اخبار مرکزداده مطالب ویژه مقالات نقد و بررسی

تاثیر ضریب توان پیش افتاده بر ژنراتورهای مرکز داده

معمولا در مراکز داده از ژنراتورهای دیزلی یا گازی استفاده شده تا برای مدت زمان طولانی قطع برق یا حین اقدامات مشخص تعمیر و نگهداری که برق اصلی قطع شده، برق جایگزین تامین شود. در حالی که این ژنراتورها، ماشین‌آلات مقاومی هستند که اغلب می‌توانند بارهای پلکانی، اضافه‌بار و دیگر شرایط را به راحتی تحمل کنند، اما در کاربری‌های مرکز داده مواردی گزارش و ثبت شده که ژنراتورها، حتی در محدوده‌ی بار مجاز خود نیز، دچار خاموشی شده است. در شرایطی که این موارد رخ داده، مصرف فاوا مستقیما توسط ژنراتور تغذیه شده و UPS اصطلاحا Bypass شده است. این شرایط وقتی پیش آمده که UPS در حالت Bypass قرار گرفته، یا سیستم از tier 3 یا دیگر طراحی‌هایی بوده که مسیر برق آن به مصارف فاوا، تحت حفاظت UPS قرار نداشته است.

ممکن است مصارف فاوا ویژگی داشته باشند که در آن جریان از ولتاژ پیش افتاده که اصطلاحا  ” ضریب توان پیش‌افتاده ” نامیده می شود. مشکل آنست که تمام ژنراتورها، به سختی از عهده‌ی تحمل چنین ویژگی بر می‌آیند. اگر همواره یک UPS در حال کار، در مسیر برق مرکز داده، بین مصارف فاوا و ژنراتور قرار داشته باشد، مرکز داده هرگز با چنین مشکلی روبرو نخواهد شد. زیرا در کل UPSهای مدرن، با ضریب توان پیش افتاده مواجه نشده و به طور موثری ژنراتور را از چنین مشکلاتی مصون نگه می‌دارند. اگرچه، وقتی UPS به طور خودکار یا دستی (از طریق Bypass نگهداری یا استاتیکی) Bypass شود، ژنراتور مجبور به تامین توان پیش افتاده در مصارف فاوا خواهد بود که به خرابی ژنراتور منجر شده که در نهایت در بدترین زمان ممکن، وقتی بیش از همیشه مورد نیاز است، ژنراتور خاموش خواهد شد.

ژنراتور می‌تواند کمی ضریب توان پیش‌افتاده را تحمل کند در نتیجه، مرکز داده ممکن است در ابتدا به عملکرد خود ادامه دهد اما با گذشت زمان، مشکل تشدید شده و تجهیزات فاوا به آهستگی در طول زمان تغییر می یابند که این امر، بر ضریب توان تاثیر می‌گذارد.

متاسفانه، سردرگمی وسیعی در مورد نحوه‌ی ارزیابی ریسک این مشکل وجود داشته و تنها با تحلیلی سطحی از یک طراحی یا نصب خاص، نمی‌توان برآورد دقیقی از ریسک‌ها به دست آورد. علاوه بر آن، پس از شناسایی ریسک نیز، تعیین بهترین راه‌کار برای آن، می‌تواند بسیار دشوار باشد.

این مقاله با توضیح ماهیت این مشکل، نحوه‌ و زمان بروز آن، بررسی خود را آغاز می‌کند. سپس روش‌هایی برای ارزیابی تاسیسات موجود ارائه می‌دهد تا احتمال بروز این مشکل مشخص شود. در نهایت، تکنیک‌ها و تجهیزاتی نیز برای اصلاح این مشکل معرفی خواهد شد.

ضریب توان در مرکز داده

برای درک ماهیت ضریب توان و آثار مختلف آن، و ایجاد مبنایی برای درک تاثیر آن بر ژنراتورها، پیشینه‌ای از مسایل پیچیده‌ی مرتبط با ضریب توان مطرح می‌شود.

در یک سیستم برق AC، منبع تولید برق ولتاژی با شکل موج سینوسی ایجاد کرده و مصرف نیز شکل موج جریان را تعیین می‌کند. در ساده‌ترین حالت از مصرفی که اصطلاحا بار اهمی نامیده شده(مانند هیتر یا لامپ حرارتی)، شکل موج جریان منطبق بر شکل موج ولتاژ بوده و دقیقا همزمان شده­اند(مطابق شکل 1). در شکل 1، حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان در هر ثانیه از زمان همواره مثبت است. طبق تعریف، بار اهمی ضریب توان 1 دارد، به عبارتی 100% از جریان مصرفی در انتقال مقدار وات برق به مصرف فاوا، نقش دارد. در حالت ایده‌آل، تمامی مصارف ضریب توان 1 خواهند داشت.

اگرچه، انواع مختلفی از مصارف الکتریکی از جریان‌هایی استفاده می‌کنند که بر مقدار وات از برق تغذیه شده برای مصرف، تاثیری ندارند. این جریان‌های عموما نامطلوب، وات توان مصرفی را به محل مصرف منتقل نمی‌کنند زیرا در زمان‌بندی درستی با شکل موج ولتاژ قرار ندارند (جریان‌های بی­اثر)، یا آن که فرکانس متفاوتی از منبع ولتاژ دارند(جریان‌های هارمونیک). در شکل 2، دو شکل موج متفاوت (با زمان‌بندی متفاوت) نشان داده شده (که یعنی جریان هارمونیک نیست) اما شکل موج جریان، 90° جلوتر از شکل موج ولتاژ است. در این حالت، در نیمی از زمان، حاصل‌ضرب آنی ولتاژ و جریان مثبت بوده و در نیم دیگر زمان، منفی خواهد بود. بدان معنا که برق تغذیه شده در مصرف، بین حالت مثبت و منفی در تناوب است و متوسط مقدار وات آن نیز صفر[1] است. وقتی با چنین ولتاژی، جریان بی اثر قرار گیرد، هیچ متوسط توانی در محل مصرف تامین نمی‌شود.

جریان واقعی مصرفی را می‌توان به سه قسمت تقسیم کرد: قسمت داخل فاز با ولتاژ (قسمت موثر در انتقال وات از برق مصرفی)، جریان بی‌اثر که بی اثر قرار گرفته (قسمتی که در انتقال برق مصرفی موثر نیست) و قسمت شامل هارمونیک‌ها (که این قسمت نیز در انتقال برق نقش ندارد).

شکل 1: نمودار شکل موج ولتاژ و جریان با شکل یکسان و زمان منطبق
شکل 1: نمودار شکل موج ولتاژ و جریان با شکل یکسان و زمان منطبق
شکل 2: نمودار شکل موج ولتاژ و جریان با شکل یکسان و جریان در زمان 90° پیش‌تر از ولتاژ است.
شکل 2: نمودار شکل موج ولتاژ و جریان با شکل یکسان و جریان در زمان 90° پیش‌تر از ولتاژ است.

نسبت قسمتی از جریان که وات برق را به محل مصرف منتقل کرده، به کل جریان (شامل جریان بی ‌اثر و هارمونیک)، ضریب توان نامیده می‌شود. در نتیجه، ضریب توان مصرف همواره بین 0 و 1 می‌باشد. ضریب توان 1 به معنای آنست که تمامی جریان، برق را به محل مصرف منتقل کرده و ضریب توان 0 نیز بدان معناست که هیچ مقداری از جریان در این انتقال نقش ندارد (یعنی تمام جریان بی اثر یا هارمونیک است).

هر دو جریان بی اثر و هارمونیک، در کاهش ضریب توان از مقدار ایده آل آن (1) تاثیر داشته و می‌توانند برای مراکز داده مشکل‌ساز شوند. هر دو جریان، موجب شده تا مشخصات کابل‌ها، ترانسفورمرها و شاخه‌مدارها بیشتر از مقدار مورد نیاز برآورد شده تا این جریان اضافی را تحمل کنند. هرچند جریان‌ها هارمونیک مشکلات اضافی منحصر به فردی مانند حرارت بیش از حد در موتورها و ترانسفورمرها و اعوجاج ولتاژ ایجاد کرده و می‌تواند به حرارت بیش از حد در کابل خنثی در مدار سه فاز نیز بیانجامد. قسمت بی اثر جریان که تحت عنوان “جریان راکتیو” شناخته شده، می‌تواند بر تنظیم ولتاژ در سیستم‌های برق تاثیر گذاشته و منبع مشکلات ژنراتورها (موضوع اصلی این مقاله) محسوب می‌شود.

عمده‌ی سردرگمی‌های مرتبط با ضریب توان، همان ناتوانی در  شناخت دو نوع جریان متفاوتی است که در کاهش ضریب توان موثرند که با نام هارمونیک و جریان راکتیو شناخته شده و مشکلات مختلفی ایجاد می‌کنند.

متاسفانه، وقتی گفته شده که مصرف دارای ضریب توان 0.8 است، مشخص نیست که علت این کاهش از مقدار 1، جریان هارمونیک یا جریان راکتیو است. درک اثرات ضریب توان بر ژنراتورها نیازمند اطلاعات مشخص بیشتری از این جریان‌هاست.

