A medida que los centros de datos continúan expandiéndose en escala y densidad de computación, sus sistemas eléctricos se enfrentan a requisitos cada vez más exigentes. Las cargas de TI de alta densidad, el funcionamiento continuo, los estrictos objetivos de disponibilidad, los requisitos de eficiencia energética y el rápido crecimiento de la carga están cambiando la forma en que se seleccionan los transformadores. Un transformador no es simplemente un dispositivo que convierte la tensión. Su capacidad, rendimiento armónico, pérdidas, impedancia, método de enfriamiento y condiciones de instalación pueden afectar directamente a la fiabilidad, el costo de operación y el rendimiento térmico de todo el sistema de distribución de energía del centro de datos.

A diferencia de muchas instalaciones comerciales o industriales convencionales, los centros de datos contienen una gran proporción de cargas electrónicas y electrónicas de potencia, incluyendo servidores, sistemas UPS, unidades de frecuencia variable, equipos de refrigeración y fuentes de alimentación de modo conmutado. Estas cargas pueden introducir corrientes armónicas y pérdidas adicionales del transformador. Al mismo tiempo, los centros de datos normalmente operan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, lo que significa que incluso diferencias relativamente pequeñas en las pérdidas de transformadores pueden acumularse en un consumo de energía significativo durante un período de operación de 10, 15 o 20 años. Por lo tanto, el proceso de selección del transformador necesita considerar no solo el precio de compra inicial, sino también las características de carga, la redundancia, la eficiencia, el rendimiento térmico, los requisitos de cortocircuito y la expansión futura.

1. Elija el tipo de transformador según el entorno de instalación

Los transformadores de tipo seco se usan comúnmente para la distribución de centros de datos interiores porque no contienen aceite aislante y, por lo tanto, evitan los riesgos de fugas y incendios de aceite asociados con equipos llenos de aceite. Son particularmente adecuados cuando el transformador debe instalarse dentro o cerca del edificio del centro de datos.

Sin embargo, sería engañoso concluir que cada centro de datos debe usar un transformador de tipo seco. Los transformadores sumergidos en aceite siguen siendo técnicamente y económicamente adecuados para muchas subestaciones al aire libre y grandes sistemas de distribución de voltaje medio. La elección final debe considerar la ubicación de la instalación, los requisitos de protección contra incendios, el espacio disponible, la capacidad del transformador, la eficiencia, las condiciones de refrigeración, los requisitos de mantenimiento y las regulaciones locales.

Para instalaciones interiores, los transformadores de tipo seco generalmente deben seleccionarse con límites de aumento de temperatura apropiados, protección del recinto, ventilación y disposiciones de enfriamiento. Un transformador no debe describirse como completamente libre de mantenimiento. La inspección y limpieza regulares siguen siendo necesarias, mientras que los sistemas de enfriamiento por aire forzado requieren atención adicional a los ventiladores, controles y alarmas.

2. Calcular la capacidad del transformador a partir de la carga completa de la instalación

La capacidad del transformador no debe seleccionarse simplemente comparando la carga de TI con la calificación de kVA del transformador. La demanda eléctrica de un centro de datos también incluye sistemas de refrigeración, pérdidas de UPS, bombas, ventiladores, iluminación, sistemas de protección contra incendios, sistemas de seguridad y otras cargas auxiliares.

Un punto de partida útil es la relación entre la carga de TI y la Eficacia de Uso de Energía (PUE):

Potencia total de la instalación ≈ carga de TI × PUE

La potencia aparente del transformador requerida puede entonces estimarse a partir de la potencia total de la instalación y el factor de potencia operativa:

Requeridos kVA ≈ Potencia total de la instalación / Factor de potencia

Por ejemplo, supongamos que un centro de datos de borde tiene una carga de TI de 300 kW y un PUE de diseño de 1,30. La potencia total estimada de la instalación sería aproximadamente:

300 kW × 1,30 = 390 kW

Si el factor de potencia de diseño es 0,95, la potencia aparente correspondiente sería aproximadamente:

390 / 0.95 ≈ 411 kVA

Por lo tanto, un transformador 500 kVA proporcionaría un margen operativo razonable bajo estos supuestos, con la selección real todavía sujeta a la configuración de redundancia del proyecto, el rendimiento armónico, las condiciones ambientales y los requisitos de expansión futura.

Este enfoque es más fiable que aplicar una regla fija del 20% o 25% de capacidad libre a cada proyecto. La capacidad futura debe determinarse a partir de la tasa de crecimiento de TI esperada, las fases de expansión planificadas, la estrategia de reemplazo de equipos y los requisitos de redundancia.

