Alors que les centres de données continuent de s’étendre en termes d’échelle et de densité informatique, leurs systèmes électriques sont confrontés à des exigences de plus en plus exigeantes. Les charges informatiques à haute densité, le fonctionnement continu, les objectifs de disponibilité stricts, les exigences en matière d''efficacité énergétique et la croissance rapide de la charge modifient la façon dont les transformateurs sont sélectionnés. Un transformateur n''est pas simplement un dispositif qui convertit la tension. Sa capacité, ses performances harmoniques, ses pertes, son impédance, sa méthode de refroidissement et ses conditions d''installation peuvent affecter directement la fiabilité, le coût d''exploitation et les performances thermiques de l''ensemble du système de distribution d''énergie du centre de données.

Contrairement à de nombreuses installations commerciales ou industrielles conventionnelles, les centres de données contiennent une grande proportion de charges électroniques et électroniques de puissance, y compris des serveurs, des systèmes UPS, des entraînements à fréquence variable, des équipements de refroidissement et des alimentations en mode commuté. Ces charges peuvent introduire des courants harmoniques et des pertes supplémentaires de transformateur. Dans le même temps, les centres de données fonctionnent normalement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ce qui signifie que même des différences relativement petites dans les pertes de transformateurs peuvent s''accumuler en consommation d''énergie significative sur une période d''exploitation de 10, 15 ou 20 ans. Le processus de sélection du transformateur doit donc tenir compte non seulement du prix d''achat initial, mais aussi des caractéristiques de charge, de la redondance, de l''efficacité, des performances thermiques, des exigences de court-circuit et de l''expansion future.

1. Choisissez le type de transformateur selon l''environnement d''installation

Les transformateurs de type sec sont couramment utilisés pour la distribution de centres de données intérieurs parce qu''ils ne contiennent pas d''huile isolante et évitent donc les risques de fuite et d''incendie d''huile associés aux équipements remplis d''huile. Ils conviennent particulièrement lorsque le transformateur doit être installé à l''intérieur ou à proximité du bâtiment du centre de données.

Cependant, il serait trompeur de conclure que chaque centre de données doit utiliser un transformateur de type sec. Les transformateurs immergés en huile restent techniquement et économiquement adaptés à de nombreuses sous-stations extérieures et à de grands systèmes de distribution à moyenne tension. Le choix final devrait tenir compte de l''emplacement d''installation, des exigences de protection contre l''incendie, de l''espace disponible, de la capacité du transformateur, de l''efficacité, des conditions de refroidissement, des exigences d''entretien et des règlements locaux.

Pour les installations intérieures, les transformateurs de type sec doivent généralement être choisis avec des limites de hausse de température appropriées, une protection de l''enceinte, une ventilation et des dispositifs de refroidissement. Un transformateur ne devrait pas être décrit comme totalement sans entretien. Une inspection et un nettoyage réguliers restent nécessaires, tandis que les systèmes de refroidissement à air forcé nécessitent une attention supplémentaire aux ventilateurs, aux commandes et aux alarmes.

2. Calculer la capacité du transformateur à partir de la charge complète de l''installation

La capacité du transformateur ne doit pas être choisie simplement en comparant la charge informatique avec la puissance nominale du transformateur. La demande électrique d''un centre de données comprend également les systèmes de refroidissement, les pertes d''alimentation courante, les pompes, les ventilateurs, l''éclairage, les systèmes de protection contre l''incendie, les systèmes de sécurité et d''autres charges auxiliaires.

Un point de départ utile est la relation entre la charge informatique et l''efficacité d''utilisation de l''énergie (PUE) :

Puissance totale de l''installation ≈ charge informatique × PUE

La puissance apparente du transformateur requise peut alors être estimée à partir de la puissance totale de l''installation et du facteur de puissance de fonctionnement:

KVA requis ≈ Puissance totale de l''installation / Facteur de puissance

Par exemple, supposons qu''un centre de données de bord a une charge informatique de 300 kW et une PUE de conception de 1,30. La puissance totale estimée de l''installation serait d''environ :

300 kW × 1,30 = 390 kW

Si le facteur de puissance prévu est de 0,95, la puissance apparente correspondante serait approximativement:

390 / 0,95 ≈ 411 kVA

Un transformateur 500 kVA fournirait donc une marge d''exploitation raisonnable sous ces hypothèses, la sélection réelle étant toujours soumise à la configuration de redondance du projet, aux performances harmoniques, aux conditions ambiantes et aux exigences d''expansion future.

