِ بارهای خازنی نیز بی‌اثر است، به این دلیل که از نظر زمانی زودتر از موج ولتاژ آغاز می‌شود. ازاین‌رو می‌گویند بارهای خازنی ضریب توان پیش‌افتاده (Leading) دارند. بیان مقدار ضریب توان، برای نمونه ۰٫۹، هیچ اطلاعاتی دربارهٔ زمان جریان بی‌اثری که آن را به‌وجود آورده به دست نمی‌دهد. در نتیجه هنگامی که از ضریب توان مرتبط با جریان راکتیو می‌گوییم، اغلب تلاش می‌کنیم با عباراتی همچون «ضریب توان پیش‌افتاده» یا «ضریب توان پس‌افتاده» توضیح بیشتری بدهیم. این تفاوت به‌ویژه در تعریف شیوهٔ تاثیرگذاری ضریب توان بر ژنراتورها اهمیت دارد که اکنون به آن می‌پردازیم.

جریان‌های هارمونیک را بارهای «غیرخطی» یا پله‌ای (Non-linear Loads) ایجاد می‌کنند. آن‌ها از جریانی تغذیه می‌شوند که شکل موج متفاوت از شکل موج ولتاژ برق شهری دارد. دیمر نوری و منبع تغذیه از رایج‌ترین بارهای غیرخطی هستند. ضریب توان تقریبی منابع تغذیهٔ فاوای قدیمی ۰٫۶۵ بود. جریان هارمونیک این منابع تغذیه اغلب بیشتر از نیمی از کل جریان مصرفی بود و ضریب توان را کاهش می‌داد؛ در آن‌ها جریان راکتیو یا بی‌اثر چندان مهم نبود. هنگامی که دستگاه‌های فاوا به‌تعداد زیاد در کنار هم نصب شدند و تاسیساتی همچون مرکز تماس و مرکزداده به‌وجود آمد، جریان هارمونیک کم‌کم مشکل‌ساز شد. پیش‌تر گفتیم هارمونیک‌ها در کابل خنثی و ترانسفورماتورها گرمای بیش از حد به‌وجود می‌آورند؛ چنان‌که در مواردی خطرناک می‌شود و آتش‌سوزی نیز رخ می‌دهد. در رویارویی با این مشکل در دههٔ ۹۰ میلادی، مقررات بین‌المللی تدوین شد تا جریان‌های هارمونیک مجاز را در منابع تغذیه محدود سازد. پس از آن بود که همهٔ منابع تغذیهٔ فاوای مدرن به کارکرد اصلاح ضریب توان مجهز شدند و جریان‌های هارمونیک چندان کاهش یافتند که اکنون دیگر به سیستم‌های توزیع برق آسیب نمی‌زنند. آنچه اکنون باید بدانیم این است که هدف از به‌کاربردن منبع تغذیهٔ فاوای با «ضریب توان اصلاح‌شده» زدودن جریان هارمونیک است؛ این نوع از منابع تغذیه جریان بی‌اثر را اصلاح نمی‌کند. در واقع باید دانست که منابع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده نسبت به منابع تغذیهٔ قدیمی‌تر اصلاح‌نشده، جریان بی‌اثر بیشتری نیز تولید می‌کنند. جریان‌های راکتیو در منبع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده باقی می‌مانند و بر ژنراتورها تاثیر می‌گذارند. در ادامه پیش از اینکه تاثیر بر ژنراتورها را بررسی کنیم، به شیوهٔ تولید جریان راکتیو در منبع تغذیه می‌پردازیم.

مشخصات ضریب توان در مصارف فاوا

همگی منابع تغذیهٔ فاوای با ضریب توان اصلاح‌شده، کمابیش با اصول همانندی کار می‌کنند که شکل ۳ نمایش می‌دهد. اساسا منبع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده را می‌توان به‌سادگی همان منبع تغذیهٔ سنتی دانست که «ماژول تقویت PFC» ـ[3] را به آن اضافه کرده‌اند. این ماژول نقش فیلتری را دارد که از برق ورودی اصلی در برابر جریان‌های هارمونیکی محافظت می‌کند که معمولا در منابع تغذیهٔ سنتی تولید می‌شوند.

«فیلتر» ماژول تقویت خط PFC در واقع مبدل برق با فرکانس بالا است که همچون دستگاه‌های مدرن تقویت‌کنندهٔ صدا، جریان ورودی را به‌شکل موج سینوسی درمی‌آورد. فرکانس کلیدزنی این مبدل برق معمولا در بازهٔ ۲۰ تا ۲۰۰ کیلوهرتز است. این مدارهای اصلاح ضریب توان در زدودن جریان‌های هارمونیک بسیار خوب عمل می‌کنند. مبدل‌ها بنا بر ماهیت خود دارای ولتاژ بالا و مدارهای کلیدزنی با فرکانس بالا هستند و در ورودی برق شهری به فیلتری همراه با القاگر و خازن نیاز دارند. این فیلتر از ورود فرکانس‌های بالا که نوعی تداخل فرکانس رادیویی ایجاد می‌کنند، همچنین از بازگشت فرکانس‌ها از منبعِ تغذیه به برق شهری جلوگیری می‌کند. خازنی که در شکل ۳ با علامت C1 می‌بینید، از بخش‌های اصلی این فیلتر است. همین فیلتر خازنی ورودی است که جریان بی‌اثر تولید می‌کند و از مقدار مطلوب ضریب توان (مقدار ۱) می‌کاهد. هرچقدر هم که منبع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده در زدودن تمام جریان‌های هارمونیک بی‌نقص عمل بکند، بازهم این خازن جریان بی‌اثر را تولید می‌کند و ضریب توان منبع تغذیه همچنان از ۱ کمتر می‌شود.

شکل ۳: نقشهٔ منبع تغذیهٔ برق با ضریب توان اصلاح‌شده و ماژول تقویت PFC در آن

توجه کنید حتی هنگامی که منبع تغذیه از مصارف کم‌شمار پشتیبانی می‌کند، یا در بسیاری از موارد که دستگاه‌های فاوا خاموش می‌شوند، خازن پیش‌گفته بازهم در ورودی منبع تغذیهٔ با ضریب توان اصلاح‌شده حضور دارد. ازاین‌رو جریان بی‌اثری که خازن تولید می‌کند، به‌سادگی یکی از مشخصات همیشگی دستگاه‌های فاوا به‌شمار می‌رود که به مقدار مصرف برق دستگاه وابسته نیست. بدین معنی که ضریب توان هر دستگاه فاوای مشخص، با کاهش مصرف برق کاهش می‌یابد؛ زیرا با اینکه جریان موثر در وات مصرفی کاهش یافته، جریان بی‌اثر خازنی همچنان موجود است. این تاثیرات را در شکل ۴ مشاهده می‌کنید.

شکل ۴ نشان می‌دهد ضریب توان با کاهش بار منبع تغذیه تضعیف می‌شود. اگر هر سرور دارای دو مسیر برق باشد و از دو منبع تغذیهٔ داخلی ۶۰۰ واتی تغذیه بشود و توان واقعی سرور ۳۰۰ وات باشد، یعنی ۱۵۰ وات در هر مسیر برق، آنگاه چنین منبعی تنها با ۲۵ درصد از ظرفیت خود کار می‌کند. بدین ترتیب ضریب توان چنان‌که در شکل می‌بینید، بسیار کمتر از مقداری است که در کار با ظرفیت کامل انتظار می‌رود. به‌طور کلی هرگاه از منابع تغذیه به‌مقدار بیشتر از ظرفیت یا کمتر از ظرفیت استفاده بشود، به خازن‌های بیشتری برای هر کیلووات از مصرف فاوا نیاز هست. در نتیجه درصد جریان‌های بی‌اثر راکتیو در کل مصرف فاوا افزایش می‌یابد.

