ومع استمرار توسع مراكز البيانات في الحجم وكثافة الحوسبة، تواجه أنظمتها الكهربائية متطلبات متزايدة الطلب. تحميلات تكنولوجيا المعلومات عالية الكثافة، والتشغيل المستمر، وأهداف التوافر الصارمة، ومتطلبات كفاءة الطاقة، ونمو الحمل السريع تغير طريقة اختيار المحولات. المحول ليس مجرد جهاز يحول الجهد. يمكن لقدرتها وأداءها المتناغم والخسائر والمقاومة وطريقة التبريد وظروف التثبيت أن تؤثر بشكل مباشر على موثوقية وتكلفة التشغيل والأداء الحراري لنظام توزيع الطاقة في مركز البيانات بأكمله.

على عكس العديد من المرافق التجارية أو الصناعية التقليدية ، تحتوي مراكز البيانات على نسبة كبيرة من الأحمال الإلكترونية والإلكترونية للطاقة ، بما في ذلك الخوادم وأنظمة UPS ومحركات التردد المتغير ومعدات التبريد ومصادر الطاقة ذات الوضع المتحول. يمكن لهذه الأحمال إدخال التيارات التناغمية وخسائر المحول الإضافية. وفي الوقت نفسه، تعمل مراكز البيانات عادة على مدار الساعة على مدار الأسبوع، مما يعني أن حتى الاختلافات الصغيرة نسبيا في خسائر المحولات يمكن أن تتراكم في استهلاك طاقة كبير على مدى فترة تشغيل 10 أو 15 أو 20 عاما. وبالتالي ، تحتاج عملية اختيار المحولات إلى النظر ليس فقط في سعر الشراء الأولي ، ولكن أيضًا في خصائص الحمل والتكرار والكفاءة والأداء الحراري ومتطلبات الدوائر القصيرة والتوسع المستقبلي.

1. اختر نوع المحول وفقا لبيئة التثبيت

يتم استخدام المحولات من النوع الجاف بشكل شائع لتوزيع مراكز البيانات الداخلية لأنها لا تحتوي على زيت عازل وبالتالي تتجنب مخاطر التسرب وحريق الزيت المرتبطة بالمعدات المملوءة بالزيت. وهي مناسبة بشكل خاص عندما يحتاج المحول إلى تثبيته داخل مبنى مركز البيانات أو بالقرب منه.

ومع ذلك ، سيكون من المضلل أن نستنتج أن كل مركز بيانات يجب أن يستخدم محول من النوع الجاف. لا تزال المحولات المغمورة بالزيت مناسبة تقنيا واقتصاديا للعديد من المحطات الفرعية في الهواء الطلق وأنظمة توزيع الجهد المتوسط الكبيرة. يجب أن يأخذ الاختيار النهائي في الاعتبار موقع التثبيت ومتطلبات الحماية من الحرائق والمساحة المتاحة وقدرة المحول والكفاءة وظروف التبريد ومتطلبات الصيانة واللوائح المحلية.

بالنسبة للمنشآت الداخلية ، يجب اختيار المحولات الجافة بشكل عام مع حدود ارتفاع درجة الحرارة المناسبة وحماية الغلاف والتهوية وترتيبات التبريد. لا ينبغي وصف المحول على أنه خالي من الصيانة تمامًا. لا يزال التفتيش والتنظيف المنتظمين ضروريين، في حين تتطلب أنظمة التبريد بالهواء القسري اهتماما إضافيا للمروحة والأجهزة التحكم والإنذارات.

2. حساب قدرة المحول من حمولة المنشأة الكاملة

لا ينبغي اختيار قدرة المحول ببساطة عن طريق مقارنة حمولة تكنولوجيا المعلومات مع تصنيف كيلوفولت المحول. كما يشمل الطلب الكهربائي لمركز البيانات أنظمة التبريد وخسائر UPS والمضخات والمروحة والإضاءة وأنظمة الحماية من الحرائق وأنظمة الأمن وغيرها من الأحمال المساعدة.