ابزار سنجشی دیگری از ضریب توان وجود دارد که در تعیین مقدار جریان هارمونیک و جریان بی اثر، موثر است. “ضریب توان اصلاحی” که گاهی نیز “ضریب توان پایه” خوانده شده، همان ضریب توانی است که با حذف جریان‌های هارمونیک از طریق محاسبات ریاضی یا اندازه‌گیری به دست می‌آید. با حذف جریان هارمونیک، محاسبه‌ی ضریب توان تنها شامل جریان راکتیو یا بی اثر خواهد بود. همان طور که در ادامه نشان داده خواهد شد، این کار در تحلیل تاثیر ضریب توان بر ژنراتورها مفید است. اگرچه، این روش خاص اندازه‌گیری تنها در انواع محدودی از تجهیزات که مشخصا برای این منظور طراحی شده‌اند، امکان‌پذیر است.

جریان‌های راکتیو توسط بارهای “القایی” یا “بار خازنی” ایجاد می‌شود. در بارهای القایی همچون بار موتورها، شکل موج مشابه جریان بی اثر بوده زیرا از شکل موج ولتاژ عقب‌تر است و نسبت به آن تاخیر دارد. به همین دلیل، گفته می‌شود که بارهای القایی ضریب توان پس‌افتاده دارند. با بارهای خازنی، باز هم شکل موج، جریان بی اثر است اما در واقع در زمانی زودتر از شکل موج ولتاژ آغاز می‌شود. به همین دلیل گفته می‌شود که بارهای خازنی ضریب توانی پیش افتاده دارند.

مقدار ضریب توان (مانند ضریب توان 0.9) هیچ اطلاعاتی از زمان جریان بی اثری که مسبب آن بوده، ارائه نمی‌دهد. در نتیجه در بررسی ضریب توان مرتبط با جریان راکتیو، اغلب باید با عباراتی همچون “ضریب توان پیش‌افتاده” یا “ضریب توان پس‌افتاده” تلاش کرد توضیحات بیشتری داده شود. این تفاوت، به خصوص در تعریف نحوه‌ی تاثیرگذاری ضریب توان بر ژنراتورها اهمیت داشته که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

جریان‌های هارمونیک، توسط بارهای “غیرخطی” ایجاد شده که از جریانی با شکل موجی متفاوت از شکل موج ولتاژ برق شهری، تغذیه می‌شود. متداول‌ترین بارهای غیرخطی، دیمر نوری یا منبع برق است. منابع برق فاوای قدیمی، دارای ضریب توان تقریبی 0.65 بودند. جریان‌های هارمونیکی که در این منابع برق مصرف می‌شد، معمولا بیشتر از نیمی از کل جریان مصرفی بود و باعث کاهش ضریب توان می‌شد (جریان بی اثر یا راکتیو در این منابع برق اولیه‌ی فاوا چندان قابل توجه نبود). وقتی تعداد زیادی از دستگاه‌های فاوا در کنار هم نصب شدند، مانند مرکز تماس یا مراکز داده، این جریان‌های هارمونیک کم کم مشکل‌ساز شده و همان گونه که پیشتر مطرح شد، به گرمای بیش از حد در کابل خنثی و ترانسفورمرها انجامید.

در بعضی موارد حاد، حتی آتش‌سوزی نیز اتفاق افتاد. در مواجهه با این مشکل، مقررات بین‌المللی در دهه‌ی 90 میلادی تدوین شد تا جریان‌های هارمونیک مجاز در منابع برق را محدود سازد و تمام منابع برق مدرن فاوا، مجهز به کارکرد اصلاح ضریب توان شدند که تا حد محسوسی از جریان‌های هارمونیک و تاثیر آن بر سیستم‌های توزیع برق کاسته شود. آنچه باید در این مورد بدانیم آنست که منبع برق فاوا با “ضریب توان اصلاح شده”، با هدف حذف جریان هارمونیک بکار گرفته شده اما در اصلاح جریان بی اثر، نقشی ندارد. در واقع در مقایسه با منابع قدیمی‌تر برق غیرمنقطع، منابع برق با ضریب توان اصلاح شده می‌توانند جریان بی اثر بیشتری تولید کنند.

این جریان‌های راکتیو بی اثر هستند که در منابع برق با ضریب توان اصلاح شده باقی مانده و بر ژنراتورها تاثیر می‌گذارند. پیش از بررسی تاثیر بر ژنراتورها، بهتر است به نحوه ی تولید جریان‌های راکتیو در منابع برق پرداخته شود.

خصوصیات ضریب توان در مصارف فاوا

تقریبا تمام منابع برق فاوا با ضریب توان اصلاح شده، با اصول مشابهی کار می‌کند که در شکل 3، نشان داده شده است. در اصل، منبع برق با ضریب توان اصلاح‌شده را می‌توان به سادگی همان منبع برق سنتی در نظر گرفت که به آن “ماژول تقویت PFC[2]” اضافه شده تا در نقش فیلتری، از برق ورودی اصلی در برابر جریان‌های هارمونیک (که معمولا در منابع برق سنتی تولید شده) محافظت کند.

این “فیلتر” ماژول تقویت خط PFC در واقع یک مبدل برق با فرکانس بالاست که مشابه دستگاه مدرن تقویت‌کننده‌ی صدا، جریان ورودی را به شکل موج سینوسی در می‌آورد. فرکانس کلیدزنی این مبدل برق، معمولا در بازه‌ی 20-200 کیلوهرتز است و مدارهای اصلاح ضریب توان در حذف جریان‌ها هارمونیک بسیار موثر عمل می‌کنند. این مبدل ها بنا بر ماهیت خود، ولتاژ بالا و مدارهای کلیدزنی با فرکانس بالا دارند و به فیلتری شامل القاگر و خازن در ورودی برق شهری نیاز دارند تا از ورود فرکانس‌های بالا که نوعی تداخل فرکانس رادیویی ایجاد کرده، جلوگیری کنند و اجازه ندهند این فرکانس‌ها از منبع برق به برق شهری بازگردند.

یکی از قسمت‌های اصلی این فیلتر، خازن‌هایی است که در شکل 3، با علامت C1 نمایش داده شده است. این فیلتر خازن ورودی است که جریان بی اثر ایجاد کرده و مقدار ضریب توان را از مقدار ایده‌آل (1) کاهش می‌دهد. حتی اگر منبع برق با ضریب توان اصلاح شده در حذف تمام جریان‌های هارمونیک، بی نقص عمل کند، باز هم این خازن جریان بی اثر تولید کرده و ضریب توان منبع همچنان کمتر از 1 خواهد بود.

شکل 3: نمودار منبع برق با ضریب توان اصلاح شده، نشان‌دهنده ی ماژول تقویت PFC
شکل 3: نمودار منبع برق با ضریب توان اصلاح شده، نشان‌دهنده ی ماژول تقویت PFC

باید توجه داشت که حتی وقتی منبع مصارف کم را تغذیه کرده یا در بسیاری موارد اگر دستگاه‌های فاوا خاموش شوند، باز هم خازن مشابهی در ورودی منبع برق با ضریب توان اصلاح شده قرار می‌گیرد. در نتیجه، جریان بی اثری که توسط خازن تولید شده، به سادگی یکی از مشخصات ثابت دستگاه‌های فاوا محسوب شده و از مقدار برق مصرفی دستگاه مستقل است. به عبارت دیگر، در واقع با کاهش مصرف برق، ضریب توان یک دستگاه فاوای مشخص کاهش یافته، زیرا از جریان موثر در وات مصرفی کاسته شده اما جریان بی اثر خازنی همچنان ثابت باقی می‌ماند. این تاثیرات در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4 نشان داده که با کاهش بار منبع برق، ضریب توان تضعیف می‌شود. اگر قرار باشد یک سرور توسط دو مسیر برق و از طریق دو منبع برق داخلی 600W تغذیه شود و توان واقعی سرور، 300W (یعنی 150W در هر مسیر برق) باشد، در آن صورت این منبع با 25% از ظرفیت خود کار می‌کند که مطابق با شکل، ضریب توان بسیار کمتر از مقدار مورد انتظار(در کار با ظرفیت کامل) است. در کل، هر گاه، منابع برق بیشتر یا کمتر از ظرفیت خود، استفاده شوند، برای هر kW از مصرف فاوا به خازن‌های بیشتری نیاز است که در نتیجه مقدار درصد جریان‌های بی اثر راکتیو در کل مصرف فاوا افزایش می‌یابد.

شکل 4: نسبت افزایش ضریب توان تجهیزات فاوا به افزایش بار
شکل 4: نسبت افزایش ضریب توان تجهیزات فاوا به افزایش بار

داده‌های شکل 4 در مورد منبع برقی است که ظرفیت خازنی آن 10uF به ازای هر kW از ظرفیت منبع برق است. این ظرفیت بسیار بالاتر از بازه‌ی متداول مشاهده شده در ظرفیت خازنی تجهیزات فاوای واقعی است. در نتیجه، منحنی ضریب توان این شکل، جز کمترین منحنی‌هایی ‌است که انتظار می‌رود در سرورهای واقعی مشاهده شود. سرورهای معمول منحنی با شکلی مشابه اما مقادیری بالاتر از این شکل، نشان خواهند داد. در شکل 5، مجموعه‌ای از داده‌های منابع برق واقعی نمایش داده شده است.