Cette approche est plus fiable que d''appliquer une règle fixe de 20% ou 25% de capacité libre à chaque projet. La capacité future devrait être déterminée à partir du taux de croissance prévu des TI, des phases d''expansion prévues, de la stratégie de remplacement de l''équipement et des besoins en redondance.

3. Évaluer les courants harmoniques au lieu de sélectionner un facteur K par règle générale

Les harmoniques sont l''un des problèmes les plus importants dans la sélection des transformateurs de centre de données. Les systèmes UPS, les sources d''alimentation des serveurs, les entraînements à fréquence variable et d''autres charges électroniques peuvent produire des courants non sinusoïdes. Ces courants harmoniques augmentent les pertes supplémentaires dans les enroulements de transformateurs et les composants structurels et peuvent entraîner une augmentation de la température.

Les transformateurs à facteur K peuvent être utilisés lorsque la charge harmonique garantit une capacité thermique supplémentaire. Cependant, K13 ou K20 ne devraient pas être considérés comme des spécifications universelles pour les centres de données modernes.

La conception harmonique du facteur K ou du transformateur appropriée doit être déterminée à partir du profil de charge réel et du spectre harmonique. En particulier, l''ingénieur devrait faire la distinction entre les systèmes traditionnels de redresseur à six impulsions et les systèmes modernes de redresseur à six impulsions utilisant une technologie de redressement d''entrée améliorée ou de front-end actif. Leurs formes d''onde de courant d''entrée peuvent être significativement différentes.

Pour cette raison, la sélection du transformateur devrait idéalement tenir compte du courant THD (THDi) mesuré ou spécifié, des ordres harmoniques individuels, du pourcentage de charge attendu et des limites harmoniques applicables. Le fabricant du transformateur peut alors évaluer les pertes supplémentaires et l''augmentation de température qui en résultent et déterminer si une conception standard, une conception au facteur K ou une autre optimisation thermique est appropriée.

Une valeur harmonique indiquée doit également être clairement identifiée. Par exemple, « 70 % THD » est incomplet à moins qu’il ne précise si la valeur se réfère à la tension THD ou au courant THD, où elle a été mesurée et dans quelles conditions de fonctionnement. Si un projet présente réellement une THDi très élevée, le spectre harmonique doit être revu avant la définition de la classification du transformateur.

4. Capacité du transformateur correspondant à l''architecture de redondance

La capacité du transformateur ne peut pas être séparée de l''architecture de disponibilité du centre de données. Les configurations N+1, 2N et à redondance distribuée ont des exigences de capacité différentes.

Dans un système N+1, les transformateurs disponibles comprennent normalement une unité supplémentaire au-delà du nombre nécessaire pour la charge de fonctionnement normale. La conception doit ensuite vérifier que l''équipement restant peut continuer à fournir la charge critique requise après une panne du transformateur ou pendant l''entretien prévu.

Le système 2N est différent. Il fournit normalement deux chemins de puissance indépendants, et chaque chemin peut avoir besoin de supporter la charge critique requise en fonction de la philosophie de disponibilité et des critères de conception.

Par conséquent, le dimensionnement du transformateur ne devrait pas être basé uniquement sur la charge de fonctionnement normale. Les ingénieurs devraient également effectuer des calculs d''urgence pour les défaillances d''équipement, les conditions d''entretien, les pannes d''alimentation et d''autres scénarios de défaillance unique définis.

Une question de conception utile n''est pas simplement:

Quelle charge porte chaque transformateur pendant le fonctionnement normal?

C''est :

Quelle charge doit porter chaque trajet de puissance restant après la défaillance dans le pire des cas définis?

Cette distinction est particulièrement importante lorsque les transformateurs sont connectés à des systèmes d''alimentation A et B indépendants desservant des équipements informatiques à double câble.

5. Considérez les pertes sans charge, charge et harmonique

Comme les centres de données fonctionnent en continu, l''efficacité du transformateur devrait être évaluée sur l''ensemble du profil de charge attendu plutôt que seulement à la charge nominale.

Les pertes de transformateur peuvent être généralement divisées en pertes sans charge et pertes liées à la charge. Les pertes sans charge se produisent chaque fois que le transformateur est activé, même lorsque la charge est faible. Les pertes de charge augmentent avec le courant et sont donc fortement affectées par le profil de charge réel.

Pour les centres de données, les courants harmoniques peuvent également produire des pertes supplémentaires. Par conséquent, la comparaison entre deux transformateurs doit tenir compte non seulement de leur efficacité de plaque de désignation mais aussi:

• perte sans charge;

• perte de charge;

• perte supplémentaire liée à l''harmonique;

• les heures de fonctionnement annuelles prévues;

• conditions de charge typiques et de pointe.