شکل ۴: نمودار نمایش‌دهندهٔ نسبت افزایش ضریب توان تجهیزات فاوا، با افزایش بار

شکل ۴ دادهٔ منبع تغذیه‌ای را نشان می‌دهد که ظرفیت خازنی آن ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات از ظرفیت منبع تغذیه است. این مقدار از ظرفیت خازنی بسیار بیشتر از بازهٔ متداول در تجهیزات فاوای واقعی است. به همین دلیل منحنی ضریب توان در نمودار شکل ۴ در پایین‌ترین جایی ‌است که برای سرورهای واقعی انتظار می‌رود. شکل منحنی سرورهای معمول همانند همین است؛ ولی مقدار بیشتری دارد. در شکل ۵ مجموعه‌ای از دادهٔ منابع تغذیهٔ واقعی را می‌بینید.

شکل ۵: نمودار مقایسهٔ نسبت ضریب توان با مصرف، در منابع تغذیهٔ واقعی (منبع: 80PLUS.org)

توجه کنید شکل ۵ آن منابع تغذیه‌ای را نشان می‌دهد که ضریب توان آن‌ها در بار کم کاهش می‌یابد. منحنی‌های نمودار بیانگر منابع تغذیه‌ای هستند که ظرفیت خازنی گوناگونی به‌ازای هر کیلووات دارند. منبع تغذیهٔ با کمترین ضریب توان که در این نمودار می‌بینید، همان منحنی شکل ۴ است که ظرفیت خازنی برابر ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات از ظرفیت را دارد. از سویی ظرفیت خازنی در بالاترین منحنی از همه کمتر است. چنان‌که در بخش‌های بعدی خواهیم گفت، منابع تغذیه‌ای که منحنی آن‌ها در بالای نمودار است، موجب ناپایداری ژنراتور نمی‌شوند؛ آن‌هایی که منحنی‌شان پایین‌تر است چنین می‌کنند.

ظرفیت خازنی از ویژگی‌های دستگاه فاوای معمول نیست و چنان‌که در شکل ۵ می‌بینید، میان تجهیزات متفاوت است. بدین ترتیب بهره‌برداران بسیار دشوار می‌توانند مقدار جریان بی‌اثر را در ترکیبی از دستگاه‌های فاوای گوناگون تعیین کنند. اندازه‌گیری ضریب توان واقعی در نصب تجهیزات نیز مشکل را حل نمی‌کند؛ زیرا جریان هارمونیک و بی‌اثر در هنگام اندازه‌گیری از هم جدا نمی‌شوند. برای به‌دست آوردن مقدار جریان بی‌اثر در هر نصب، نیاز به اندازه‌گیری‌های ویژه‌ای است که قابلیت جداکردن دو جریان هارمونیک و بی‌اثر را داشته باشند. در ادامه به این موضوع خواهیم پرداخت.

دشوار می‌توان باور کرد که این فیلتر خازنی کوچک در منبع تغذیهٔ فاوا بتواند ژنراتور چند مگاواتی را دچار مشکل کند. ولی در شرایط زیر تعداد خازن‌ها افزایش می‌یابد و بسیار زیاد می‌شود:

• هنگامی که هزاران دستگاه فاوا کنار هم قرار گیرند؛ چنان‌که در مرکزداده هست.
• هنگامی که ظرفیت نامی منبع تغذیهٔ داخلی دستگاه فاوا آشکارا بیشتر از مقدار وات مصرفی آن باشد؛ چنان‌که در دستگاه‌های فاوای با پیکربندی کم، یا منابع تغذیهٔ با مصرف بیش از ظرفیت هست.
• هنگامی که مصرف کلی تجهیزات فاوا در مرکزداده نزدیک به‌مقدار مصرف کامل در طراحی باشد؛ یعنی تعداد خازنِ بیشتر در هر ژنراتور.

این مسئله که ژنراتورها در برابر جریان بی‌اثر، به‌ویژه جریان‌های پیش‌افتادهٔ خازن‌ها، بسیار آسیب‌پذیر هستند بر پیچیدگی شرایط می‌افزاید. اکنون این پدیده را توضیح می‌دهیم.

تاثیرات جریان‌های پیش‌افتاده بر ژنراتورها

ژنراتورها ساختار پیچیده‌ای دارند. بیان شیوهٔ کارکردن آن‌ها موضوع این مقاله نیست. ولی برای درک چگونگی تاثیرگذاری ضریب توان بر ژنراتورها، دست‌کم داشتن فهم کلی از بعضی مبانی اصلی ضرورت دارد.

شکل ۶: نمودار نمایش اصول پایهٔ کارکرد «ژنراتور سه‌فاز هم‌زمان» (Three phase synchronous generator)

ژنراتور در خودش آهنر‌بای الکتریکی چرخانی دارد که پی‌درپی از کویل‌های آرماتور سیمی ثابت عبور می‌کند (شکل ۶). عبور میدان مغناطیسی از کویل‌های استاتور، ولتاژی را در خروجی کویل تولید می‌کند که همان خروجی ژنراتور است. دستگاه به‌شکل پیوسته، ولتاژ خروجی خودش را پایش و اندازه‌گیری می‌کند و با جریان تولیدشده در آهنربای چرخان الکتریکی مطابقت می‌دهد. اگر دچار افزایش بار ناگهانی بشود و ولتاژ کاهش یابد، رگلاتور به‌کار می‌افتد و جریان آهنربای الکتریکی را به‌آهستگی افزایش می‌دهد و متناسب با ولتاژ مطلوب خروجی تعدیل می‌کند.

هرگاه ضریب توان خروجی مصارفی که توسط ژنراتور تامین می‌شود برابر با ۱ باشد، قدرت میدان مغناطیسی در آهنربای الکتریکی چرخان فقط تحت تاثیر جریان القایی است که با رگلاتور ژنراتور تنظیم می‌شود. اگر مقداری از جریان بی‌اثر در بار وجود داشته باشد، میدان مغناطیسی را در داخل روتور ژنراتور تشدید می‌کند، یا بر میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی می‌افزاید، یا قسمتی از آن را مختل می‌سازد. بدین ترتیب اگر بار دارای جریان بی‌اثر باشد، به سیستم رگلاتور فشار دوچندان وارد می‌آید. برای نمونه اگر بار دارای جریان بی‌اثر پس‌افتاده باشد، قسمتی از میدان مغناطیسیِ درون آهنربای الکتریکی را مختل می‌کند، آنگاه رگلاتور برای جبران این قسمت باید جریان آهنربای الکتریکی را افزایش دهد. از سویی دیگر اگر بار دارای جریان بی‌اثر پیش‌افتاده باشد، بر شدت میدان مغناطیسی می‌افزاید، آنگاه رگلاتور برای مقابله با این افزایش شدت، باید جریان القایی آهنربا را کاهش بدهد.