شکل 5: اندازه‌گیری در منابع برق واقعی نشان‌دهنده‌ی تغییرات ضریب توان با مصرف (80PLUS.org)
شکل 5: اندازه‌گیری در منابع برق واقعی نشان‌دهنده‌ی تغییرات ضریب توان با مصرف (80PLUS.org)

باید توجه داشت که شکل 5 تمامی منابع برقی را نشان می‌دهد که در آن‌ها، ضریب توان در مصارف کم کاهش می‌یابد. در این شکل، منحنی‌های مورد انتظار منابع برق با ورودی مختلف در ظرفیت خازنی به ازای هر kW نشان داده شده است. منبع برقی که کمترین ضریب توان را دارد، منحنی مشابه منحنی شکل 4 (منبع برق با ظرفیت خازنی 10uF به ازای هر kW از ظرفیت) دارد. بالاترین منحنی در شکل 5، ظرفیت خازنی کمتری دارد. در قسمت های بعد توضیح داده خواهد شد که منابع برق با بالاترین منحنی در این شکل، نمی‌توانند به ناپایداری در ژنراتور منجر شوند اما منابع برق با منحنی‌های پایین‌تر به ناپایداری در ژنراتور منتهی می‌شوند.

ظرفیت خازنی یکی از مشخصات خاص در دستگاه فاوای معمولی نیست و همان طور که در شکل 5 مشاهده شده، ممکن است بین دستگاه‌ها متغیر باشد. در نتیجه، برای یک اپراتور بسیار دشوار است که مقدار جریان بی اثر ناشی از نصب ترکیبی از دستگاه‌های فاوا را تعیین کند. حتی اندازه‌گیری ضریب توان واقعی در نصب تجهیزات نیز کافی نبوده زیرا در اندازه‌گیری‌ها، جریان‌های هارمونیک و بی اثر، از هم تفکیک نمی‌شوند. برای تعیین مقدار جریان بی اثر در هر نصب، به اندازه‌گیری‌های خاصی نیاز است که بتواند این دو جریان (هارمونیک و بی اثر) را از هم تشخیص دهد که در ادامه مطرح خواهد شد.

باور آن دشوار است که این فیلترهای کوچک خازنی در منبع برق فاوا، می‌توانند عملکرد یک ژنراتور چند مگاواتی را مختل سازند. هرچند در شرایط زیر ممکن است بر تعداد این خازن‌ها افزود شده و به تعداد قابل توجهی خازن منتهی شود:

  • وقتی همچون مراکز داده، هزاران دستگاه فاوا در کنار هم نصب شوند.
  • وقتی ظرفیت نامی منبع برق داخلی دستگاه فاوا، به طور محسوسی بیشتر از مقدار وات مصرفی دستگاه (دستگاه‌های فاوا با پیکربندی کم یا منابع برق با مصرف بیش از ظرفیت) باشد.
  • مصرف کلی تجهیزات فاوا در مرکز داده، به مقدار کامل مصرف طراحی نزدیک باشد (خازن‌های بیشتر بر ژنراتور).

این موضوع که ژنراتورها در مقابل جریان بی اثر (به خصوص جریان‌های پیش افتاده‌ی ناشی از خازن‌ها) بسیار آسیب‌پذیر هستند، نیز بر پیچیدگی این شرایط می‌افزاید. این پدیده در ادامه توضیح داده خواهد شد.

تاثیرات جریان‌های پیش‌افتاده بر ژنراتورها

ژنراتورها ساختاری پیچیده داشته و توضیح نحوه‌ی کارکردشان فراتر از محدوده‌ی این مقاله است. اگرچه، برای درک نحوه ی تاثرگذاری ضریب توان بر ژنراتورها، حداقل به دانشی سطحی از بعضی اصول کلیدی نیاز است.

ژنراتور دارای آهنر‌بای الکتریکی چرخانی است که دائما از کویل‌های آرماتور سیمی ثابت نشان داده شده در شکل 6، عبور داده می‌شود. میدان مغناطیسی که از کویل‌های استاتور عبور کرده، ولتاژی در خروجی کویل ایجاد می‌کند که ولتاژ خروجی ژنراتور است. ژنراتور با اندازه‌گیری مستمر، ولتاژ خروجی خود را کنترل کرده و با جریان تامین شده در آهنربای چرخان الکتریکی، تنظیم می‌سازد. اگر باری ناگهانی بر ژنراتور وارد شود و ولتاژ کاهش یابد، رگلاتور به کار افتاده و به آهستگی، جریان آهنربای الکتریکی را افزایش داده و متناسب با ولتاژ مطلوب خروجی، تعدیل می‌سازد.

شکل 6: نمودار نشان‌دهنده‌ی اصول پایه در عملکرد ژنراتور سه فاز همزمان
شکل 6: نمودار نشان‌دهنده‌ی اصول پایه در عملکرد ژنراتور سه فاز همزمان

وقتی مصرف تامین شده توسط ژنراتور، ضریب توان خروجی معادل 1 داشته باشد، قدرت میدان مغناطیسی در آهنربای الکتریکی چرخان، تنها تحت تاثیر جریان القایی بوده که با رگلاتور ژنراتور کنترل می‌شود. اگرچه، وقتی مقداری جریان بی اثر در مصرف وجود داشته، این جریان میدان مغناطیسی را داخل روتور ژنراتور تشدید کرده و یا بر میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی افزوده، یا قسمتی از آن را مختل می‌سازد. در نتیجه جریان بی اثر در مصرف، فشار مضاعفی بر سیستم رگلاتور قرار می‌دهد. به عنوان مثال، اگر مصرف دارای جریان پس‌افتاده‌ی بی اثر باشد، قسمتی از میدان مغناطیسی در آهنربای الکتریکی را مختل کرده و رگلاتور باید برای جبران این قسمت، جریان آهنربای الکتریکی را افزایش دهد. به طور بالعکس نیز، اگر مصرف دارای جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثر باشد، بر شدت میدان مغناطیسی افزوده و رگلاتور باید جریان القایی آهنربا را کاهش دهد تا با این افزایش در شدت، مقابله کند.

رگلاتور ولتاژ در ژنراتور، قادر است ولتاژ خروجی را در بازه‌ی وسیعی از شرایط مصرف، شامل مقادیر مختلفی از جریان پیش‌افتاده و پس‌افتاده‌ی بی اثر، تعدیل سازد. با افزایش جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثر، بر شدت میدان مغناطیسی آهنربای الکترکیی چرخان افزوده شده، و همان طور که پیشتر مطرح شد، رگلاتور جریان تامین شده در آهنربا را کاهش می‌دهد. این وضعیت تا زمانی ادامه می‌یابد که جریان بی اثر پیش‌افتاده به قدری افزایش یافته، تا در نقطه‌ای مشخص، دیگر نیازی نیست رگلاتور جریانی برای آهنربای الکتریکی فراهم کند.

یکی از محدودیت‌های تقریبا تمامی ژنراتورها آنست که رگلاتور نمی‌تواند جریان منفی در آهنربای الکتریکی تامین کرده و در نتیجه وقتی جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثر نیز از این مقدار مشخص گذشت، نمی‌تواند افزایش جریان را جبران کند. اگر مقدار جریان بی اثر پیش‌افتاده، از آن نقطه که هنوز بتواند جریان کل میدان مغناطیسی را تامین کند، بگذرد، رگلاتور خاموش می‌شود. در این نقطه، میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی چرخان، تا بیش از مقدار مطلوب شدت یافته و از آن جا که ولتاژ خروجی نیز توسط این میدان مغناطیسی کنترل می‌شود، در نتیجه ولتاژ خروجی ژنراتور نیز به شکلی خارج از کنترل، افزایش می‌یابد. بنابراین، سیستم ایمن‌سازی ژنراتور ولتاژ بیش از حد را شناسایی کرده و کل ژنراتور را فورا خاموش می‌کند.

چنین مشکلی، اصطلاحا مشکل “ضریب توان” در ژنراتور نامیده می‌شود. منشا این مشکل جریان هارمونیک یا جریان راکتیو پیش‌افتاده نیست. این مشکل مشخصا ناشی از جریان راکتیو پیش‌افتاده‌ی بیشتر از مقادیر مشخص آستانه‌ی مجاز است. وقتی جریان بی اثر پیش‌افتاده از مقادیر آستانه فراتر رود، تنظیم ولتاژ خروجی از کنترل ژنراتور خارج شده و به دلیل ولتاژ بیش از حد، خاموش می‌شود. باید توجه داشت در عین حال که جریان راکتیو به ضریب توان کاهش‌یافته منجر می‌شود، اما مقدار جریان بی اثر (و نه مقدار مشخصی از ضریب توان) است که مشکل‌ساز خواهد بود. حال، این موضوع به تفصیل بررسی خواهد شد.