Un transformateur avec un prix d''achat initial légèrement plus élevé peut avoir un coût total de propriété inférieur si ses pertes sont constamment inférieures sur de nombreuses années.

Les pertes de transformateur doivent également être considérées comme faisant partie de la charge de refroidissement du centre de données. Presque toutes les pertes électriques finissent par devenir de la chaleur, qui doit être éliminée par le système de refroidissement du bâtiment. La réduction des pertes du transformateur peut donc apporter un avantage secondaire en matière d''économie d''énergie au-delà de l''électricité consommée directement par le transformateur.

6. Sélectionnez l''impédance de court-circuit comme paramètre du système

L''impédance de court-circuit est un autre paramètre qui doit être déterminé dans le cadre de la conception globale du système électrique.

Une impédance du transformateur plus élevée réduit généralement le courant de court-circuit disponible du côté secondaire. Cela peut aider à réduire la résistance au court-circuit requise et les taux d''interruption des équipements en aval. Cependant, une impédance excessive peut augmenter la chute de tension et peut affecter les charges sensibles ou les grandes conditions de démarrage du moteur et du système de refroidissement.

Une impédance plus faible permet une meilleure régulation de la tension, mais peut entraîner un courant de défaillance plus élevé. L''impédance finale doit donc être coordonnée avec le niveau de défaillance de l''utilité, la capacité du transformateur, les valeurs nominales de l''appareillage de commutation, la capacité de résistance de la barre de bus, les paramètres de protection et la chute de tension admissible.

Pour les applications de centre de données, la bonne question n’est pas de savoir si un transformateur devrait avoir une impédance « haute » ou « basse ». La bonne question est de savoir si son impédance est appropriée pour le système de distribution complet.

7. Faites attention au refroidissement, à l''augmentation de la température et à la ventilation

La salle de transformateur elle-même fait partie de la conception thermique.

Les transformateurs de type sec peuvent utiliser le refroidissement à l''air naturel ou le refroidissement à l''air forcé. Lorsque les ventilateurs sont utilisés pour obtenir une capacité supplémentaire, la conception doit faire clairement la distinction entre le refroidissement naturel nominal et l''air forcé nominal. Les alarmes de défaillance du ventilateur et la surveillance appropriée devraient également être prises en considération lorsque la valeur nominale plus élevée est importante pour la capacité du système.

La ventilation est tout aussi importante. Les pertes du transformateur sont converties en chaleur et une ventilation insuffisante peut augmenter la température ambiante réelle autour du transformateur et réduire sa marge thermique.

La conception doit donc tenir compte de la température ambiante maximale, de l''altitude d''installation, de la capacité de ventilation, de la disposition de l''enceinte, de l''exigence de hausse de température et de l''espace d''installation disponible.

Pour les centres de données à haute densité, ces facteurs peuvent être aussi importants que la valeur nominale de kVA.

8. Considérer les exigences relatives au bruit et à la protection

Le bruit du transformateur n''est pas normalement le premier problème considéré dans la conception électrique du centre de données, mais il peut devenir important lorsque les transformateurs sont installés à proximité de zones occupées ou d''espaces d''équipement sensibles.

Les spécifications du projet devraient donc définir, le cas échéant, des niveaux sonores acceptables.

D''autres exigences d''installation peuvent inclure la protection de l''enceinte, la performance incendie, les conditions environnementales, les exigences sismiques, l''humidité, l''altitude et la surveillance.

9. Étude de cas 1 : Centre de données Edge de 300 kW

Considérez un centre de données de petite ou moyenne taille avec une charge informatique de 300 kW. L''installation utilise un équipement de refroidissement à fréquence variable et une architecture d''alimentation N+1.

Supposons que la conception PUE est de 1,30 et le facteur de puissance attendu est de 0,95.

La puissance totale estimée de l''installation est :

300 × 1,30 = 390 kW

La puissance apparente correspondante est approximativement:

390 / 0,95 = 411 kVA

Sous ces hypothèses, un transformateur de type sec 500 kVA fournit une marge d''exploitation raisonnable. Cependant, sa pertinence doit toujours être confirmée par rapport à l''exigence de contingence N+1, au spectre harmonique, à la température ambiante, au plan d''expansion futur et au niveau de court-circuit.

Si le projet présente une charge non linéaire importante, le transformateur ne devrait pas être sélectionné uniquement sur la base de la plaque 500 kVA. L''équipe d''ingénieurs devrait examiner THDi et le spectre harmonique et déterminer si une capacité thermique harmonique supplémentaire ou une conception au facteur K est nécessaire.