نقطة بداية مفيدة هي العلاقة بين حمولة تكنولوجيا المعلومات وفعالية استخدام الطاقة (PUE):

إجمالي طاقة المرفق ≈ حمولة تكنولوجيا المعلومات × PUE

ثم يمكن تقدير الطاقة الظاهرة المطلوبة للمحول من إجمالي طاقة المرفق وعامل طاقة التشغيل:

مطلوب كيلوفولت ≈ إجمالي طاقة المرفق / عامل الطاقة

على سبيل المثال، افترض أن مركز بيانات الحافة لديه حمولة تكنولوجيا المعلومات 300 كيلوواط و PUE تصميم 1.30. وتبلغ القدرة الإجمالية المقدرة للمرفق ما يلي تقريبا:

300 كيلوواط × 1.30 = 390 كيلوواط

إذا كان عامل الطاقة التصميمية 0.95 ، فإن الطاقة الواضحة المقابلة ستكون تقريباً:

390 / 0.95 ≈ 411 kVA

وبالتالي فإن محول 500 kVA سيوفر هامش تشغيل معقول بموجب هذه الافتراضات ، مع أن الاختيار الفعلي لا يزال يخضع لتكوين التكرار في المشروع والأداء المتناغم والظروف البيئية ومتطلبات التوسع المستقبلية.

هذا النهج أكثر موثوقية من تطبيق قاعدة ثابتة بنسبة 20٪ أو 25٪ من القدرة الفراغة على كل مشروع. وينبغي تحديد القدرة المستقبلية من خلال معدل نمو تكنولوجيا المعلومات المتوقع ومراحل التوسع المخطط لها واستراتيجية استبدال المعدات ومتطلبات التكرار.

3. تقييم التيارات التناغمية بدلا من اختيار عامل K حسب قاعدة الإبهام

تعد المواءمة واحدة من أهم القضايا في اختيار محولات مركز البيانات. أنظمة UPS ، ومصادر الطاقة الخادم ، ومحركات التردد المتغير ، وغيرها من الأحمال الإلكترونية يمكن أن تنتج تيارات غير جيبية. تزيد هذه التيارات الهرمونية من الخسائر الإضافية في لفائف المحولات والمكونات الهيكلية ويمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة.

يمكن استخدام المحولات ذات العامل K حيث يضمن الحمل الهارموني قدرة حرارية إضافية. ومع ذلك ، لا ينبغي معاملة K13 أو K20 كمواصفات عالمية لمراكز البيانات الحديثة.

وينبغي تحديد التصميم الهارموني المناسب لعامل K أو المحول من ملف تعريف الحمل الفعلي والطيف الهارموني. على وجه الخصوص ، يجب على المهندس التمييز بين أنظمة UPS التقليدية ذات التصحيح الستة النبضات وأنظمة UPS الحديثة باستخدام تصحيح المدخلات المحسن أو تكنولوجيا الواجهة الأمامية النشطة. يمكن أن تكون أشكال الموجات الحالية للمدخلات مختلفة بشكل كبير.

لهذا السبب ، يجب أن يأخذ اختيار المحول في الاعتبار بشكل مثالي THD الحالي المقاس أو المحدد (THDi) ، والأوامر التناغمية الفردية ، ونسبة الحمل المتوقعة ، والحدود التناغمية المطبقة. ثم يمكن لشركة تصنيع المحولات تقييم الخسائر الإضافية الناتجة عن ذلك وارتفاع درجة الحرارة وتحديد ما إذا كان تصميم قياسي أو تصميم مصنف بعامل K أو تحسين حراري آخر مناسبًا.

وينبغي أيضا تحديد قيمة متناغمة محددة بوضوح. على سبيل المثال، "70٪ THD" غير كامل ما لم يحدد ما إذا كانت القيمة تشير إلى THD الجهد أو THD الحالي، حيث تم قياسه، وفي أي ظرف تشغيل. إذا كان المشروع حقا لديه THDi عالية جدا، يجب مراجعة الطيف الهرموني قبل الانتهاء من تصنيف المحول.

4. تطابق قدرة المحول مع الهندسة المعمارية الزائدة

لا يمكن فصل قدرة المحول عن بنية توافر مركز البيانات. إن تكوينات N + 1 و 2N و التوزيع الزائد لها متطلبات قدرة مختلفة.

في نظام N + 1 ، تتضمن المحولات المتاحة عادة وحدة إضافية واحدة تتجاوز العدد المطلوب لحمل التشغيل العادي. ثم يجب على التصميم التحقق من أن المعدات المتبقية يمكن أن تستمر في توفير الحمل الحرج المطلوب بعد فشل المحول أو أثناء الصيانة المخططة.