رگلاتور ولتاژ در ژنراتور می‌تواند ولتاژ خروجی را در بازهٔ گسترده‌ای از شرایط بار، از جمله مقادیر گوناگونی از جریان بی‌اثر پیش‌افتاده و پس‌افتاده تعدیل کند. با این‌همه با جریان بی‌اثر پیش‌افتاده مشکل ویژه‌ای وجود دارد: افزایش جریان بی‌اثر پیش‌افتاده شدت میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی چرخان را افزایش می‌دهد که در پی آن چنان‌که گفتیم رگلاتور از جریان آهنربا می‌کاهد. این تا زمانی ادامه می‌یابد که جریان بی‌اثر پیش‌افتاده به‌اندازه‌ای و به نقطه‌ای برسد که دیگر نیازی نباشد رگلاتور برای آهنربای الکتریکی جریان تامین کند. ژنراتورها همه کمابیش این کاستی را دارند که رگلاتور نمی‌تواند در آهنربای الکتریکی جریان منفی فراهم سازد. به همین دلیل نیز هرگاه جریان بی‌اثر پیش‌افتاده از این مقدار مشخص بگذرد، نمی‌تواند افزایش جریان را جبران کند. هنگامی که مقدار جریان بی‌اثر پیش‌افتاده از نقطه‌ای که هنوز می‌توان جریان کل میدان مغناطیسی را تامین کرد عبور کند، رگلاتور خاموش می‌شود. در این نقطه، میدان مغناطیسیِ آهنربای الکتریکی چرخان بیش از مقدار مطلوب شدت می‌یابد. از آنجا که ولتاژ خروجی با همین میدان مغناطیسی تنظیم می‌شود، ولتاژ خروجی ژنراتور به‌شکل مهارنشده افزایش می‌یابد. در این هنگام است که سیستم ایمنی ژنراتور با شناسایی ولتاژ بیش از حد، دستگاه را درجا خاموش می‌کند.

به این مسئله در اصطلاح «مشکل ضریب توان در ژنراتور» می‌گویند. دلیل رخ‌دادن آن نه جریان هارمونیک یا جریان راکتیو پیش‌افتاده، بلکه به‌طور مشخص نتیجهٔ بیشترشدنِ مقدار جریان راکتیو پیش‌افتاده از آستانهٔ مجاز است. هرگاه جریان بی‌اثر پیش‌افتاده از آستانهٔ مجاز بگذرد، ژنراتور کنترل تنظیم ولتاژ خروجی را از دست می‌دهد و به‌دلیل ولتاژ بیش از حد خاموش می‌شود. باید توجه داشت که ضریب توان را جریان راکتیو کاهش می‌دهد، ولی دلیل این مشکل «مقدار جریان بی‌اثر» است، نه «مقدار مشخصی از ضریب توان». اکنون به‌تفصیل این موضوع را بیان می‌کنیم.

در هر ژنراتور برای داشتن کارکرد قابل قبول، مشخصاتی تعریف می‌شود. مشخصات مربوط به میزان جریان بی‌اثر را در «منحنی کارکرد» ارائه می‌کنند. نمونهٔ آن را در شکل ۷ می‌بینید.

بخش سبز رنگ این نمودار وضعیت بهنجار را نمایش می‌دهد. بخش زرد رنگ بهنجار نیست ولی همچنان پذیرفته است. در بخش قرمز انجام عملیات امکان‌پذیر نیست. محور افقی، اندازهٔ جریان راکتیو را در مصرف ژنراتور نشان می‌دهد. جریان راکتیو پیش‌افتاده در سمت چپ قرار دارد. محور عمودی، وات خروجی ژنراتور است. عبارت «در هر واحد» را همچنین می‌توان «درصدی از ظرفیت نامی» در نظر گرفت. خطوط شعاعی، خطوط ضریب توان ثابت هستند. ما در اینجا به بخش زرد رنگی که چسبیده به سمت چپ مرکز منحنی است می‌پردازیم.

اطلاعات مهم این منحنی در شکل زرد رنگ ناحیهٔ سمت چپ است. توجه کنید که مرز سمت چپ منحنی‌ به‌شکل عمودی تقریبا تا مقدار ۰٫۲ در هر واحد بالا آمده است. این شرایطی را نشان می‌دهد که جریان راکتیو پیش‌افتاده تقریبا ۲۰ درصد از کل جریان نامی مصرف ژنراتور را تشکیل می‌دهد. ژنراتور در بالای این سطح از جریان راکتیو پیش‌افتاده ناپایدار می‌شود و از کار می‌افتد.

شکل ۷: نمونه‌ای از منحنی قابلیت در ژنراتور، نشان‌دهندهٔ شرایط عملیاتی مناسب برای مصرف و ضریب توان

این منحنی به‌خوبی نمایشگر ژنراتورهای معمول است؛ در نتیجه می‌توان یافتهٔ زیر را تعمیم داد: «قاعدهٔ کلی این است که برای جلوگیری از ناپایداری ژنراتور می‌باید مقدار جریان راکتیو پیش‌افتاده کمتر از ۲۰ درصد از بیشینهٔ جریان نامی باشد.»

می‌بینید که ضریب توان در این قاعده نیامده است. در واقع با نگاه به خطوط ضریب توان در منحنی سازگاری بالا درمی‌یابیم که ضریب توان در مرز ناحیهٔ ناپایداری دستخوش تغییر بسیاری است و از صفر یعنی بدون وات مصرفی تا تقریبا ۰٫۹۷ یعنی در بار کامل تغییر می‌کند. این مسئله را در شکل ۸ به‌خوبی مشاهده می‌کنید.

در این منحنی به‌روشنی می‌بینید که ژنراتورهای کم‌بار تقریبا هر ضریب توانی را به‌خوبی تحمل می‌کنند. ولی هنگامی که بار افزایش می‌یابد، می‌باید مقدار ضریب توان را بیشتر از عدد مشخص‌شدهٔ بحرانی نگه داشت. این عدد در بار کامل به ۰٫۹۷ می‌رسد. در اینجا نتیجه‌ای مهم به دست می‌آید: احتمال رخ‌دادن مشکل ناپایداری در مرکزدادهٔ کم‌بار کمتر است. همچنین این موضوع توضیح می‌دهد که چگونه ممکن است سیستم ژنراتور مرکزداده سال‌ها پایدار باشد؛ ولی رفته‌رفته و با افزایش مصارف فاوا ناپایدار گردد.

توجه شود منحنی‌های مطلوب دربرگیرندهٔ تاثیر جریان هارمونیک بر ضریب توان نیستند. چنانچه جریان هارمونیک وجود داشته باشد، خطوط ضریب توان در منحنی شکل‌های ۷ و ۸ بی‌اعتبار می‌شوند و نمی‌توان از آن‌ها استفاده کرد. در چنین وضعیتی محدودهٔ ناپایداری را فقط درصد جریان بی‌اثر پیش‌افتاده تعیین می‌کند.

از این موضوع می‌توان دریافت که مشکل ناپایداری نباید در قالب ضریب توان مشخص کمیت‌سازی شود؛ بلکه باید در قالب درصد جریان راکتیو پیش‌افتاده بیان گردد. بسیاری از کاربرانی که با این مشکل روبه‌رو می‌شوند، یا نگران هستند که رخ بدهد، می‌کوشند از ضریب توان به‌عنوان معیار سنجش یا طراحی استفاده کنند؛ ولی به نتایج نادرستی می‌رسند یا سردرگم می‌شوند. به همین دلیل در ادامهٔ این مقاله ما مشکل را به‌طور کمّی و در قالب درصد جریان راکتیو بی‌اثرِ پیش‌افتاده بررسی می‌کنیم.

شکل ۸: کمترین ضریب توان پذیرفته برای ژنراتور، به‌عنوان تابعی از مصرف که ژنراتور در کمتر از آن خاموش می‌شود

نمونهٔ موردی

مسئلهٔ ناپایداری ژنراتور در عمل فقط هنگامی اهمیت می‌یابد که جریان راکتیو پیش‌افتاده چندان در مصرف فاوا شدت یابد که از جریان راکتیو خود ژنراتور بیشتر بشود. ازاین‌رو سودمند است برای تعیین زمان بروز این مشکل، چند نمونه از تجهیزات واقعی فاوا را بررسی کنیم.