هر ژنراتور دارای مشخصاتی مبنی بر شرایط قابل قبول عملکردی است. مشخصات مربوط به جریان بی اثر قابل قبول در یک ژنراتور مشخص، در “منحنی کارکرد” ارائه می‌شود که یک نمونه از آن، در شکل 7 نمایش داده شده است.

شکل 7: نمونه‌ای از منحنی قابلیت در ژنراتور که نشان‌دهنده‌ی شرایط عملیاتی قابل قبول برای مصرف و ضریب توان است.
شکل 7: نمونه‌ای از منحنی قابلیت در ژنراتور که نشان‌دهنده‌ی شرایط عملیاتی قابل قبول برای مصرف و ضریب توان است.

ناحیه‌ی سبزرنگ این منحنی، شرایط نرمال محسوب شده، ناحیه‌ی زرد رنگ نرمال نیست اما همچنان قابل قبول است. اما عملکرد در نواحی قرمز رنگ امکان پذیر نیست. محورهای افقی اندازه‌ی جریان راکتیو در مصرف ژنراتور نشان داده که جریان راکتیو پیش‌افتاده، در سمت چپ قرار گرفته است. محورهای عمودی همان وات خروجی ژنراتور است. عبارت “در هر واحد” را می‌توان به عنوان “درصدی از ظرفیت نامی” نیز در نظر گرفت. خطوط شعاعی همان خطوط ضریب توان ثابت هستند. در این مبحث، بر ناحیه‌ی زرد رنگی که دقیقا در سمت چپ مرکز منحنی قرار دارد، تمرکز شده است.

اطلاعات مهم این منحنی، شکل ناحیه‌ی زرد رنگ در سمت چپ است. باید توجه داشت که در انتهای محدوده‌ی سمت چپ، منحنی‌ تقریبا تا مقدار 0.2 در هر واحد، به طور عمودی بالا آمده که نشان‌دهنده‌ی شرایطی است که جریان راکتیو پیش‌افتاده نقریبا 20% از کل جریان نامی مصرف ژنراتور را تشکیل می‌دهد. در بالای این سطح از جریان راکتیو پیش‌افتاده، ژنراتور ناپایدار شده و خاموش می‌شود. این منحنی می‌تواند نماینده‌ی مناسبی از ژنراتورهای معمول باشد، در نتیجه یافته‌های کلی زیر استنباط می‌شود:

به عنوان یک قانون کلی، ژنراتورها باید با جریان راکتیو پیش‌افتاده‌ی کمتر از 20% از بیشینه‌ی جریان نامی کار کنند تا از بروز حالت ناپایداری، جلوگیری شود.

توجه شود که ضریب توان در این قانون مطرح نشده است. در واقع، با نگاهی بر خطوط ضریب توان در منحنی سازگاری فوق، می‌توان دریافت که در مرز ناحیه‌ی ناپایداری، ضریب توان به شدت متغیر بوده و از 0 (بدون وات مصرفی) تا تقریبا 0.97 (در بار کامل) تغییر می‌کند. در شکل 8 این مساله به وضوح نمایش داده شده است.

این منحنی مشخصا نشان می‌دهد که ژنراتورهای کم‌بار، تحمل بار بالاتری در برابر تقریبا هر ضریب توانی از خود نشان می‌دهند. اما با افزایش بار، باید ضریب توان را در مقداری بالاتر از عددی مشخص و حیاتی تعدیل کرد که این عدد، در بار کامل، به 0.97 می‌رسد. یک نتیجه‌ی کلیدی در اینجا حاصل می‌شود:

مراکز داده با مصارف کم، با احتمال کمتری از مشکلات ناپایداری روبرو هستند.

همچنین می‌توان درک کرد که چرا سیستم ژنراتور مرکز داده، ممکن است برای سال‌ها پایدار بوده اما با افزایش مصارف فاوا به مرور زمان، ناپایدار گردد.

شکل 8: کمترین ضریب توان قابل قبول برای ژنراتور به عنوان تابعی از مصرف، که در مقادیر کمترین از آن ژنراتور خاموش می‌شود.
شکل 8: کمترین ضریب توان قابل قبول برای ژنراتور به عنوان تابعی از مصرف، که در مقادیر کمترین از آن ژنراتور خاموش می‌شود.

توجه شود که این منحنی‌های قابل قبول شامل تاثیر جریان‌های هارمونیک بر ضریب توان نیست. در صورت وجود جریان هارمونیک، خطوط ضریب توان بر منحنی شکل‌های 7 و 8، دیگر اعتبار نداشته و غیر قابل استفاده خواهد بود و تنها درصد جریان بی اثر پیش‌افتاده، محدوده‌ی ناپایداری را تعیین می‌کند.

نتیجه‌ای که از این موضوع می‌توان دریافت آنست که مشکل ناپایداری نباید در قالب ضریب توان مشخص، کمی‌سازی شود بلکه، باید در قالب درصدی جریان راکتیو پیش‌افتاده مطرح شود. بسیاری از اپراتورهایی که با این مشکل روبرو می‌شوند(یا نگران بروز آن هستند)، تلاش می‌کنند تا از ضریب توان‌ها به عنوان معیار سنجش یا طراحی استفاده کنند و به نتایج نادرستی رسیده یا سردرگم می‌شوند. در نتیجه در ادامه‌ی این مقاله، این مشکل به طور کمی و در قالب درصد جریان راکیتو بی اثر پیش‌افتاده، بررسی می‌شود.

 نمونه موردی

مساله‌ی ناپایداری ژنراتور تنها وقتی از لحاظ عملی اهمیت می‌یابد که جریان راکتیو پیش‌افتاده در مصرف فاوا، به قدری شدت یافته که از محدوده‌ی جریان راکتیو ژنراتور فراتر رود. در نتیجه، جهت تعیین زمان بروز این مشکل، بررسی چند مثال از تجهیزات واقعی فاوا می تواند مفید باشد.

در یک نمونه‌ی آزمایشی، مرکز داده با مصرف فاوای 1MW فرض می‌شود. این مرکز داده طبق فرض، به ژنراتوری با توان نامی 2MVA مجهیز است. سپس مرکز داده با تجهیزات فاوا با درصد مصرف رو به رشدی اشغال شده و بررسی می‌کنیم که ناپایداری در چه زمانی رخ خواهد داد. فرض بر آنست که مصارف فاوا مستقیما توسط ژنراتور تغذیه شده و دستگاه UPS هیچ دخالتی در آن ندارد(در صورت وجود UPS، دستگاه در مسیر bypass قرار گرفته است). هیچ مصرف قابل توجه دیگری به غیر از مصارف فاوا در این مثال در نظر گرفته نشده است(تاثیر این مصارف در ادامه‌ی مقاله بررسی خواهد شد).

در تجهیزات واقعی فاوا، هر دستگاه به شکل محسوسی با دستگاه دیگر از نظر جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثر، متفاوت است. حتی بین دو سرور 1kW نیز، ممکن است یک سرور جریان بی اثری تا 5 برابر یا بیشتر از دیگری داشته باشد. با نظری بر بحث‌های پیشین، سرورها خازن‌های فیلتر ورودی دارند که منبع اصلی این جریان‌های بی اثر است.

از طرفی می‌دانیم که ظرفیت خازنی دستگاه معمول فاوا در بازه‌ی 1-10 میکروفاراد به ازای هر کیلووات منبع برق قرار می‌گیرد و در این مثال نیز از این فرض استفاده می‌شود.[3] فرض می‌شود که منابع برق با 230VAC کار می‌کنند. می‌توان مقدار جریان بی اثر ناشی از این ظرفیت خازنی را محاسبه کرده که با افزایش مصرف فاوای مرکز داده، بر مقدار آن افزوده می‌شود. همچنین باید دستگاه‌های فاوایی را در نظر بگیریم که تقریبا همواره برای مصرف برقی کمتر از توان نامی پیکربندی شده‌اند و در این آزمایش، منابع برق این دستگاه‌ها تا 40% از ظرفیت خود بارگذاری می‌شوند.

در شکل 9 نشان داده شده که چگونه با افزودن دستگاه‌ و افزایش مصارف فاوای مرکز داده، جریان بی اثر پس‌افتاده نیز افزایش می‌یابد. وقتی جریان راکتیو پیش‌اتفاده به 20% از جریان ژنراتور برسد، ژنراتور ناپایدار خواهد بود.

باید توجه داشت که در این مثال، منحنی‌های 2uF و 5Uf به ازای هر Kw، هرگز به سطح 20 درصدی محدوده‌ی جریان پیش‌افتاده نمی‌رسند و در نتیجه، همواره پایدار خواهند بود. هرچند، منحنی 10Uf به ازای هر Kw، با رسیدن مصارف فاوا به 80% از ظرفیت نامی مرکز داده، ناپایدار می‌شود.