نظام 2N مختلف. عادة ما يوفر مسارين مستقلين للطاقة ، وقد يحتاج كل مسار إلى دعم الحمل الحرج المطلوب اعتمادا على فلسفة التوافر ومعايير التصميم.

لذلك ، يجب ألا يستند حجم المحول فقط إلى حمولة التشغيل العادية. يجب على المهندسين أيضًا إجراء حسابات الطوارئ لفشل المعدات وظروف الصيانة وانقطاع التغذية وغيرها من سيناريوهات الخطأ الواحد المحددة.

سؤال تصميم مفيد ليس ببساطة:

كم من الحمل يحمله كل محول أثناء التشغيل العادي؟

إنه:

ما الحمل الذي يجب أن يحمله كل مسار طاقة متبقي بعد أسوأ حالة فشل محددة؟

هذا التمييز مهم بشكل خاص عندما يتم توصيل المحولات بأنظمة الطاقة المستقلة A و B التي تخدم معدات تكنولوجيا المعلومات ذات السلك المزدوج.

5. النظر في عدم الحمل والحمل والخسائر التناغمية

لأن مراكز البيانات تعمل باستمرار، يجب تقييم كفاءة المحولات على مستوى ملف تعريف الحمل المتوقع بأكمله بدلاً من الحمل الاسمي فقط.

يمكن تقسيم خسائر المحولات على نطاق واسع إلى خسائر بدون حمولة والخسائر المتعلقة بالحمولة. تحدث خسائر عدم الحمل كلما تم تشغيل المحول ، حتى عندما يكون الحمل منخفضًا. تزداد خسائر الحمل مع التيار وبالتالي تتأثر بشدة بملف التحميل الفعلي.

بالنسبة لمراكز البيانات ، يمكن أن تنتج التيارات التناغمية أيضًا خسائر إضافية. وبالتالي، يجب أن تنظر المقارنة بين محولات ليس فقط كفاءة لوحة الاسم ولكن أيضا:

• لا خسارة الحمل؛

• خسارة الحمل؛

• الخسارة الإضافية المرتبطة بالتناغم؛

• ساعات التشغيل السنوية المتوقعة؛

• ظروف التحميل النموذجية والذروة.

قد يكون لدى المحول بسعر شراء أولي أعلى قليلاً تكلفة ملكية إجمالية أقل إذا كانت خسائره أقل باستمرار على مدى سنوات عديدة.

كما يجب النظر في خسائر المحولات كجزء من حمولة تبريد مركز البيانات. تقريبا كل الخسائر الكهربائية تصبح في نهاية المطاف حرارة، والتي يجب إزالتها من قبل نظام تبريد المبنى. وبالتالي فإن تقليل خسائر المحول يمكن أن يوفر فوائد ثانوية لتوفير الطاقة تتجاوز الكهرباء التي يستهلكها المحول مباشرة.

6. حدد مقاومة الدوائر القصيرة كمعلمة النظام

مقاومة الدوائر القصيرة هي معلمة أخرى يجب تحديدها كجزء من تصميم النظام الكهربائي الشامل.

مقاومة المحول العالية تقلل عموما من تيار الدوائر القصيرة المتاحة على الجانب الثانوي. هذا يمكن أن يساعد في تقليل الدوائر القصيرة المطلوبة ومقاطعة تقييمات المعدات اللاحقة. ومع ذلك، يمكن للمقاومة المفرطة زيادة انخفاض الجهد وقد تؤثر على الأحمال الحساسة أو ظروف بدء المحرك ونظام التبريد الكبيرة.

توفر مقاومة أقل تنظيمًا أفضل للجهد ولكن يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع تيار الخطأ. وبالتالي ، يجب تنسيق المقاومة النهائية مع مستوى خطأ المرافق ، وسعة المحول ، وتصنيفات معدات التبديل ، وقدرة تحمل الحافلة ، وإعدادات الحماية ، وانخفاض الجهد المسموح به.

بالنسبة لتطبيقات مراكز البيانات ، فإن السؤال الصحيح ليس ما إذا كان يجب أن يكون للمحول مقاومة "عالية" أو "منخفضة". السؤال الصحيح هو ما إذا كانت مقاومتها مناسبة لنظام التوزيع الكامل.

7. إيلاء الاهتمام للتبريد وارتفاع درجة الحرارة والتهوية

غرفة المحول نفسها هي جزء من التصميم الحراري.