برای انجام‌دادن آزمایش، مرکزداده‌ای را با مصرف فاوای ۱ مگاوات در نظر می‌گیریم. این تاسیسات مجهز به ژنراتوری با توان نامی ۲ مگاولت‌آمپر است. اکنون فرض می‌کنیم درصد مصرف تجهیزات فاوای مرکزداده روبه‌رشد است و بررسی می‌کنیم که ناپایداری چه هنگامی رخ خواهد داد. بار فاوا می‌باید یک‌راست از ژنراتور فراهم بشود و UPS هیچ دخالتی نداشته باشد؛ اگر هم UPS هست، در مسیر بای‌پس باشد. همچنین در این نمونه غیر از مصارف فاوا، مصرف چشمگیر دیگری وجود نداشته باشد. تاثیر چنین مصارفی را در ادامهٔ مقاله بررسی می‌کنیم.

هریک از تجهیزات واقعی فاوا از نظر جریان بی‌اثر پیش‌افتاده آشکارا با دیگری فرق دارد. تاآنجاکه از میان دو سرور ۱ کیلوواتی ممکن است جریان بی‌اثر یکی از آن‌ها ۵ برابر دیگری یا بیشتر باشد. پیش‌تر گفتیم در ورودی سرورها فیلتر خازنی به‌کار می‌رود که خود منبع اصلی جریان بی‌اثر است. از سویی می‌دانیم بازهٔ ظرفیت خازنیِ دستگاه‌های معمول فاوا میان ۱ تا ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات منبع تغذیه است. در این نمونه همین مقدار را در نظر گرفته‌ایم. [4] منابع تغذیه نیز با ۲۳۰ ولت متناوب کار می‌کنند. اکنون می‌توان محاسبه کرد جریان بی‌اثر ناشی از ظرفیت خازنی که با افزایش مصرف فاوای مرکزداده بیشتر می‌شود چه‌مقدار است. دستگاه‌های فاوا نیز پیکربندی شده‌اند تا برق را کمابیش همواره کمتر از توان نامی مصرف کنند. در این آزمایش منابع تغذیهٔ دستگاه‌ها در ۴۰ درصد از ظرفیت خود بارگذاری می‌شوند.

شکل ۹ نشان می‌دهد در مرکزدادهٔ نمونهٔ بالا، چگونه جریان بی‌اثر پس‌افتاده با افزایش دستگاه‌های فاوا افزایش می‌یابد. هنگامی که جریان راکتیو پیش‌افتاده به ۲۰ درصد از جریان ژنراتور برسد، آن را ناپایدار خواهد کرد.

شکل ۹ (راست): جریان پیش‌افتادهٔ اعمال‌شده بر ژنراتور در مرکزدادهٔ با یک مسیر برق، به‌عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوت از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا

شکل ۱۰ (چپ): جریان پیش‌افتادهٔ اعمال‌شده بر ژنراتور در مرکزدادهٔ با دو مسیر برق، به‌عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوت از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا

توجه کنید که در این نمونه، منحنی‌های ۲ و ۵ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات هرگز از ۲۰ درصد جریان پیش‌افتاده بیشتر نمی‌شوند و ازاین‌رو همواره پایدار می‌مانند. ولی در منحنی ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات، هرگاه بار فاوا به ۸۰ درصد از ظرفیت نامی مرکزداده برسد ناپایدار خواهد شد.

مرکزدادهٔ نمونهٔ بالا دارای یک مسیر برق است. اگر چنین مرکزداده‌ای را با ظرفیت نامی ۱ مگاوات و دارای دو مسیر برق و دستگاه‌های فاوای با دو کابل برق در نظر بگیریم، تعداد منابع تغذیه دو برابر می‌شود. در سیستم دو مسیره [مطالعهٔ بیشتر] حالتی وجود دارد که همهٔ منابع تغذیه در هر دو مسیر با یک ژنراتور و از یک مسیر تغذیه می‌شوند. [5] آن پیکربندی فاوا در چنین شرایطی جریان پیش‌افتادهٔ بیشتری تولید می‌کند. (شکل ۱۰)

احتمال آنکه مقدار جریان پیش‌افتادهٔ سیستم دو مسیره از ۲۰ درصد جریان نامی ژنراتور بگذرد و موجب ناپایداری بشود، در همهٔ موارد وجود دارد؛ مگر اینکه مقدار ظرفیت خازنی دستگاه‌های فاوا ۲ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات باشد. اما اگر ظرفیت خازنی دستگاه‌هایی که با ژنراتور تغذیه می‌شوند به ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات برسد، نمی‌شود که مرکزداده برق بیشتر از ۴۰ درصد از بار طراحی خود را فراهم کند و دچار ناپایداری نشود.

احتمال ناپایداری با در نظر گرفتن فرض‌های گوناگون در این آزمایش افزایش می‌یابد. به‌ویژه این مشکل بدتر می‌شود اگر سرورها از کمتر از ۴۰ درصد ظرفیت برق خود استفاده کنند، یا اینکه توان ژنراتورها هرچه به‌مقدار مصرف فاوا نزدیک‌تر باشد. از سوی دیگر این وضعیت با تغذیهٔ مصارف بدون ضریب توان پیش‌افتاده، همچون دستگاه تهویهٔ مطبوع و نورپردازی بهبود می‌یابد.

از این نمونه چند نتیجهٔ مهم به دست می‌آید:

• ناپایداری ژنراتور که ضریب توان پیش‌افتاده آن را به‌وجود می‌آورد، مشکل بسیار بدی است که مرکزداده برای جلوگیری از آن باید هر کاری که لازم باشد انجام بدهد.
• مرکزدادهٔ با مصرف زیر ۲۰ درصد از بار فاوا، کمابیش همواره پایدار می‌ماند.
• مرکزداده‌ای که برق دو مسیره دارد و با نزدیک ۱۰۰ درصد از ظرفیت کار می‌کند، اگر تمامی مصارف به ژنراتور متصل باشند، به‌احتمال زیاد به ناپایداری و ازکارافتادگی ناگهانی ژنراتور دچار می‌شود.
• برای تعیین پایداری ژنراتور به اطلاعات ظرفیت خازن ورودی دستگاه‌های فاوا نیاز است. این اطلاعات یا با اندازه‌گیری، یا اگر باشد از سازندهٔ دستگاه به دست می‌آید.
• اگر ظرفیت خازنی تمامی دستگاه‌های فاوا، یا میانگین وزنی توان کل آن‌ها، ۲ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات یا کمتر باشد، در هیچ‌یک از طراحی‌ها مشکل ناپایداری نخواهیم داشت.

تعیین ظرفیت خازنی در مصارف فاوا

ظرفیت خازنی ورودی در منبع تغذیهٔ فاوا معمولا پارامتر مشخصی نیست. مشخصات ظرفیت خازنی ورودی را سازندگان دستگاه‌های فاوا منتشر نمی‌کنند، ولی مشخصات ضریب توان اندازه‌گیری‌شدهٔ منابع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا را اغلب می‌توان از سازنده یا از منبع اطلاعاتی دیگری همچون سایت 80plus.org به‌دست آورد. اگر فرض کنیم همهٔ جریان‌هایی که باعث کاهش ضریب توان از مقدار عددی ۱ می‌شوند از خازن ورودی می‌آیند، یعنی بدترین شرایط ممکن، آنگاه می‌توان بدترین (بیشترین) مقدار ظرفیت خازنی به‌ازای هر کیلووات را تعیین کرد. معمولا مطلوب است مقدار ضریب توان در نقطه‌ای مشخص مانند ۵۰ درصد از مصرف به‌دست آید. این مقدار معادل مناسبی از وضعیت عملیاتی معمول به‌شمار می‌رود و دقت در تعیین مقدار ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهد. با نظر به مقادیر گزارش‌شده یا اندازه‌گیری‌شدهٔ ضریب توان در ۵۰ درصد از مصرف، مانند مقادیری که در گزارش‌های ®80PLUS آمده، می‌توان مطابق شکل ۱۱ ظرفیت خازنی در هر کیلووات از بار نامی فاوا را تعیین کرد.