مثال فوق، بر اساس مرکز داده‌ای ارائه شده که دارای یک مسیر برق است. اگر همین مرکز داده را با ظرفیت نامی 1MW و دارای دو مسیر برق و دستگاه‌های فاوا با دو کابل برق در نظر بگیریم، در این صورت تعداد منابع برق موجود در سیستم به دو برابر رسیده و در سیستم دو مسیره، شرایطی پیش آمده که تمامی منابع در هر دو مسیر، توسط همان ژنراتور و یک مسیر تغذیه شوند.[4] تحت این شرایط، همن پیکربندی یکسان فاوا به جریان پیش‌افتاده‌ی اضافی منجر شده که در شکل 10 نمایش داده شده است.

شکل 9: جریان پیش‌افتاده‌ی اعمال شده بر ژنراتور در مرکز داده با یک مسیر برق به عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوتی از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا
شکل 9: جریان پیش‌افتاده‌ی اعمال شده بر ژنراتور در مرکز داده با یک مسیر برق به عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوتی از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا
شکل 10: جریان پیش‌افتاده‌ی اعمال شده بر ژنراتور در مرکز داده با دو مسیر برق به عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوتی از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا
شکل 10: جریان پیش‌افتاده‌ی اعمال شده بر ژنراتور در مرکز داده با دو مسیر برق به عنوان تابعی از مصرف فاوا، با خصوصیات متفاوتی از ظرفیت خازنی دستگاه فاوا

در مورد سیستم دو مسیره، احتمال آن که جریان پیش‌افتاده از 20% جریان نامی ژنراتور فراتر رفته و ناپایداری ایجاد کند، در تمام موارد وجود داشته به جز شرایطی که ظرفیت خازنی دستگاه‌های فاوا 2uF به ازای هر kW باشد. اما اگر این ظرفیت خازنی دستگاه‌ها به 10uF به ازای هر kW برسد، در آن صورت اگر این دستگاه‌ها با ژنراتور تغذیه می‌شوند، مرکز داده نخواهد توانست بدون بروز ناپایداری، برق بیشتر از 40% مصرف طراحی خود را تامین کند.

اگر فرضیات مختلفی برای این تست در نظر گرفته شود، احتمال ناپایداری نیز افزایش می‌یابد. به خصوص اگر سرورها از کمتر از 40% ظرفیت برق خود استفاده کنند، این مشکل تشدید خواهد شد. اگر توان ژنراتورها به مقدار مصرف فاوا نزدیک‌تر باشند نیز مشکل بدتر خواهد شد. هرچند اگر دیگر مصارف فاقد ضریب توان پیش‌افتاده، مانند دستگاه تهویه مطبوع و نورپردازی، توسط ژنراتور تغذیه شوند، شرایط بهبود می‌یابد.

از این مثال، چند نتیجه‌ی مهم حاصل می‌شود:

  • ناپایداری ژنراتور که ناشی از ضریب توان پیش‌افتاده بوده، مشکلی جدی محسوب شده که تمام مراکز داده باید بدان توجه کرده و برای جلوگیری از آن، اقدامات لازم را در پیش گیرند.
  • مرکز داده‌ای با مصرف زیر 20% از مصارف فاوا، تقریبا همواره پایدار خواهد بود.
  • مرکز داده‌ای با دو مسیر برق، که تقریبا با 100% ظرفیت خود کار می‌کند، اگر تمامی این مصارف، به ژنراتور متصل شود، با احتمال بالایی از ناپایداری و خاموشی ناگهانی ژنراتور روبرو خواهد بود.
  • برای تعیین پایداری ژنراتور، به اطلاعاتی در مورد ظرفیت خازن ورودی در دستگاه‌های فاوا نیاز است که یا از طریق اندازه‌گیری یا مشخصات سازنده‌ی دستگاه(در صورت وجود)، به دست می‌آید.
  • اگر تمام دستگاه‌های فاوا(یا حتی میانگین وزنی توان کل دستگاه‌های فاوا) دارای ظرفیت خازنی 2uF به ازای هر kW یا کمتر از آن، باشند، دیگر مشکل ناپایداری در هیچ یک از طراحی‌ها وجود نخواهد داشت.

تعیین ظرفیت خازنی در مصارف فاوا

ظرفیت خازنی ورودی در منبع برق فاوا معمولا یک پارامتر مشخص نیست. با وجود آن که، سازندگان دستگاه فاوا مشخصات ظرفیت خازنی ورودی را منتشر نمی‌کنند، اما اغلب می‌توان مشخصات ضریب توان اندازه‌گیری شده در منابع برق دستگاه‌های فاوا را از سازنده یا از منبع اطلاعاتی مستقل دیگری چون 80PLUS.org درخواست کرد. اگر فرض کنیم که تمام جریان موثر بر کاهش ضریب توان (از مقدار عددی 1)، ناشی از خازن ورودی است (فرض بدترین شرایط ممکن)، در آن صورت می‌توان بدترین مقدار (بیشترین مقدار) ظرفیت خازنی به ازای هر کیلووات را تعیین کرد.

معمولا مطلوب است که مقدار ضریب توان را در نقطه‌ای مشخص، مانند 50% مصرف به دست آورد زیرا این مقدار، معادل مناسبی از شرایط عملیاتی معمول به شمار رفته و دقت در تعیین مقدار ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهد. با نظر به مقادیر اندازه‌گیری شده یا گزارش شده‌ی ضریب توان در 50% از مصرف، مانند مقادیری که در گزارشات 80PLUS® آمده، ظرفیت خازنی در هر  kW از بار نامی فاوا را می‌توان مطابق شکل 11 تعیین کرد.

شکل 11: ظرفیت خازنی منبع برق دستگاه فاوا در هر کیلووات به عنوان تابعی از ضریب توان اندازه‌گیری یا گزارش شده در 50% مصرف
شکل 11: ظرفیت خازنی منبع برق دستگاه فاوا در هر کیلووات به عنوان تابعی از ضریب توان اندازه‌گیری یا گزارش شده در 50% مصرف

با بیان ظرفیت خازنی در قالب uF به ازای هر kW، مقادیر ظرفیت خازنی نرمال‌سازی شده و می‌توان با استفاده از شکل 9 و 10، جریان بی اثر را به شکل درصدی و برای هر مقدار کیلووات اجرا شده، به طور مناسبی تعیین کرد. به عنوان مثال، شکل 11 نشان می‌دهد که یک سرور با ضریب توان 0.92 در مصرف 50%، ظرفیت خازنی معادل 10uF در کیلووات دارد؛ اگر تمام مرکز داده‌ی دومسیره با این نوع سرور اجرا شود، در آن صورت شکل 10 نشان داده که اگر این مرکز داده از مصرف 40% فراتر رود، ممکن است ژنراتور ناپایدار شود.

باید توجه داشت که برای داده‌های گزارش شده‌ی اخیر برای منابع برق پربازده توسط سازندگان، ضریب توان معمول در مصرف 50%، در حدود 0.93 تا 0.99 است که برای نسل‌ها اخیر منابع برق، میانگینی معادل 2-10uF به ازای هر kW به دست می‌آید. داده‌های منتشر شده نیز حاکی از آنست که منابع برق کوچک‌تر معمولا ظرفیت خازنی بالاتری به ازای هر کیلو وات دارند. در کل، یک مرکز داده با تعداد زیادی سرور 1U بیشتر از مرکز داده‌ای با همان مقدار مصرف اما تعداد کمتری سرور بزرگ‌تر، در معرض ناپایداری در ژنراتورها می‌باشد.

دانستن ظرفیت خازنی در هر kW از منبع برق، گام مهمی در پیش‌بینی مقدار جریان بی اثری است که در هر واحد از ظرفیت نصب شده‌ی منبع برق، تولید خواهد شد. سپس می‌توان ظرفیت منبع برق را به معیارهای مناسب‌تری چون جریان در هر سرور یا جریان راکتیو در هر kW فاوا، تبدیل کرد. محاسبات ریاضی این تبدیل‌ها در این مقاله مطرح نمی‌شوند.

ارزیابی ریسک ناپایداری

می‌توان ریسک ناپایداری را برای مرکز داده‌ای موجود تحت شرایط فعلی و شرایط قابل انتظار آتی، ارزیابی کرد و همچنین این ارزیابی‌ها ممکن است برای مراکز داده‌ای که هنوز در مرحله‌ی برنامه‌ریزی هستند نیز انجام گیرد. فرایند این ارزیابی برای هر یک متفاوت است.

ریسک در مراکز داده‌ی در حال کار

 جهت ارزیابی ریسک ناپایداری ژنراتور در مرکز داده‌ای که در حال حاضر، در حال عملیات است، باید مقدار جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثری تامین شده توسط ژنراتور را تعیین کرده و سپس این مقدار را با محدوده‌ی جریان مجاز (معمولا 20% از مقدار جریان ژنراتور در مصرف کامل) مقایسه کرد. بهترین روش اندازه‌گیری واقعی این جریان است اما، این کار اغلب عملی و امکان‌پذیر نیست زیرا ممکن است ابزار اندازه‌گیری در دسترس نبوده، و معمولا اندازه‌گیری مستقیم مورد نیاز با  ابزارهای اندازه‌گیری امکان‌پذیر نیست.