قد تستخدم المحولات الجافة تبريد الهواء الطبيعي أو تبريد الهواء القسري. عندما تستخدم المروحة للحصول على قدرة إضافية ، يجب على التصميم التمييز بوضوح بين تصنيف التبريد الطبيعي وتصنيف الهواء القسري. وينبغي أيضا النظر في إنذارات فشل المروحة والرصد المناسب عندما يكون التصنيف الأعلى مهمًا لقدرة النظام.

التهوية مهمة بنفس القدر. يتم تحويل خسائر المحول إلى حرارة ، ويمكن لعدم كفاية التهوية زيادة درجة الحرارة المحيطة الفعلية حول المحول وتقليل هامشه الحراري.

وبالتالي ، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار الحد الأقصى لدرجة الحرارة المحيطة ، وارتفاع التثبيت ، وقدرة التهوية ، وترتيب الحاجز ، ومتطلبات ارتفاع درجة الحرارة ، ومساحة التثبيت المتاحة.

بالنسبة لمراكز البيانات ذات الكثافة العالية، يمكن أن تكون هذه العوامل مهمة بنفس القدر من الاعتبار الاسمي لـ kVA.

8. النظر في متطلبات الضوضاء والحماية

عادة ما لا تكون ضوضاء المحولات أول مسألة يتم النظر فيها في التصميم الكهربائي لمركز البيانات ، ولكن يمكن أن تصبح مهمة عندما يتم تثبيت المحولات بالقرب من المناطق المحتلة أو مساحات المعدات الحساسة.

ولذلك ينبغي أن يحدد مواصفات المشروع مستويات صوتية مقبولة عند الاقتضاء.

قد تشمل متطلبات التثبيت الأخرى حماية الغلاف وأداء الحريق والظروف البيئية والمتطلبات الزلزالية والرطوبة والارتفاع والمراقبة. يجب تصميم المحول لبيئة التثبيت الفعلية بدلاً من اختياره فقط من تصنيف الكتالوج القياسي.

9. دراسة الحالة 1: مركز بيانات الحافة 300 كيلوواط

فكر في مركز بيانات صغير أو متوسط الحجم مع حمولة تكنولوجيا المعلومات 300 كيلوواط. تستخدم المنشأة معدات تبريد التردد المتغير وبنية طاقة N + 1.

افترض أن تصميم PUE هو 1.30 وعامل الطاقة المتوقع هو 0.95.

وتبلغ الطاقة الإجمالية المقدرة للمرفق ما يلي:

300 × 1.30 = 390 كيلوواط

القوة الواضحة المقابلة هي تقريبا:

390 / 0.95 = 411 kVA

وبموجب هذه الافتراضات، يوفر محول النوع الجاف 500 kVA هامش تشغيل معقول. ومع ذلك، لا يزال ينبغي تأكيد ملاءمته مقابل متطلبات الطوارئ N + 1، والطيف التناغمي، ودرجة الحرارة المحيطة، وخطة التوسع المستقبلية، ومستوى الدوائر القصيرة.

إذا كان المشروع لديه تحميل غير خطي كبير، لا ينبغي اختيار المحول فقط على أساس لوحة اسم 500 kVA. يجب على فريق الهندسة مراجعة THDi والطيف الهارموني وتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى قدرة حرارية هارمونية إضافية أو تصميم مصنف بعامل K.

ويوفر هذا النهج توازنا أفضل بين الاستثمار الأولي وكفاءة التشغيل والأداء الحراري والقدرة المستقبلية من مجرد تطبيق نسبة ثابتة من القدرة الاحتياطية.

10. دراسة الحالة 2: مركز الحوسبة عالية الكثافة 160 MVA

يقدم مركز الحوسبة على نطاق واسع مع قدرة مثبتة تقريبا 160 MVA تحدي تصميم مختلف جدا.

وعلى هذا النطاق، يرتبط اختيار المحولات ارتباطا وثيقا بنية توزيع الجهد المتوسط، ومستويات الأخطاء، وفلسفة التكرار، وأهداف الكفاءة، والتقسيم المادي للمنشأة. بدلا من معاملة التثبيت بأكمله كحمولة محول واحدة ، يمكن تقسيم نظام الطاقة إلى مجموعات محولات متعددة تخدم مناطق كهربائية مختلفة.