اگر ظرفیت خازنی در قالب میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات بیان شود، مقادیر آن نرمال‌سازی می‌شود. آنگاه می‌توان با استفاده از شکل ۹ و ۱۰ جریان بی‌اثر را به‌شکل درصد و برای هر مقدار کیلووات اجرا شده به‌آسانی تعیین کرد. برای نمونه شکل ۱۱ سروری را با ضریب توان ۰٫۹۲ و در مصرف ۵۰ درصد نشان می‌دهد که ظرفیت خازنی آن ۱۰ میکروفاراد در کیلووات است. اکنون اگر همهٔ مرکزدادهٔ دو مسیره را با همین سرور اجرا کنند، چنانچه (مطابق شکل ۱۰) این مرکزداده از مصرف ۴۰ درصد بگذرد، ممکن است ژنراتور ناپایدار شود.

اگر به گزارش‌های اخیر سازندگان منابع تغذیهٔ پربازده توجه کنیم خواهیم دید که ضریب توان معمول در بار ۵۰ درصد تقریبا برابر ۰٫۹۳ تا ۰٫۹۹ است. میانگین ظرفیت خازنی که از این نسل جدید منابع تغذیه به دست می‌آید، ۲ تا ۱۰ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات است. از دادهٔ منتشرشده نیز چنین برمی‌آید که منابع تغذیهٔ کوچک‌تر معمولا ظرفیت خازنی بیشتری به‌ازای هر کیلووات دارند. به‌طور کلی مرکزداده‌ای که از تعداد زیادی سرور 1U تشکیل شده باشد، بیشتر از مرکزدادهٔ با مصرف همانند ولی با تعداد کمتری از سرورهای بزرگ‌تر در معرض ناپایداری ژنراتورها قرار دارد.

شکل ۱۱: ظرفیت خازنی منبع تغذیهٔ دستگاه فاوا در هر کیلووات، به‌عنوان تابعی از ضریب توان اندازه‌گیری‌شده یا گزارش‌شده در ۵۰ درصد مصرف

دانستن «مقدار ظرفیت خازنی در هر کیلووات از منبع تغذیه» بخش مهمی از کار پیش‌بینی مقدار جریان بی‌اثری است که در هر واحد از ظرفیت نصب‌شدهٔ منبع تغذیه تولید می‌شود. پس از این کار می‌توان ظرفیت منبع تغذیه را به معیارهای مناسب‌تری همچون «جریان در هر سرور» یا «جریان راکتیو در هر کیلووات فاوا» تبدیل کرد. در این مقاله محاسبات ریاضی تبدیل‌ها بیان نمی‌شود.

ارزیابی ریسک ناپایداری

ریسک ناپایداری را می‌توان برای مرکزدادهٔ موجود، در وضعیت کنونی و برای وضعیت آینده ارزیابی کرد. این ارزیابی را همچنین می‌توان برای مراکزداده‌ای که هنوز در مرحلهٔ برنامه‌ریزی هستند انجام داد. فرایند این ارزیابی برای هریک متفاوت است.

ریسک ناپایداری در مرکزدادهٔ درحال‌کار

 برای ارزیابی ریسک ناپایداری ژنراتور در مراکزداده‌ای که عملیاتی هستند، نخست باید مقدار جریان بی‌اثر پیش‌افتاده‌ای را که ژنراتور تولید می‌کند به‌دست آورد. سپس این مقدار را با اندازهٔ جریان مُجاز که معمولا ۲۰ درصد از مقدار جریان ژنراتور در مصرف کامل است مقایسه کرد. بهترین روش در این کار اندازه‌گیری واقعی جریان بی‌اثر است. ولی این شیوه اغلب عملی نیست زیرا ممکن است ابزار اندازه‌گیری در دسترس نباشد. همچنین معمولا این اندازه‌گیری به‌شکل مستقیم با ابزار دقیق امکان‌پذیر نمی‌شود.

در پاسخ به پیشنهاد «انجام اندازه‌گیری در هنگام تست ژنراتور» یادآور می‌شویم که در این آزمون معمولا UPS تنها مصرف ژنراتور است و هیچ بار فاوای دیگری به آن متصل نیست. از سویی هیچ سیستم UPS شناخته‌شده‌ای نیست که بتواند جریان بی‌اثر پیش‌افتادهٔ کافی برای چنان تاثیری بر ژنراتور فراهم کند. بدین ترتیب ژنراتور هیچ‌گاه در این آزمون به ناپایداری دچار نمی‌شود. همان طور که پیش‌تر گفتیم، مشکل هنگامی است که UPS در حالت بای‌پس باشد و مصارف فاوا مستقیم با ژنراتور تامین بشوند. امکان دارد هرگز چنین حالتی در برخی از مراکزداده رخ نداده باشد. بنابراین بای‌پس کردن اختیاری UPS و متصل‌کردن مصارف فاوا به ژنراتور ممکن است به ناپایداری بینجامد و بهتر است از آن پرهیز شود. در مراکزدادهٔ درحال‌کار می‌باید کوشش کرد نخست مقدار جریان بی‌اثر مصارف فاوا در خروجی UPS اندازه‌گیری شود، سپس باید اطمینان یافت که مصارف فاوا پیش از اتصال به ژنراتور، بدون دخالت UPS در بازهٔ مجاز ژنراتور قرار دارند. متصل‌کردن چند UPS جداگانه با باس خروجی جداگانه به ژنراتور، ممکن است اندازه‌گیری را پیچیده کند.

مشکلی که دستگاه‌های اندازه‌گیری اغلب دارند آن است که جریان هارمونیک و بی‌اثر را با هم در نظر می‌گیرند و نمی‌توانند مقدار جریان راکتیو را تعیین کنند؛ مگر آنکه مقدار جریان‌ هارمونیک صفر باشد. متاسفانه بسیاری از مراکزداده آن‌قدر جریان هارمونیک دارند که بر چنین اندازه‌گیری‌هایی اثر می‌گذارد. یکاهای «ولت‌آمپر راکتیو» (VAR) یا «آمپر راکتیو» [6] اغلب مقدار جریان بی‌اثر را گزارش نمی‌کنند. مگر آنکه به‌روشنی مشخص بشود اندازه‌گیری‌ها فقط مقدار «پایه» یا اساسی فرکانس ورودی اصلی برق را بیان می‌کنند، یا اینکه ابزارهایی در دسترس باشند که قابلیت سنجش برق راکتیو را طبق تعریف استاندارد IEEE 100-1996 داشته باشند. اگر گزارش اندازه‌گیری توان «ضریب توان اصلاحی» را نیز بیان کند، می‌توان عدد آن را برای محاسبهٔ جریان راکتیو به‌کار برد. نکتهٔ اصلی این است که مطمئن شویم مقادیر اندازه‌گیری‌شده بدون جریان هارمونیک باشد؛ پس از آن می‌توان توان راکتیو فرکانس پایه را اندازه‌گیری و محاسبه کرد. دوباره یادآور می‌شویم که بیشتر تجهیزات قابلیت انجام درست این اندازه‌گیری را ندارند. ازاین‌رو اندازه‌گیری تجهیزات باید دوباره و بی‌کم‌وکاست بررسی شود تا از نظر حذف جریان هارمونیک همچنین از دید تعیین دقیق جریان راکتیو پیش‌افتاده تایید شود.

از جمله ابزارهای اندازه‌گیری که ضریب توان اصلاحی را به‌درستی محاسبه می‌کنند، سه مدل از PowerLogic® شامل PM820 و PM850 و PM870 (شکل ۱۲) هستند. آن‌ها را می‌توان موقت یا دائمی نصب کرد و برای اندازه‌گیری به‌کار برد.