اگر پیشنهاد شده که اندازه‌گیری در حین تست ژنراتور، صورت گیرد، باید به خاطر داشت که در زمان تست، معمولا مصرف ژنراتور همان UPS بوده و مصارف فاوا بدان متصل نیست. هیچ سیستم UPS شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند جریان بی اثر پیش‌افتاده‌ی کافی تامین کرده تا بر ژنراتور تاثیر بگذارد. در نتیجه، با این تست، ژنراتور همواره بدون بروز ناپایداری مورد قبول قرار می‌گیرد. همان طورکه پیشتر توضیح داده شد، مشکلی که باید مورد توجه قرار گیرد زمانی است که UPS در حالت Bypass قرار گرفته و مصارف فاوا مستقیما توسط ژنراتور تامین می‌شوند.

در بعضی مراکز داده، ممکن است این حالت هرگز قبلا رخ نداده باشد. بنابراین، قرار دادن مختارانه‌ی UPS در حالت Bypass و اتصال مصارف فاوا به ژنراتور، ممکن است به ناپایداری انجامیده و بهتر است از آن، اجتناب شود. در مرکز داده‌ی در حال عملیات، باید تلاش شود تا جریان بی اثر مصارف فاوا در خروجی UPS اندازه‌گیری شود و سپس، پیش از اتصال مصارف فاوا به ژنراتور (بدون دخالت UPS)، باید اطمینان یافت که این مصارف در محدوده‌ی مجاز ژنراتور قرار می‌گیرد. در صورتی که چند UPS جداگانه با باس‌های خروجی جداگانه به ژنراتور متصل شود، این اندازه‌گیری ممکن است پیچیده شود.

مشکل بیشتر دستگاه‌های اندازه‌گیری آنست که هر دو جریان‌های هارمونیک و بی اثر را در نظر می‌گیرند و در نتیجه، نمی‌توانند مقدار دقیق جریان راکتیو را تعیین کنند مگر آن که جریان‌ هارمونیکی وجود نداشته باشد (مقدار جریان هارمونیک مساوی 0 (صفر) باشد). متاسفانه بسیاری از مراکز داده دارای مقداری جریان هارمونیک هستند که بتواند بر این اندازه‌گیری‌ها تاثیرگذار باشد. معیارهای اندازه‌گیری که VAR (ولتا آمپر راکتیو) یا آمپر راکتیو را بیان می‌کنند[5]، اغلب به مقدار مورد نیاز از جریان بی اثر بی‌توجه بوده مگر آن که مشخصا گفته شود که در اندازه‌گیری‌ها، تنها مقدار “پایه” یا اساسی فرکانس ورودی اصلی برق مطرح شده یا این ابزارها، قابلیت سنجش برق راکتیو (که در دایره لغات استاندارد IEEE 100-1996 تعریف شده) را دارند.

اگر اندازه‌گیری‌ها توان حاکی از “ضریب توان اصلاحی” باشند، در این صورت می‌توان از این عدد برای محاسبه‌ی جریان راکتیو استفاده کرد. نکته‌ی اصلی آنست که اطمینان یابیم جریان‌های هارمونیک از مقادیر اندازه‌گیری شده حذف شده است تا بتوان توان راکتیو فرکانس پایه را اندازه‌گیری و محاسبه کرد. باز هم تاکید می‌شود که بیشتر تجهیزات قابلیت انجام درست چنین اندازه‌گیری را نداشته و تمامی اندازه‌گیری‌های این تجهیزات باید مجددا بررسی شده تا از لحاظ حذف جریان هارمونیک و تعیین دقیق جریان راکتیو پیش‌افتاده، تایید شوند.

ابزار اندازه‌گیری که بتواند ضریب توان اصلاحی را به درستی محاسبه کند، شامل PowerLogic® PM820، PM850 و   PM870 بوده که در شکل 12 نمونه‌ای از آن نشان داده شده است. این ابزارها ممکن است به طور موقت یا دائمی نصب شده تا در اندازه‌گیری‌ها به کار گرفته شوند.

شکل 12: ابزار اندازه‌گیری توان با قابلیت اندازه‌گیری ضریب توان اصلاحی
شکل 12: ابزار اندازه‌گیری توان با قابلیت اندازه‌گیری ضریب توان اصلاحی

معمولا نمی‌توان یک نقطه‌ی مشخص و واحدی را برای اندازه‌گیری در نظر گرفت که تمامی مصارف را در خود تجمیع کند. جریان‌های راکتیو را می‌توان به طور جداگانه و در قسمت‌های مختلف مرکز داده اندازه‌گیری کرد و به محاسبات افزود. اگر ضریب توان اصلاحی اندازه‌گیری می‌شود، ابتدا باید این اندازه‌گیری‌ها را به جریان‌های راکتیو تبدیل کرده و سپس اضافه کرد.

ریسک در مراکز داده‌ی در حال برنامه‌ریزی

در مرکز داده‌ای که هنوز در مرحله‌ی برنامه‌ریزی است، هیچ اندازه‌گیری ممکن نیست. با این حال، می‌توان بر اساس پتانسیل سیستم ژنراتور در ایجاد توان راکتیو پیش‌افتاده، به نتایجی دست یافت.

ابتدا می‌توان با گزینه‌های طراحی، تا حد زیادی از ریسک ناپایداری کاسته یا آن را برطرف کرد. به عنوان مثال، اگر سیستمی دو مسیره طراحی شده تا تمام مصارف فاوای هر دو مسیر، نتوانند به ژنراتوری با مصرف کامل، متصل شوند، همان طور که قبلا گفته شد ریسک ناپایداری به شکل محسوسی کمتر خواهد بود. به طور مثال، می‌توان سیستمی دو مسیره را به شکلی طراحی کرد که در عملکرد نرمال یا در حین نگهداری، چنین ترکیبی امکان‌پذیر نباشد. اگر سیستم‌های UPS در هر دو مسیر، به طور خودکار یا دستی Bypass شوند، سیستم می‌تواند باتوجه به تنظیماتش امکان تغذیه هردو مسیر را از یک ژنراتور ناممکن سازد. مورد مطرح شده تنها یک مثال است و معماری‌های مختلف می‌توانند روش‌های متفاوتی در این زمینه به کار گیرند.

علاوه بر آن، در مرکز داده‌ی در حال برنامه‌ریزی می‌توان اطمینان یافت که ابزارهای اندازه‌گیری در جای خود نصب شده تا (با استفاده از ابزارهای درست) تمام جریان پیش‌افتاده‌ی مصارف فاوا را ثبت و گزارش کند و اگر این جریان از مقدار مشخصی (تا حد جزیی کمتر از آستانه‌ی ناپایداری ژنراتور) فراتر رفت، هشدارهایی را به کار اندازد.

 در مرکز داده‌ی در حال برنامه‌ریزی می‌توان سطح قابل قبول ظرفیت خازنی در دستگاه‌های فاوا را محاسبه کرد، و سیاست‌هایی تعیین کرد که یا دستگاه‌های با ظرفیت خازنی بالا حذف شده یا تاثیرگذاری‌شان محدود شود. به عنوان مثال سیاستی مبنی بر آن که هر نوع دستگاه که دربرگیرنده‌ی 10% یا بیشتر از مصارف فاوا باشد، باید ظرفیت خازنی معادل 5uF به ازای هر کیلووات یا کمتر، داشته باشد. همچنین برق تامین شده در این دستگاه‌ها نباید بیش از حد بر آورد شده یا کمتر از ظرفیت مورد استفاده قرار گیرند.

تعدیل

ممکن است لازم باشد که با اقداماتی، در صدد اصلاح شرایط ناپایداری فعلی بر آمد یا اطمینان یافت که مرکز داده در آینده با شرایط ناپایداری روبرو نخواهد شد. ابتدا گزینه‌های پیگیری مشکلات شرایط فعلی بررسی شده و سپس گزینه‌های اضافی برای جلوگیری از مشکلات آتی، مطرح خواهد شد. باید توجه داشت که تمام مراکز داده به تعدیل نیاز ندارند و در نتیجه، به غیر از زمانی که در تحلیل ریسک شرایطی (فعلی یا احتمالی) که نیازمند اصلاح بوده، مشخص شود، در مواقع دیگر به سیاست کاهش ریسک نیز نیازی نخواهد بود. در ادامه، گزینه‌هایی برای اصلاح شرایطی با جریان پیش‌افتاده‌ی بی اثر شدید، ارائه شده است:

قطع مصرف ژنراتور

وقتی مصرف ژنراتور قطع شود، منابع تولید‌کننده‌ی جریان بی اثر نیز حذف می‌شوند. وقتی جریان بی اثر کمتر از مقدار مبنای انتخاب شده باشد (کمتر از آستانه‌ی ناپایداری 205، مانند 15% از جریان نامی ژنراتور)، می‌توان از پایداری ژنراتور اطمینان یافت. در حالت ایده‌آل، دستگاه‌های فاوا با بالاترین ظرفیت خازنی در کیلووات، باید ابتدا قطع شوند. پروژه‌های مجازی‌سازی فاوا نیز معمولا مصرف را کاهش داده و تقریبا همواره تعداد زیاد سرورهای کوچک (که اغلب بدترین منبع ایجاد جریان بی اثر هستند) را حذف می‌سازد.