3. Evaluar las corrientes armónicas en lugar de seleccionar un factor K por regla general

Los armónicos son uno de los temas más importantes en la selección de transformadores de centros de datos. Los sistemas UPS, las fuentes de alimentación del servidor, los accionamientos de frecuencia variable y otras cargas electrónicas pueden producir corrientes no sinusoidales. Estas corrientes armónicas aumentan las pérdidas adicionales en los bobinados del transformador y los componentes estructurales y pueden dar lugar a un aumento de temperatura más alto.

Los transformadores nominales con factor K se pueden usar cuando la carga armónica garantiza una capacidad térmica adicional. Sin embargo, K13 o K20 no deben tratarse como especificaciones universales para los centros de datos modernos.

El diseño armónico del factor K o del transformador apropiado debe determinarse a partir del perfil de carga real y del espectro armónico. En particular, el ingeniero debe distinguir entre los sistemas UPS de rectificador de seis pulsos tradicionales y los sistemas UPS modernos que utilizan una rectificación de entrada mejorada o tecnología frontal activa. Sus formas de onda de corriente de entrada pueden ser significativamente diferentes.

Por esta razón, la selección del transformador debe considerar idealmente la corriente THD (THDi) medida o especificada, los órdenes armónicos individuales, el porcentaje de carga esperado y los límites armónicos aplicables. El fabricante del transformador puede entonces evaluar las pérdidas adicionales resultantes y el aumento de la temperatura y determinar si es apropiado un diseño estándar, un diseño con factor K u otra optimización térmica.

También debe identificarse claramente un valor armónico declarado. Por ejemplo, "70% THD" es incompleto a menos que especifique si el valor se refiere a la tensión THD o la corriente THD, dónde se midió y bajo qué condición de funcionamiento. Si un proyecto tiene realmente THDi muy alto, el espectro armónico debe revisarse antes de finalizar la clasificación del transformador.

4. Capacidad del transformador de coincidencia con la arquitectura de redundancia

La capacidad del transformador no puede separarse de la arquitectura de disponibilidad del centro de datos. Las configuraciones N+1, 2N y de redundancia distribuida tienen diferentes requisitos de capacidad.

En un sistema N+1, los transformadores disponibles normalmente incluyen una unidad adicional más allá del número requerido para la carga de funcionamiento normal. El diseño debe entonces verificar que el equipo restante puede continuar suministrando la carga crítica requerida después de una falla del transformador o durante el mantenimiento planificado.

Un sistema 2N es diferente. Normalmente proporciona dos trayectorias de potencia independientes, y cada trayectoria puede necesitar soportar la carga crítica requerida dependiendo de la filosofía de disponibilidad y los criterios de diseño.

Por lo tanto, el tamaño del transformador no debe basarse solo en la carga de funcionamiento normal. Los ingenieros también deben realizar cálculos de contingencia para fallas de equipo, condiciones de mantenimiento, interrupciones de alimentación y otros escenarios definidos de falla única.

Una pregunta de diseño útil no es simplemente:

¿Cuánta carga lleva cada transformador durante el funcionamiento normal?

Es:

¿Qué carga debe llevar cada trayectoria de potencia restante después del peor fallo definido?

Esta distinción es particularmente importante cuando los transformadores están conectados a sistemas de alimentación independientes A y B que sirven a equipos de TI de doble cable.

5. Considere pérdidas sin carga, carga y armónica

Debido a que los centros de datos operan continuamente, la eficiencia del transformador debe evaluarse sobre todo el perfil de carga esperado en lugar de solo a la carga nominal.

Las pérdidas del transformador se pueden dividir ampliamente en pérdidas sin carga y pérdidas relacionadas con la carga. Las pérdidas sin carga ocurren cada vez que el transformador se alimenta, incluso cuando la carga es baja. Las pérdidas de carga aumentan con la corriente y, por lo tanto, se ven fuertemente afectadas por el perfil de carga real.

Para los centros de datos, las corrientes armónicas también pueden producir pérdidas adicionales. Por consiguiente, la comparación entre dos transformadores debe considerar no solo su eficiencia en la placa, sino también:

• pérdida sin carga;

• pérdida de carga;

• pérdida adicional relacionada con el armónico;

• Horarios de funcionamiento anuales previstos;

• condiciones de carga típicas y máximas.