شکل ۱۲: ابزار اندازه‌گیری توان با قابلیت اندازه‌گیری ضریب توان اصلاحی

معمولا نمی‌توان یک نقطهٔ مشخص در مرکزداده را برای اندازه‌گیری پیدا کرد که تمامی مصارف را در خود تجمیع کند. برای این کار می‌توان جریان راکتیو بخش‌های جداگانهٔ مرکزداده را اندازه‌گیری کرد و به محاسبات افزود. اگر ضریب توان اصلاحی اندازه‌گیری می‌شود، اول باید آن را به جریان راکتیو تبدیل کرد و سپس در محاسبه آورد.

ریسک در مرکزدادهٔ در دست برنامه‌ریزی

روشن است در مرکزداده‌ای که هنوز در مرحلهٔ برنامه‌ریزی باشد، اندازه‌گیری ممکن نیست. با این‌همه می‌توان برپایهٔ قابلیت ایجاد توان راکتیو پیش‌افتاده در سیستم ژنراتور نتایجی را به‌دست آورد.

ابتدا می‌توان با گزینه‌های طراحی تا اندازهٔ زیادی از ریسک ناپایداری کاست یا آن را برطرف کرد. برای نمونه اگر سیستم دو مسیره چنان طراحی شود که مصارف فاوای هر دو مسیر با هم نتوانند به ژنراتور متصل شوند که ظرفیت آن را پر کنند، ریسک ناپایداری آشکارا کمتر خواهد بود. مثلا می‌توان سیستم دو مسیره را به‌گونه‌ای طراحی کرد که رخ‌دادن چنین وضعیتی، چه در کارکرد معمول چه در وضعیت نگهداری ممکن نباشد. یعنی هرگاه UPSها در هر دو مسیر به‌شکل خودکار یا دستی بای‌پس بشوند، سیستم با توجه به تنظیماتش نگذارد هر دو مسیر از یک ژنراتور تغذیه شود. آنچه بیان شد نمونه بود. معماری‌های مختلف می‌توانند در این زمینه رویکردهای گوناگونی را به‌کار گیرند.

افزون بر این می‌توان در طراحی مرکزداده ابزارهای اندازه‌گیری پیش‌بینی کرد تا با استفاده از انواع مناسب، تمامی جریان پیش‌افتادهٔ مصارف فاوا ثبت و گزارش بشود. آنگاه اگر مقدار آن از عدد معین بیشتر شد، یعنی اندکی کمتر از آستانهٔ ناپایداری ژنراتور، سیستم هشدار به‌کار افتد.

 همچنین می‌توان سطح مناسب ظرفیت خازنی را برای دستگاه‌های فاوا محاسبه کرد. سپس با تدوین سیاست‌هایی دستگاه‌های با ظرفیت خازنی زیاد را کنار گذاشت یا از تاثیرگذاری آن‌ها کاست. برای نمونه قاعده‌ای که بگوید: ظرفیت خازنی هر نوع دستگاهی که ۱۰ درصد از کل بار فاوا یا بیشتر آن را دربرگیرد، باید ۵ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات یا کمتر باشد. همچنین برآورد برای منابع تغذیهٔ این دستگاه‌ها نباید بیش از حد باشد، یا اینکه کمتر از ظرفیت استفاده بشوند.

تعدیل

ممکن است لازم باشد برای اصلاح شرایط ناپایدار پیش‌آمده، همچنین برای اطمینان از اینکه مرکزداده در آینده به ناپایداری دچار نمی‌شود کارهایی انجام گیرد. برای این منظور نخست به گزینه‌های مشکلات کنونی می‌پردازند، آنگاه برای جلوگیری از مشکلات آینده گزینه‌های بیشتر را بررسی می‌کنند. توجه کنید که هر مرکزداده‌ای به تعدیل نیاز ندارد. ازاین‌رو مگر هنگامی که در تحلیل ریسک آشکار بشود شرایطی رخ داده که اصلاح را هم‌اکنون یا در آینده ضروری کرده است، به‌کاربردن سیاست کاهش ریسک لازم نیست. در ادامه گزینه‌هایی را برای اصلاح بیش از حد بودن جریان بی‌اثر پیش‌افتاده بیان می‌کنیم:

قطع‌کردن بار از ژنراتور

هرگاه بار ژنراتور قطع شود، منابع تولید‌کنندهٔ جریان بی‌اثر نیز قطع می‌شوند. هنگامی می‌توان از پایداری ژنراتور اطمینان داشت که مقدار جریان بی‌اثر از مقدار مبنای انتخاب‌شده کمتر باشد؛ یعنی کمتر از آستانهٔ ناپایداری ۲۰ درصد، مانند ۱۵ درصد از جریان نامی ژنراتور. به‌شکل مطلوب نخست باید دستگاه‌های فاوایی را قطع کرد که بیشترین ظرفیت خازنی در کیلووات را دارند. اجرای پروژه‌های مجازی‌سازی فاوا نیز معمولا مصرف را کاهش می‌دهد و تقریبا همیشه تعداد زیادی از سرورهای کوچک را کنار می‌گذارد که اغلب خود بدترین منبع جریان بی‌اثر هستند. بدین ترتیب اجرای پروژهٔ مجازی‌سازی فرصتی فراهم می‌کند که هم مصرف فاوا کاهش یابد و هم ماهیت مصرف تجهیزات فاوا تغییر کند و ظرفیت خازنی در هر کیلووات کم شود. رفع مشکل با چنین پروژه‌هایی ممکن است موقت یا همیشگی باشد.

استفاده از بار مجازی القایی

«بار مجازی القایی» (Inductive Load Bank) گروهی از کویل‌های بزرگ القاگر است که بر باس ژنراتور قرار دارند. از این طریق مقدار ثابتی از جریان بی‌اثر پس‌افتاده تولید می‌شود تا بر جریان پیش‌افتاده‌ای که مصارف فاوا تولید می‌کنند غلبه کند. بار مجازی را می‌توان بر خروجی ژنراتور یا بعد از UPS اعمال کرد. از آنجا که بار مجازی هدررفت نیز دارد، باید درست در خروجی ژنراتور قرار گیرد که منطقا غیر فعال است تا بهره‌وری انرژی به حداکثر برسد.

با نصب بار مجازی القایی مجهز به کلید اتوماتیک که اگر نیاز شود القاگرها را اضافه یا حذف می‌کند، می‌توان جریان پیش‌افتاده را تنظیم کرد. فکر اصلی این است که اگر جریان پیش‌افتاده با گذشت زمان تغییر کرد، کلیدها القاگرها را روشن و خاموش کنند و ضریب توان را نزدیک به مقدار مطلوب مبنا مانند عدد ۱ نگه دارند. هرچند که در واقع چنین دقتی در متعادل‌سازی ضرورت ندارد و به هزینه و پیچیدگی آن نمی‌ارزد.