در نتیجه، با پروژه‌ی مجازی‌سازی در واقع می‌توان فرصتی فراهم کرد تا نه تنها مصرف فاوا کاهش یابد، بلکه ماهیت مصارف در تجهیزات فاوا نیز تغییر کرده و ظرفیت خازنی در هر کیلووات کاهش یابد. چنین پروژه‌هایی ممکن است به طرو موقت یا حتی برای همیشه، این مشکل را برطرف نمایند.

استفاده از بارمجازی القایی

یک بار مجازی القایی، به سادگی همان گروهی از کویل‌های بزرگ القاگری هستند که بر باس ژنراتور قرار دارند. از این طریق مقدار ثابتی جریان بی اثر پس‌افتاده تولید شده تا بر جریان پیش‌افتاده‌ی ناشی از مصارف فاوا غلبه شود. بار مجازی می‌تواند بر خروجی ژنراتور یا بعد از UPS اعمال شود. از آن جا که بار مجازی هدررفت‌هایی نیز دارد، باید دقیقا در خروجی ژنراتوری قرار بگیرد (که منطقا غیرفعال هم هست) تا بهره‌وری انرژی را به حداکثر برساند.

می‌توان با نصب یک بار مجازی القایی مجهز به کلیدهای اتوماتیک، که در صورت نیاز القاگرها را اضافه یا حذف می‌کند، این جریان پیش‌افتاده را تنظیم کرد. مفهوم اصلی آنست که اگر جریان پیش‌افتاده در طول زمان تغییر کند، در آن صورت القاگرها توسط کلید قطع و وصل شده تا ضریب توان را نزدیک مقدار مطلوب مبنا (مانند عدد 1) نگه دارد. هرچند، در واقع به این سطح از متعادل‌سازی دقیق نیازی نیست و از طرفی، هزینه و پیچیدگی آن را نمی توان توجیه کرد.

یک برنامه‌ی عملی آنست که دو بار مجازی اصلی توسط کلیدهای دستی تغذیه شده که ظرفیت آن به شکلی تعیین شده تا وقتی با هم استفاده شوند، از پایداری سیستم اطمینان حاصل شود. به طور مثال: دو بار القایی، یکی با 5% و دیگری 10% از جریان ژنراتور، را می‌توان برای اعمال جریان بی اثر پس‌افتاده‌ی 0، 5، 10 یا 15% بر ژنراتور به کار گرفت که تقریبا در هر شرایط قابل تصوری، بر ضریب توان پیش‌افتاده غلبه خواهد کرد. می‌توان دستگاه‌ها را به طور دستی و بر اساس مصرف عملیاتی مرکز داده، به منابع بار اضافه کرد. ممکن است بسته بر تحلیل ریسک، تعیین مقادیر کمتری نیز برای بار مجازی القایی، عملی باشد. تجهیزات بارمجازی القایی، محصول استانداردی نیستند ولی می‌تواند بر اساس مشخصات تعیین شده از سوی برخی سازندگان، ساخته شود.[6]

یکی از نگرانی‌ها در مورد بار مجازی القایی، عملکرد این بارها زمانی است که با برق تغذیه می‌شوند. در کل، بار مجازی القایی به غیر از حالتی که مشخصا با هسته‌ای بزرگ‌تر از حد نیاز طراحی شده تا از اشباع جلوگیری شود(که به طور قابل توجهی بر هزینه و وزن می‌افزاید)، در سایر شرایط ممکن است به دلیل اشباع مغناطیسی، دارای جریان هجومی شوند. در نتیجه، بهتر است بالادست هر مداری که ممکن است به طور خودکار قطع شود، بار مجازی متصل کرد. مکان ایده‌آل بار مجازی دقیقا در خروجی ژنراتور است.

بعضی مواقع پیشنهاد شده که بار مجازی القایی، در پایین‌دست UPS قرار داده شده تا هم ژنراتور و هم UPS، با جریان بی اثر پیش‌افتاده‌ی کمتری مواجه شوند. چنین پیشنهادی ناشی از آنست که تصور شده بار مجازی می‌تواند مشکلات UPS با ضریب توان پیش‌افتاده را برطرف سازد. باید توجه داشت که برخی از این مشکلات UPS، در واقع توسط دیگر تاثیرات ناشی از وجود خازن‌ها در بار، ایجاد می‌شود[7]، و این خازن‌ها همچنان باقی مانده و حتی با نصب بار مجازی القایی، هنوز می‌توانند بر UPS تاثیر بگذارند. با قرار دادن بار مجازی در پایین‌دست UPS، این بارها در معرض شرایط انتقال متعددی(مانند انتقال به حالت Bypass) قرار گرفته که می‌تواند شرایط نامطلوبی از نوسانات آنی ایجاد کند(مگر آن که بار مجازی مشخصا طوری طراحی شده تا به دلایل اشباع، با جریان هجومی مواجه نشود).

نصب سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان

این سیستم، دستگاهی است که به عنوان فیلتری فعال شناخته شده که قادر است ضریب توان را اصلاح کرده و از گذر هارمونیک‌های مرتبه پایین تر به خصوص سوم و پنجم به تجهیزات بالادست و ورود به منبع برق، جلوگیری کند. بسیاری از مدل‌های این دستگاه، حالات مختلفی از عملکرد را ارائه داده و بعضی قابلیتی دارند تا جریان بی اثر پیش‌افتاده را حذف سازند. این دستگاه دائما تلاش دارد تا با حذف همزمان جریان‌های بی اثر و هارمونیک، ضریب توان را نزدیک عدد 1 نگه دارد. در این سیستم‌ها هیچ جریان گذرایی در کلیدزنی ایجاد نمی‌شود. از آن جا که این سیستم‌ها به طور مستمر ضریب توان را اصلاح می‌کنند، دیگر به بررسی‌های مداوم نیاز نخواهد بود. همچنین از بار مجازی القایی نیز بسیار سبک‌تر و کوچک‌تر هستند. مثالی از این دستگاه که معمولا در مراکز داده به کار گرفته شده در شکل 13 نمایش داده شده است.

شکل 13: سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان با قابلیت اصلاح ضریب توان پیش افتاده و جریان نامی  (300A Schneider Electric Accusine)
شکل 13: سیستم الکتریکی اصلاح ضریب توان با قابلیت اصلاح ضریب توان پیش افتاده و جریان نامی  (300A Schneider Electric Accusine)

دستگاهی که در شکل فوق نشان داده شده، قادر است تا حد کافی جریان بی اثر را در ژنراتور‌هایی با مصارف 2MVA برطرف سازد. دستگاه‌های الکترونیکی اصلاح ضریب توان مانند این نمونه، همچنین می‌توانند به طور همزمان، شرایط نامطلوب مشخصی که ناشی از جریان هارمونیک بوده، را نیز اصلاح کنند. وقتی اصلاح همزمان هر دو سری مشکلات ناشی از ضریب توان پیش‌افتاده و جریان هارمونیک، مطلوب باشد، استفاده از این دستگاه‌ها راه‌کاری موثر محسوب می‌شود.[8] فیلترهای فعال مزایای بیشتری در مقایسه با بار مجاری القایی غیرفعال فراهم کرده اما هزینه‌ی بیشتری نیز دارند (در حدود 180$/kVAR نسبت به راه‌کار غیرفعال 70$/kVAR). اگر دستگاه برای تحمل جریان راکتیو 15 درصدی برآورد شده باشد، این هزینه به معنای کمتر از 5% هزینه‌ی ژنراتور خواهد بود.

شناسایی پرضررترین دستگاه‌های فاوا و جایگزینی آن‌ها

ظرفیت خازنی در دستگاه‌های فاوا به شدت متغیر است. در بعضی مراکز داده، اجرای گسترده‌ای از دستگاه‌هایی خاص با ظرفیت خازنی بالا، می‌تواند علت درصد قابل توجهی از کل جریان بی اثر ایجاد شده، باشد. اگر آن نوع دستگاه شناسایی شود، می‌توان آن دستگاه را با دستگاه‌های متفاوت جدید دارای ظرفیت خازنی کمتر، جایگزین کرد. چنین اقدامی می‌تواند در بروزرسانی‌های فاوا یا برنامه‌های مجازی‌سازی، مناسب باشد.