Un transformador con un precio de compra inicial ligeramente más alto puede tener un costo total de propiedad más bajo si sus pérdidas son consistentemente menores durante muchos años.

Las pérdidas del transformador también deben considerarse como parte de la carga de enfriamiento del centro de datos. Casi todas las pérdidas eléctricas eventualmente se convierten en calor, que debe ser eliminado por el sistema de refrigeración del edificio. Por lo tanto, la reducción de las pérdidas del transformador puede proporcionar un beneficio secundario de ahorro de energía más allá de la electricidad consumida directamente por el transformador.

6. Seleccione la impedancia de cortocircuito como parámetro del sistema

La impedancia de cortocircuito es otro parámetro que debe determinarse como parte del diseño general del sistema eléctrico.

Una mayor impedancia del transformador generalmente reduce la corriente de cortocircuito disponible en el lado secundario. Esto puede ayudar a reducir la resistencia al cortocircuito requerida y las calificaciones de interrupción del equipo aguas abajo. Sin embargo, la impedancia excesiva puede aumentar la caída de tensión y puede afectar cargas sensibles o condiciones de arranque de grandes motores y sistemas de refrigeración.

Una impedancia más baja proporciona una mejor regulación de voltaje, pero puede dar lugar a una corriente de falla más alta. Por lo tanto, la impedancia final debe coordinarse con el nivel de falla de la utilidad, la capacidad del transformador, las calificaciones de los aparatos de conmutación, la capacidad de resistencia de la barra de barra, los ajustes de protección y la caída de tensión permitida.

Para aplicaciones de centros de datos, la pregunta correcta no es si un transformador debe tener una impedancia “alta” o “baja”. La pregunta correcta es si su impedancia es adecuada para el sistema de distribución completo.

7. Preste atención al enfriamiento, aumento de temperatura y ventilación

La propia sala de transformadores forma parte del diseño térmico.

Los transformadores de tipo seco pueden usar enfriamiento por aire natural o enfriamiento por aire forzado. Cuando se utilizan ventiladores para obtener capacidad adicional, el diseño debe distinguir claramente entre la calificación de refrigeración natural y la calificación de aire forzado. Las alarmas de falla del ventilador y el monitoreo apropiado también deben considerarse cuando la calificación más alta es importante para la capacidad del sistema.

La ventilación es igualmente importante. Las pérdidas del transformador se convierten en calor, y la ventilación insuficiente puede aumentar la temperatura ambiente real alrededor del transformador y reducir su margen térmico.

Por lo tanto, el diseño debe considerar la temperatura ambiente máxima, la altitud de instalación, la capacidad de ventilación, la disposición del recinto, el requisito de aumento de temperatura y el espacio de instalación disponible.

Para los centros de datos de alta densidad, estos factores pueden ser tan importantes como la calificación nominal de kVA.

8. Considere los requisitos de ruido y protección

El ruido del transformador no es normalmente el primer problema considerado en el diseño eléctrico del centro de datos, pero puede ser importante cuando los transformadores se instalan cerca de áreas ocupadas o espacios sensibles del equipo.

Por lo tanto, la especificación del proyecto debe definir niveles de sonido aceptables cuando sea necesario.

Otros requisitos de instalación pueden incluir la protección del recinto, el rendimiento contra incendios, las condiciones ambientales, los requisitos sísmicos, la humedad, la altitud y el monitoreo.

9. Estudio de caso 1: Centro de datos Edge de 300 kW

Considere un centro de datos de borde pequeño o mediano con una carga de TI de 300 kW. La instalación utiliza equipos de refrigeración de frecuencia variable y una arquitectura de energía N+1.

Supongamos que el PUE de diseño es 1,30 y el factor de potencia esperado es 0,95.

La potencia total estimada de la instalación es:

300 × 1,30 = 390 kW

La potencia aparente correspondiente es aproximadamente:

390 / 0,95 = 411 kVA

Bajo estas suposiciones, un transformador de tipo seco 500 kVA proporciona un margen operativo razonable. Sin embargo, su idoneidad todavía debe confirmarse frente al requisito de contingencia N + 1, el espectro armónico, la temperatura ambiente, el plan de expansión futuro y el nivel de cortocircuito.

Si el proyecto tiene una carga no lineal significativa, el transformador no debe seleccionarse únicamente sobre la base de la placa 500 kVA. El equipo de ingeniería debe revisar THDi y el espectro armónico y determinar si es necesaria una capacidad térmica armónica adicional o un diseño con factor K.