برنامهٔ عملی آن است که دو «بار مجازی» اصلی توسط کلیدهای دستی تغذیه شوند و ظرفیت آن‌چنان باشد که هرگاه با هم به کار روند، پایداری سیستم را تضمین کنند. برای نمونه می‌توان از دو بار القایی، یکی با ۵ درصد و دیگری ۱۰ درصد از جریان ژنراتور، برای اعمال جریان بی‌اثر پس‌افتادهٔ ۰، ۵، ۱۰، ۱۵ درصد بر ژنراتور بهره گرفت. بدین ترتیب تقریبا در هر وضعیت ممکن می‌توان بر ضریب توان پیش‌افتاده غلبه کرد. می‌توان دستگاه‌ها را بر اساس مصرف عملیاتی مرکزداده به‌شکل دستی به منابع بار اضافه کرد. همچنین تعیین مقادیر کمترِ بار مجازی القایی، بسته به تحلیل ریسک ممکن است عملی باشد. تجهیزات بار مجازی القایی محصول استانداردی نیستند؛ ولی برخی سازندگان آن‌ها را مطابق مشخصات درخواست‌شده می‌سازند. [7]

دربارهٔ رفتار بار مجازی القایی در هنگام تغذیه با برق نگرانی‌هایی وجود دارد. به‌طور کلی در بار مجازی القایی به‌دلیل اشباع مغناطیسی، جریان هجومی (Inrush Current) رخ می‌دهد؛ مگر هنگامی که به‌ویژه برای جلوگیری از همین مشکل با هستهٔ بزرگ‌تر از نیاز طراحی شده باشد که در این‌صورت نیز بسیار سنگین می‌شود و گران درمی‌آید. به همین دلیل خوب است هر مداری که در معرض قطع خودکار قرار دارد، در بالادست خود بار مجازی داشته باشد. مکان مطلوب برای بار مجازی بی‌شک درست در خروجی ژنراتور است.

گاهی پیشنهاد می‌شود بار مجازی القایی را در پایین‌دست UPS بگذارند تا هم ژنراتور و هم UPS کمتر به جریان بی‌اثر پیش‌افتاده دچار شوند. چنین پیشنهادی را می‌دهند زیرا می‌پندارند بار مجازی می‌تواند مشکل ضریب توان پیش‌افتاده را در UPS برطرف کند. توجه کنید که برخی از مشکلاتی که UPS با ضریب توان پیش‌افتاده دارد، در واقع از دیگر تاثیرات خازن‌ها در بار ایجاد می‌شود. [8] ازاین‌رو اگر از بار مجازی القایی نیز استفاده شود، این خازن‌ها همچنان هستند و بر UPS تاثیر می‌گذارند. اگر بار مجازی را در پایین‌دست UPS نصب کنند، پی‌درپی در معرض شرایط گوناگون تغییر مسیر قرار می‌گیرد، همچون انتقال به بای‌پس، که وضعیت نامطلوبی از نوسانات آنی ایجاد می‌کند. مگر آنکه بار مجازی به‌ویژه چنان طراحی شده باشد که با اشباع مغناطیسی دستخوش جریان هجومی نشود.

نصب سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان

«سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان» [9] دستگاهی است که به‌عنوان فیلتر فعال شناخته می‌شود و می‌تواند ضریب توان را اصلاح کند. همچنین از گذر هارمونیک‌های مرتبهٔ پایین‌تر، به‌ویژه سوم و پنجم، به تجهیزات بالادست و بازگشت به منبع برق جلوگیری می‌کند. این دستگاه مدل‌های بسیاری دارد که الگوهای گوناگونی از کارکرد ارائه می‌دهند. برخی از آن‌ها نیز قابلیتی دارند که می‌توانند جریان بی‌اثر پیش‌افتاده را حذف کنند. این سیستم همواره تلاش می‌کند با زدودن هر دو جریان بی‌اثر و هارمونیک، ضریب توان را نزدیک به عدد ۱ نگه دارد. همچنین در کلیدزنی هیچ جریان گذرا ایجاد نمی‌کند. چون این سیستم پیوسته ضریب توان را اصلاح می‌کند، نیازی به بررسی مداوم ندارد. این دستگاه از بار مجازی القایی بسیار سبک‌تر و کوچک‌تر است. در شکل ۱۳ نمونه‌ای از این دستگاه را که معمولا در مرکزداده به‌کار می‌رود مشاهده می‌کنید.

دستگاهی که در شکل ۱۳ می‌بینید می‌تواند جریان بی‌اثر را در ژنراتور‌های ۲ مگاولت‌آمپری چندان که باید برطرف سازد. دستگاه‌های الکترونیکی اصلاح ضریب توان که همانند نمونهٔ بالا باشند، همچنین می‌توانند هم‌زمان شرایط نامطلوبی را که با جریان‌های هارمونیک تحمیل می‌شود اصلاح کنند. اگر به‌کار گرفتن این دستگاه‌ها به‌شکل هم‌زمان هر دو گونه مشکل ناشی از ضریب توان پیش‌افتاده و جریان هارمونیک را به‌شکل مطلوب از میان ببرد، راهکار موثری خواهد بود. [مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ مشکل هارمونیک‌ها] فیلترهای فعال در مقایسه با بار مجازی القایی غیرفعال، مزایای بیشتری فراهم می‌کنند ولی گران‌تر هستند؛ یعنی حدود ۱۸۰ دلار بر کیلوولت‌آمپر راکتیو نسبت به ۷۰ دلار برای راهکار غیرفعال. اگر تحمل جریان راکتیو ۱۵ درصدی برای دستگاه برآورد شود، این هزینه از ۵ درصد هزینهٔ ژنراتور کمتر خواهد بود.

شکل ۱۳: سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان با قابلیت اصلاح ضریب توان پیش‌افتاده و جریان نامی ۳۰۰ آمپر (Schneider Electric AccuSine)

شناسایی زیان‌بارترین دستگاه‌های فاوا و جایگزین کردن آن‌ها

ظرفیت خازنی در دستگاه‌های فاوا بسیار متنوع است. علت بخش بزرگی از جریان بی‌اثر کلی در بعضی از مراکزداده، همان اجرای گستردهٔ دستگاه‌هایی است که ظرفیت خازنی زیادی دارند. اگر چنین دستگاه‌هایی شناسایی بشوند، می‌توان آن‌ها را با دستگاه‌های جدیدی که ظرفیت خازنی کمتر دارند جایگزین کرد. این برای به‌روزرسانی‌ فاوا و در برنامهٔ مجازی‌سازی کار مناسبی است.

موارد بالا سیاهه‌ای از گزینه‌های پیشنهادی بود که برای اصلاح جریان بی‌اثر پیش‌افتادهٔ شدیدی که ژنراتور را ناپایدار می‌کند بیان کردیم. هنگامی که مرکزداده هنوز طراحی نشده باشد یا هنوز به شرایط بحرانی نرسیده باشد، گزینه‌های بیشتری هست که می‌توان به‌کار برد:

انتخاب فروشندهٔ تجهیزات فاوا بر اساس ظرفیت خازنی منبع تغذیه

برای انتخاب فروشندهٔ هر نوع دستگاه فاوایی که ممکن است به‌تعداد زیاد در مرکزداده نصب بشود، ظرفیت خازنی ورودی باید یکی از معیارها باشد. در اجرای سرورهای بزرگ اگر ظرفیت خازنی ورودی آن‌ها به پایین بازهٔ مُجاز و معمول نزدیک باشد، می‌توان اطمینان داشت که در هر شرایطی ژنراتور پایدار خواهد بود. از آنجا که ظرفیت خازنی معمولا پارامتر مشخصی نیست، پایین‌بودن آن را یا با ارزیابی و آزمون‌های پذیرش به دست می‌آورند، یا فروشندهٔ سرور با گارانتی عملکرد ضمانت می‌کند. اگر ضریب توان اندازه‌گیری‌شدهٔ ورودی برابر ۰٫۹۹ در مصرف ۵۰ درصد باشد، می‌توان اطمینان داشت که بیشینهٔ ظرفیت خازنی برابر با ۴ میکروفاراد به‌ازای هر کیلووات از مصرف نامی منبع تغذیه است. این مقدار را به‌عنوان ضرورت عملی مبنا در نظر می‌گیرند.