گزینه‌های فوق، شامل لیستی از گزینه‌های پیشنهادی برای اصلاح جریان‌های بی اثر پیش‌افتاده‌ی شدید ارائه داده که به ناپایداری ژنراتور می‌انجامد. وقتی مرکز داده هنوز طراحی نشده باشد، یا وقتی هنوز به شرایط بحرانی نرسیده باشد، می توان از گزینه‌های اضافی زیر استفاده کرد:

انتخاب سازنده‌ی تجهیزات فاوا بر اساس ظرفیت خازنی منبع برق

 در انتخاب سازنده‌ی هر دستگاه فاوا که ممکن است در تعداد بالا در مرکز داده نصب شود، باید ظرفیت خازنی ورودی را به عنوان یکی از معیارهای انتخاب در نظر گرفت. اگر اجرای سرورهای بزرگ شامل ظرفیت خازنی ورودی است که به مقادیر انتهای بازه‌ی مجاز و معمول نزدیک است، در آن صورت می‌توان تحت هر شرایطی از پایداری ژنراتور اطمینان داشت. از آن جا که ظرفیت خازنی معمولا پارامتری مشخص نبوده، با ارزیابی و تست‌های پذیرش یا گارانتی عملکرد از سوی سازنده‌ی سرور، ظرفیت خازنی کم دستگاه‌ها تضمین می‌شود. با ضریب توان اندازه‌گیری‌شده‌ی ورودی معادل 0.99 در مصرف 50%، از حداکثر مقدار 4uF به ازای هر کیلووات از مصرف نامی منبع برق اطمینان حاصل شده و این مقدار، به عنوان الزامات عملی مبنا، در نظر گرفته می‌شود.

از بکارگیری مقادیر بسیار زیاد در سرورهای کوچک اجتناب کنید

دستگاه‌های کوچک فاوا مانند سرورهای 1U، معمولا ظرفیت خازنی بالاتری در هر کیلووات از مصرف فاوا دارند. در نتیجه، طراحی فاوایی که از تعداد کمتری سرورهای بزرگ‌تر استفاده کرده اغلب (البته نه همیشه)، ظرفیت خازنی کمتری خواهد داشت.

برای استفاده‌ی بیشتر از منبع برق، طراحی کنید

همان طور که پیشتر توضیح داده شد، توان راکتیو پیش‌افتاده با ظرفیت منبع برق فاوا متناسب بوده و از مقدار واقعی وات مصرفی فاوا، مستقل است. در نتیجه، یک منبع برق با برآورد بیش از حد یا استفاده‌ی کمتر از ظرفیت، ظرفیت خازنی ورودی بیشتری از مقدار مورد نیاز در مصارف فاوا، دارد. وقتی برای اجرای تعداد زیادی از سرورهای یکسان برنامه ریزی شده باشد، بهتر است زمان کافی صرف شده تا استفاده از منبع برق در هر پیکربندی پیشنهادی سرور، بررسی شود و از برآوردهای غیرضروری بیش از حد نیاز در منابع برق، اجتناب شود.

دو مسیر برق را بر یک ژنراتور قرار ندهید

در طراحی مرکز داده، از معماری‌های دومسیره‌ی برق مختلفی استفاده می‌شود. در بیشتر طراحی‌ها، دستگاه‌های فاوا با دو کابل و دوشاخه، منابع برق داخلی دارند که بار مورد نیاز را بین هر دو مسیر تقسیم می کنند و به شکلی برآورد می‌شوند که اگر یک مسیر از کار افتاد، مسیر دوم بتواند تمامی مصرف فاوا را تغذیه کند. اغلب این روش به معنای آنست که یک مسیر ممکن است به طور ناگهانی، با برعهده گرفتن مصرف مسیر دیگر، در معرض 2 برابر مصرف (با افزایش پلکانی) قرار گیرد. اما هنوز هر مسیر به شکل فیزیکی به منبع برق متصل است. در نتیجه، در این حالت از عملکرد، حتی با آن که مصرف برق دوبرابر شده، اما ظرفیت خازنی مصرف بدون تغییر باقی می‌ماند.

هرچند که در بسیاری از طراحی‌ها، حالت‌های عملکردی وجود دارد که تمامی منابع برق بر هر دو مسیر، ممکن است ادغام شده و بر یک مسیر قرار گیرند، که علت اصلی آن نیز کنترل های منطقی در مسیرهای برق است. چنانچه کلید متصل کننده­ی بین باس های بعد از ژنراتور وصل باشد، دوبرابر شدن منابع برق متصل موجب شده تا ظرفیت خازنی هر مسیر برق نیز دو برابر شود که وقتی سیستم با ژنراتور تغزیه شده، به شرایطی ناپایدار کشانده می‌شود. این مشکل، دلیل مناسبی است که به طراحی‌ها از چنین کلیدی اجتناب شود.

نتیجه‌گیری

مشکل ناپایداری ژنراتور در مراکز داده توضیح داده شد و جریان‌های راکتیو پیش‌افتاده که توسط دستگاه‌های فاوا تولید شده، عامل اصلی این مشکلات شناخته شده است. در شرایط عملیاتی نرمال، تقریبا هرگز ناپایداری اتفاق نمی‌افتد زیرا یک سیستم UPS بین ژنراتور و دستگاه‌های فاوا قرار گرفته که از ژنراتور در برابر جریان‌ راکتیو پیش‌افتاده حفاظت می‌کند. وقتی دستگاه‌های فاوا مستقیما به ژنراتور متصل شده، مانند وقتی UPS در حالت Bypass یا شرایط مختلف نگهداری قرار گرفته، این مشکل بروز خواهد کرد. در نتیجه، ممکن است ناپایداری تا زمان یک حادثه‌ی ناگهانی یا شرایط تعمیر و نگهداری خود را نشان ندهد و به شکل مشکلی غیرمنتظره و ناگهانی بروز کند.

این مقاله راهنمایی‌های عملی ارائه داده تا یک مرکز داده‌ی موجود یا در حال برنامه‌ریزی مورد ارزیابی قرار گرفته و ناپایداری‌های احتمالی ژنراتور در آن، شناسایی شود. سپس استرتژی‌هایی برای جلوگیری از احتمال ناپایداری مطرح شده است. تحلیل این ناپایداری احتمالی باید جزیی از طراحی موثر مراکز داده محسوب شده و همچنین در برنامه‌ی موثر مدیریت مرکز داده نیز گنجانده شود.

 

[1] – یک روش دیگر در بررسی این موضوع آنست که برق در هر لحظه از زمان، در محل مصرف تامین شده اما در لحظه‌ی بعدتر آن مجددا به منبع بازگردانده می شود. در نتیجه برق در حالت رفت و برگشت در جریان است اما به طور متوسط، هیچ مقدار برقی در شبکه تامین نشده است.

[2] – Power factor correction

[3] – با وجودی که بر اساس نمونه‌گیری‌ها، معتقدیم که +98% از منابع برق فاوا، ظرفیت خازنی دارند که در این بازه قرار می‌گیرد، اما منابع برق می‌توانند ظرفیت خازنی بیشتر یا کوچک‌تر از این بازه داشته باشند. تصور می‌شود که مدل‌های معدودی از سرورهای بسیار کوچک، ممکن اتس ظرفیت خازنی غیرمعمول یا بزرگ‌تر داشته باشند. در نتیجه، اگر تعداد زیادی از یک نوع سرورهای کوچک اجرا شده باشد، بهتر است به جای فرض این مقادیر معمول، آزمایشاتی انجام شده تا مقادیر واقعی ظرفیت خازنی مشخص شود. روش‌های انجام این آزمایش‌ها و تست‌ها نیز در ادامه‌ی مقاله آورده شده است.

[4] – می‌توان معماری‌هایی برای مراکز داده طراحی کرد که منابع برق هر دو مسیر هرگز به یک ژنراتور بر یک مسیر، متصل نشوند. این موضوع در ادامه‌ی مقاله بررسی می‌شود.

[5] – در سیستم‌های الکترونیکی، محاسبه‌ی توان راکتیو با قیمت منطقی که به لحاظ فنی نیز درست باشد، دشوار است. این کار معمولا نیازمند فرایند پیچیده‌ی DSP است. بیشتر ابزارهای اندازه‌گیری از روش‌های ساده‌ای در محاسبه‌ی توان یا جریان راکتیو استفاده می‌کنند که در صورت وجود جریان هارمونیک، مقدار غیر واقعی و بیشتری برای جریان بی اثر بیان می‌کنند.

[6] – مثالی از کارخانه‌ای که قادر است مصارف مجازی القایی را مطابق مشخصات خواسته شده، تامین کند، شرکت Simplex, Inc of Springfield, Ill, USA می‌باشد.

[7] – مشکلات مرتبط با قوس الکتریکی یا خال زدگی در قطعات کلید، می‌تواند توسط ظرفیت خازنی بالا در مصرف فاوا ایجاد شود. این مشکلات ناشی از ظرفیت خازنی بوده و به ضریب توان ارتباط ندارد. در نتیجه اصلاح ضریب توان نیز به حل آن کمکی نخواهد کرد.

[8] – برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد مشکلات ناشی از هارمونیک‌ها در مراکز داده، به گزارش شماره‌ی 38، تحت عنوان “جریان‌های هارمونیک در مرکز داده: نمونه موردی” مراجعه شود.

درج دیدگاه

برای درج دیدگاه کلیک کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سوال امنیتی *