ثم يجب تحسين مواصفات المحول حول عدة معايير ، بما في ذلك عدم الحمل المنخفض وخسائر الحمل ، ومقاومة الدائرة القصيرة المناسبة ، والأداء الحراري التناغمي ، وطريقة التبريد ، ومتطلبات التكرار.

بالنسبة لمرفق 24/7 مع عمر تشغيل متوقع طويل ، يمكن أن تكون تكلفة دورة الحياة أكثر أهمية من سعر شراء المحول الأولي. يجب أن تشمل مقارنة دورة الحياة تكلفة شراء المحولات وخسائر الطاقة السنوية وتعريفات الكهرباء وملف التحميل المتوقع وتكاليف الصيانة وتأثير التبريد وعمر الخدمة المتوقع.

إذا ادعى المشروع توفيرًا محددًا في دورة الحياة ، مثل تخفيض بنسبة 14٪ في إجمالي تكلفة الملكية على مدى 20 عامًا ، يجب دعم الرقم بملف التحميل الفعلي للمشروع ، وسعر الكهرباء ، وبيانات خسارة المحول ، وساعات التشغيل ، وتكوين خط الأساس. وبدون هذه المدخلات، لا ينبغي تقديم وفورات بنسبة مئوية ثابتة على أنها استنتاج عام للصناعة.

11- عملية اختيار عملية

بالنسبة لمشروع مركز بيانات جديد، يمكن الاقتراب من اختيار المحول في تسلسل منطقي.

أولاً، حدد حمولة تكنولوجيا المعلومات الحالية والمستقبلية وإنشاء PUE المتوقعة. بعد ذلك، حساب الحمل الإجمالي للمنشأة وتحويله إلى طاقة ظاهرة باستخدام عامل الطاقة التصميم.

ثم حدد بنية التكرار والتحقق من قدرة المحول في إطار سيناريوهات الفشل والصيانة المطلوبة. بعد ذلك، تحليل الحمل غير الخطي والطيف التناغمي لتحديد ما إذا كان هناك حاجة إلى تصميم حراري قياسي، أو قدرة عامل K، أو تخفيض التناغمي الإضافي.

ثم يجب على المهندس تقييم عدم فقدان الحمل وفقدان الحمل ومتطلبات التبريد وارتفاع درجة الحرارة ومقاومة الدوائر القصيرة وظروف التثبيت. وأخيرا، يجب التحقق من المحول المختار مقارنة بالمعايير الكهربائية المعمول بها، ومتطلبات الحريق والبناء، وتنسيق الحماية، وأهداف تكلفة دورة حياة المشروع.

هذه العملية تتجنب واحدة من أكثر الأخطاء شيوعا في اختيار محول مركز البيانات: اختيار المحول على أساس كيلو فولت وحده.

استنتاج

يتطلب اختيار محول لمركز بيانات أكثر من مطابقة تصنيف المحول للحمل الحالي. يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار حمولة المنشأة الكاملة، وخصائص UPS وخصائص الحمولة غير الخطية، والتيارات التناغمية، وبنية التكرار، ومتطلبات الدوائر القصيرة، وظروف التبريد، وخسائر الطاقة، والتوسع المستقبلي.

غالبا ما تكون المحولات من النوع الجاف حلا عمليا لتوزيع مراكز البيانات الداخلية بسبب بناء خالية من الزيت ومزايا السلامة من الحريق ، ولكن يجب دائما تحديد نوع المحول النهائي حسب ظروف التثبيت ومتطلبات النظام.

بالنسبة لمراكز البيانات الصغيرة، قد تكون الأولوية تحقيق توازن مناسب بين القدرة والأداء المتناغم والتكلفة والتوسع المستقبلي. بالنسبة لمرافق الحوسبة على نطاق واسع، يصبح استهلاك الطاقة في دورة الحياة، وبنية الجهد المتوسط، والتكرار، وإدارة تيار الخطأ، وأداء فقدان المحولات مهمة بشكل متزايد.

وبالتالي فإن النهج الأكثر موثوقية هو معاملة المحول كجزء من النظام الكهربائي الكامل لمركز البيانات بدلاً من كونه قطعة معزولة من المعدات. يمكن للمحول المختار بشكل صحيح تحسين موثوقية نظام الطاقة، وتقليل استهلاك الطاقة على المدى الطويل، وتبسيط الإدارة الحرارية، وتوفير قدرة كافية للنمو المستقبلي لمركز البيانات.

شركة تحويل الشباب المحدودة