پرهیز از به‌کاربردن سرورهای کوچک به‌تعداد بسیار زیاد

دستگاه‌های کوچک فاوا همچون سرورهای 1U معمولا در هر کیلووات از مصرف فاوا ظرفیت خازنی بیشتری دارند. ازاین‌رو اگر در طراحی فاوا از تعداد کمتری سرور بزرگ‌تر استفاده بشود، در اغلب مواقع نه همیشه، ظرفیت خازنی کمتر خواهد بود.

طراحی برای بهره‌برداری هرچه بیشتر از منبع تغذیه

پیش‌تر گفتیم توان راکتیو پیش‌افتاده با ظرفیت منبع تغذیهٔ فاوا تناسب دارد؛ ولی از مقدار واقعی وات مصرفی فاوا مستقل است. به همین دلیل نیز برآورد بیشتر از نیاز یا استفادهٔ کمتر از ظرفیت در منبع تغذیه موجب می‌شود ظرفیت خازنی ورودی از مقدار نیاز مصارف فاوا بیشتر شود. هنگامی که کار برنامه‌ریزی برای اجرای تعداد زیادی سرور یکسان انجام می‌شود، بهتر است زمان کافی برای بررسی استفاده از منبع تغذیه در پیکربندی‌های پیشنهادی سرور صرف بشود، تا سیستم به برآورد بیشتر از نیاز در منابع تغذیه دچار نشود.

پرهیز از تغذیهٔ هر دو مسیر برق با یک ژنراتور

انواع گوناگونی از معماری برق دو مسیره در طراحی مرکزداده به‌کار می‌رود. دستگاه‌های فاوا در بیشتر طرح‌ها دارای ۲ کابل و دوشاخهٔ جداگانه و منابع تغذیهٔ داخلی هستند. مقدار بار ضروری در میان دو مسیر تقسیم می‌شود؛ چنان‌که اگر یک مسیر از کار بیفتد، مسیر دیگر می‌تواند برق همهٔ مصرف فاوا را به‌خوبی فراهم کند. بدین ترتیب همواره ممکن است یک مسیر به‌شکل ناگهانی متحمل مصرف مسیر دیگر شود و با افزایش پله‌ای در معرض بار ۲ برابر وضعیت معمول قرار گیرد. هنگامی که چنین می‌شود، هنوز هر دو مسیر به‌شکل فیزیکی به منبع تغذیه متصل هستند. ازاین‌رو مصرف برق ۲ برابر می‌شود ولی ظرفیت خازنی بدون تغییر می‌ماند. در بسیاری از طراحی‌ها، حالت‌های کارکردی وجود دارد که در آن ممکن است منابع تغذیهٔ هر دو مسیر یکی شوند و بر یک مسیر قرار گیرند. علت اصلی آن کنترل‌های منطقی در مسیرهای برق است. اگر کلید متصل‌کنندهٔ بین باس‌های بعد از ژنراتور (Cross-tie) وصل باشد، دو برابر شدن منابع تغذیهٔ متصل موجب می‌شود ظرفیت خازنی در مسیر تغذیه ۲ برابر شود. چنین وضعیتی در هنگامی که سیستم با ژنراتور تغذیه می‌شود، آن را به شرایط ناپایدار می‌کشاند. مشکلی که بیان کردیم دلیل خوبی برای استفاده‌نکردن از این کلیدها در طراحی است.

نتیجه‌گیری

در این مقاله دربارهٔ مشکل ناپایداری ژنراتور در مرکزداده توضیح دادیم و گفتیم که عامل اصلی این مشکل جریان راکتیو پیش‌افتاده‌ای است که دستگاه‌های فاوا تولید می‌کنند. ناپایداری در شرایط عملیاتی تقریبا هرگز رخ نمی‌دهد. زیرا سیستم UPS میان ژنراتور و دستگاه‌های فاوا قرار گرفته و از ژنراتور در برابر جریان‌ راکتیو پیش‌افتاده حفاظت می‌کند. مشکل هنگامی رخ می‌دهد که دستگاه‌های فاوا یک‌راست به ژنراتور متصل شده باشند؛ مانند وقتی‌که UPS بای‌پس شده یا در شرایط نگهداری باشد. بدین ترتیب ناپایداری ممکن است مدت‌ها بروز نکند؛ ولی به‌ناگاه در هنگام رخ‌دادن حادثه‌ای یا در گیرودار تعمیر و نگهداری پیش بیاید و به‌شکل آزاردهنده‌ای ناگهانی و دور از انتظار باشد.

در اینجا برای ارزیابی مراکزدادهٔ موجود یا آن‌ها که در دست برنامه‌ریزی هستند، راهنمایی عملی ارائه دادیم تا بتوان ناپایداری‌های احتمالی ژنراتور را شناسایی کرد. راهبردهایی نیز برای جلوگیری از احتمال ناپایداری بیان شد. تجزیه‌وتحلیل احتمال ناپایداری ژنراتور باید بخش پیش‌بینی‌شدهٔ طراحی موثر مرکزداده باشد و در هر برنامهٔ مدیریت موثر مرکزداده گنجانده شود.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 200: “Impact of Leading Power Factor on Data Center Generator Systems” (Revision 0)

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] شیوهٔ دیگر بررسی موضوع چنین است: برق در هر لحظه به مصرف‌کننده می‌رسد و در لحظهٔ پس از آن دوباره به منبع بازمی‌گردد. بدین ترتیب برق  میان منبع و مصرف در رفت‌وبرگشت است؛ ولی مقدار تامین آن در شبکه به‌شکل میانگین صفر شده و هیچ توانی فراهم نمی‌شود.

[3] Power Factor Correction

[4] با اینکه براساس نمونه‌گیری‌ها معتقدیم بیش از ۹۸ درصد از منابع تغذیهٔ فاوا مقدار ظرفیت خازنی‌شان در این بازه قرار می‌گیرد، امکان دارد بیشتر یا کمتر از این نیز باشد. چنین به‌نظر می‌رسد که ظرفیت خازنی در چند مدل از سرورهای بسیار کوچک اندازهٔ غیرمعمول یا بزرگ‌تر دارند. بدین ترتیب اگر تعداد زیادی از یک نوع سرور کوچک اجرا شده باشد، بهتر است برای روشن‌شدن مقادیر واقعی ظرفیت خازنی، به‌جای به‌کار بردن مقادیر معمول، آزمایش انجام بشود. روش‌های انجام این آزمایش‌ها و آزمون‌ها در همین مقاله آمده است.

[5] می‌توان معماری‌هایی  را برای مراکزداده طراحی کرد که منابع تغذیهٔ دو مسیر هرگز به یک ژنراتور و از یک مسیر متصل نشوند. این موضوع را در ادامه بررسی می‌کنیم.

[6] محاسبهٔ توان راکتیو در سیستم‌های الکترونیکی، با قیمت منطقی چنانکه به لحاظ فنی نیز درست باشد کار دشواری است. این کار معمولا به فرآیند پیچیدهٔ DSP نیاز دارد. بیشتر ابزارهای اندازه‌گیری در محاسبهٔ توان یا جریان راکتیو، از روش‌های ساده‌ای استفاده می‌کنند که با وجود جریان هارمونیک، مقدار جریان بی‌اثر را غیر واقعی و بیشتر از واقعیت نشان می‌دهند.

[7] شرکت  Simplex, Inc of Springfield, Ill, USA نمونه‌ای است از شرکت‌هایی که می‌توانند مصارف مجازی القایی را مطابق مشخصات درخواست‌شده تامین کنند.

[8] مشکل «قوس الکتریکی» یا «خال‌زدگی در قطعات کلید» ممکن است به‌دلیل ظرفیت خازنی زیاد در مصرف فاوا رخ دهد. این مشکلات ناشی از ظرفیت خازنی است و به ضریب توان ارتباط ندارد. بدین ترتیب اصلاح ضریب توان به حل آن کمکی نمی‌کند.

[9] Electronic Power Factor Correction System