Este enfoque proporciona un mejor equilibrio entre la inversión inicial, la eficiencia operativa, el rendimiento térmico y la capacidad futura que simplemente aplicar un porcentaje fijo de capacidad de reserva.

10. Estudio de caso 2: Centro de Computación de Alta Densidad 160 MVA

Un centro de computación a gran escala con una capacidad instalada de aproximadamente 160 MVA presenta un desafío de diseño muy diferente.

A esta escala, la selección del transformador está estrechamente vinculada a la arquitectura de distribución de voltaje medio, los niveles de fallas, la filosofía de redundancia, los objetivos de eficiencia y la zonificación física de la instalación. En lugar de tratar toda la instalación como una carga de transformador, el sistema de alimentación puede dividirse en múltiples grupos de transformadores que sirven a diferentes zonas eléctricas.

La especificación del transformador debe optimizarse entonces alrededor de varios parámetros, incluyendo bajas pérdidas de carga y sin carga, impedancia de cortocircuito apropiada, rendimiento térmico armónico, método de enfriamiento y requisitos de redundancia.

Para una instalación 24/7 con una larga vida útil esperada, el costo del ciclo de vida puede ser más importante que el precio de compra inicial del transformador. Una comparación del ciclo de vida debe incluir el costo de compra del transformador, las pérdidas anuales de energía, las tarifas de electricidad, el perfil de carga esperado, los costos de mantenimiento, el impacto de enfriamiento y la vida útil esperada.

Si un proyecto reclama un ahorro específico en el ciclo de vida, como una reducción del 14% en el costo total de propiedad durante 20 años, la cifra debe estar respaldada por el perfil de carga real del proyecto, el precio de la electricidad, los datos de pérdida del transformador, las horas de funcionamiento y la configuración de referencia. Sin estos insumos, un porcentaje fijo de ahorro no debería presentarse como una conclusión general de la industria.

11. Un proceso de selección práctico

Para un nuevo proyecto de centro de datos, la selección del transformador puede abordarse en una secuencia lógica.

En primer lugar, determine la carga de TI presente y futura y establezca el PUE esperado. A continuación, calcule la carga total de la instalación y la convierta en potencia aparente utilizando el factor de potencia de diseño.

A continuación, identifique la arquitectura de redundancia y verifique la capacidad del transformador bajo los escenarios de falla y mantenimiento requeridos. Después de eso, analizar la carga no lineal y el espectro armónico para determinar si se requiere diseño térmico estándar, capacidad de factor K o desviación armónica adicional.

El ingeniero debe entonces evaluar la pérdida sin carga, la pérdida de carga, los requisitos de enfriamiento, el aumento de la temperatura, la impedancia de cortocircuito y las condiciones de instalación. Por último, el transformador seleccionado debe comprobarse con respecto a las normas eléctricas aplicables, los requisitos de incendios y edificios, la coordinación de la protección y los objetivos de costo del ciclo de vida del proyecto.

Este proceso evita uno de los errores más comunes en la selección del transformador del centro de datos: elegir un transformador basado solo en kVA.

Conclusión

Seleccionar un transformador para un centro de datos requiere más que coincidir con la clasificación del transformador con la carga actual. El diseño debe tener en cuenta la carga completa de la instalación, las características de carga UPS y no lineal, las corrientes armónicas, la arquitectura de redundancia, los requisitos de cortocircuito, las condiciones de enfriamiento, las pérdidas de energía y la expansión futura.

Los transformadores de tipo seco son a menudo una solución práctica para la distribución de centros de datos interiores debido a su construcción sin aceite y sus ventajas de seguridad contra incendios, pero el tipo final de transformador siempre debe determinarse por las condiciones de instalación y los requisitos del sistema.

Para centros de datos de borde más pequeños, la prioridad puede ser lograr un equilibrio apropiado entre capacidad, rendimiento armónico, costo y expansión futura. Para las instalaciones de computación a gran escala, el consumo de energía del ciclo de vida, la arquitectura de voltaje medio, la redundancia, la gestión de corriente de falla y el rendimiento de pérdida del transformador se vuelven cada vez más importantes.

Por lo tanto, el enfoque más fiable es tratar el transformador como parte del sistema eléctrico completo del centro de datos en lugar de como una pieza aislada de equipo. Un transformador correctamente seleccionado puede mejorar la fiabilidad del sistema de energía, reducir el consumo de energía a largo plazo, simplificar la gestión térmica y proporcionar capacidad suficiente para el crecimiento futuro del centro de datos.

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