Cette approche offre un meilleur équilibre entre l''investissement initial, l''efficacité opérationnelle, les performances thermiques et la capacité future que d''appliquer simplement un pourcentage fixe de capacité de réserve.

10. Étude de cas 2 : Centre informatique à haute densité 160 MVA

Un centre informatique à grande échelle avec une capacité installée d''environ 160 MVA présente un défi de conception très différent.

À cette échelle, la sélection du transformateur est étroitement liée à l''architecture de distribution de moyenne tension, aux niveaux de défaillance, à la philosophie de redondance, aux objectifs d''efficacité et au zonage physique de l''installation. Au lieu de traiter l''ensemble de l''installation comme une seule charge de transformateur, le système d''alimentation peut être divisé en plusieurs groupes de transformateurs desservant différentes zones électriques.

Les spécifications du transformateur devraient ensuite être optimisées autour de plusieurs paramètres, y compris des pertes de charge et de charge faibles, une impédance de court-circuit appropriée, des performances thermiques harmoniques, une méthode de refroidissement et des exigences de redondance.

Pour une installation 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec une longue durée de vie attendue, le coût du cycle de vie peut être plus important que le prix d''achat initial du transformateur. Une comparaison du cycle de vie devrait inclure le coût d''achat du transformateur, les pertes annuelles d''énergie, les tarifs d''électricité, le profil de charge attendu, les coûts d''entretien, l''impact du refroidissement et la durée de vie attendue.

Si un projet réclame une économie spécifique sur le cycle de vie, comme une réduction de 14 % du coût total de propriété sur 20 ans, le chiffre devrait être étayé par le profil de charge réel du projet, le prix de l''électricité, les données sur les pertes de transformateur, les heures de fonctionnement et la configuration de base. Sans ces intrants, un pourcentage fixe d''économies ne devrait pas être présenté comme une conclusion générale de l''industrie.

11. Un processus de sélection pratique

Pour un nouveau projet de centre de données, la sélection du transformateur peut être abordée dans une séquence logique.

Tout d''abord, déterminez la charge informatique actuelle et future et établissez le PUE attendu. Ensuite, calculez la charge totale de l''installation et convertissez-la en puissance apparente en utilisant le facteur de puissance de conception.

Ensuite, identifiez l''architecture de redondance et vérifiez la capacité du transformateur dans les scénarios de défaillance et de maintenance requis. Après cela, analysez la charge non linéaire et le spectre harmonique pour déterminer si une conception thermique standard, une capacité de facteur K ou une dération harmonique supplémentaire sont nécessaires.

L''ingénieur doit ensuite évaluer la perte de charge, la perte de charge, les exigences de refroidissement, l''augmentation de la température, l''impédance de court-circuit et les conditions d''installation. Enfin, le transformateur choisi doit être vérifié par rapport aux normes électriques applicables, aux exigences en matière d''incendie et de construction, à la coordination de la protection et aux objectifs de coût du cycle de vie du projet.

Ce processus évite l''une des erreurs les plus courantes dans la sélection du transformateur du centre de données: choisir un transformateur basé uniquement sur kVA.

Conclusion

La sélection d''un transformateur pour un centre de données nécessite plus que d''associer la valeur nominale du transformateur à la charge courante. La conception doit tenir compte de la charge complète de l''installation, des caractéristiques de la charge UPS et non linéaire, des courants harmoniques, de l''architecture de redondance, des exigences de court-circuit, des conditions de refroidissement, des pertes d''énergie et de l''expansion future.

Les transformateurs de type sec sont souvent une solution pratique pour la distribution de centres de données intérieurs en raison de leur construction sans huile et de leurs avantages en matière de sécurité incendie, mais le type de transformateur final devrait toujours être déterminé par les conditions d''installation et les exigences du système.

Pour les centres de données de petite taille, la priorité peut être d''atteindre un équilibre approprié entre la capacité, les performances harmoniques, le coût et l''expansion future. Pour les installations informatiques à grande échelle, la consommation d''énergie au cycle de vie, l''architecture à moyenne tension, la redondance, la gestion du courant de défaillance et les performances de perte du transformateur deviennent de plus en plus importantes.

L''approche la plus fiable est donc de traiter le transformateur comme faisant partie du système électrique complet du centre de données plutôt que comme un équipement isolé. Un transformateur correctement choisi peut améliorer la fiabilité du système d''alimentation, réduire la consommation d''énergie à long terme, simplifier la gestion thermique et fournir une capacité suffisante pour la croissance future du centre de données.

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