À medida que os centros de dados continuam a se expandir em escala e densidade de computação, seus sistemas elétricos estão enfrentando requisitos cada vez mais exigentes. Cargas de TI de alta densidade, operação contínua, metas de disponibilidade rigorosas, requisitos de eficiência energética e rápido crescimento da carga estão mudando a forma como os transformadores são selecionados. Um transformador não é simplesmente um dispositivo que converte a tensão. Sua capacidade, desempenho harmônico, perdas, impedância, método de resfriamento e condições de instalação podem afetar diretamente a confiabilidade, custo operacional e desempenho térmico de todo o sistema de distribuição de energia do data center.

Ao contrário de muitas instalações comerciais ou industriais convencionais, os centros de dados contêm uma grande proporção de cargas eletrônicas e eletrônicas de potência, incluindo servidores, sistemas UPS, unidades de frequência variável, equipamentos de refrigeração e fontes de alimentação em modo comutado. Essas cargas podem introduzir correntes harmônicas e perdas adicionais do transformador. Ao mesmo tempo, os centros de dados normalmente operam 24 horas por dia, 7 dias por semana, o que significa que mesmo diferenças relativamente pequenas nas perdas de transformadores podem se acumular em consumo significativo de energia ao longo de um período operacional de 10, 15 ou 20 anos. Portanto, o processo de seleção do transformador precisa considerar não apenas o preço de compra inicial, mas também as características de carga, redundância, eficiência, desempenho térmico, requisitos de curto-circuito e expansão futura.

1. Escolha o tipo do transformador de acordo com o ambiente de instalação

Os transformadores de tipo seco são comumente usados ​​para distribuição de centros de dados internos porque não contêm óleo isolante e, portanto, evitam os riscos de vazamento e incêndio de óleo associados a equipamentos cheios de óleo. Eles são particularmente adequados quando o transformador precisa ser instalado dentro ou perto do edifício do centro de dados.

No entanto, seria enganosa concluir que todo data center deve usar um transformador de tipo seco. Os transformadores imersos em óleo permanecem tecnicamente e economicamente adequados para muitas subestações ao ar livre e grandes sistemas de distribuição de média tensão. A escolha final deve considerar o local de instalação, os requisitos de proteção contra incêndios, o espaço disponível, a capacidade do transformador, a eficiência, as condições de resfriamento, os requisitos de manutenção e as regulamentações locais.

Para instalações internas, os transformadores de tipo seco devem geralmente ser selecionados com limites apropriados de aumento de temperatura, proteção do recinto, ventilação e arrefecimento. Um transformador não deve ser descrito como completamente livre de manutenção. A inspeção e a limpeza regulares permanecem necessárias, enquanto os sistemas de arrefecimento a ar forçado exigem atenção adicional aos ventiladores, controles e alarmes.

2. Calcule a capacidade do transformador a partir da carga completa da instalação

A capacidade do transformador não deve ser selecionada simplesmente comparando a carga de TI com a taxa de kVA do transformador. A demanda elétrica de um data center também inclui sistemas de resfriamento, perdas de UPS, bombas, ventiladores, iluminação, sistemas de proteção contra incêndios, sistemas de segurança e outras cargas auxiliares.

Um ponto de partida útil é a relação entre a carga de TI e a Eficiência de Uso de Energia (PUE):

Potência total da instalação ≈ carga de TI × PUE

A potência aparente do transformador necessária pode então ser estimada a partir da potência total da instalação e do fator de potência operacional:

Requerido kVA ≈ Potência total da instalação / Fator de potência

Por exemplo, suponha que um data center de borda tenha uma carga de TI de 300 kW e uma PUE de design de 1,30. A potência total estimada da instalação seria aproximadamente:

300 kW × 1,30 = 390 kW

Se o fator de potência do projeto for de 0,95, a potência aparente correspondente seria aproximadamente:

390 / 0,95 ≈ 411 kVA

Um transformador 500 kVA proporcionaria, portanto, uma margem operacional razoável sob essas suposições, com a seleção real ainda sujeita à configuração de redundância do projeto, desempenho armônico, condições ambientais e requisitos de expansão futuros.

Esta abordagem é mais confiável do que aplicar uma regra fixa de 20% ou 25% de capacidade livre a cada projeto. A capacidade futura deve ser determinada a partir da taxa de crescimento de TI esperada, fases de expansão planejadas, estratégia de substituição de equipamentos e requisitos de redundância.

3. Avaliar correntes harmônicas em vez de selecionar um fator K por regra geral

A harmônica é uma das questões mais importantes na seleção de transformadores de data center. Sistemas UPS, fontes de alimentação do servidor, unidades de frequência variável e outras cargas eletrônicas podem produzir correntes não sinusoidais. Essas correntes harmônicas aumentam perdas adicionais em enrolamentos de transformadores e componentes estruturais e podem resultar em aumento de temperatura maior.

Os transformadores com fator K podem ser usados onde a carga harmônica garante capacidade térmica adicional. No entanto, K13 ou K20 não devem ser tratados como especificações universais para centros de dados modernos.

O fator K apropriado ou o projeto harmônico do transformador deve ser determinado a partir do perfil de carga real e do espectro harmônico. Em particular, o engenheiro deve distinguir entre os sistemas UPS de retificador de seis pulsos tradicionais e os sistemas UPS modernos usando retificação de entrada melhorada ou tecnologia de front-end ativa. Suas formas de onda de corrente de entrada podem ser significativamente diferentes.

Por esta razão, a seleção do transformador deve considerar, idealmente, o THD de corrente medido ou especificado (THDi), ordens harmônicas individuais, a porcentagem de carga esperada e os limites harmônicos aplicáveis. O fabricante do transformador pode então avaliar as perdas adicionais resultantes e o aumento da temperatura e determinar se um projeto padrão, projeto com fator K ou outra otimização térmica é apropriada.

Um valor harmônico declarado também deve ser claramente identificado. Por exemplo, "70% THD" é incompleto, a menos que especifique se o valor se refere a tensão THD ou corrente THD, onde foi medido e sob que condição de funcionamento. Se um projeto tem realmente THDi muito alto, o espectro harmônico deve ser revisto antes da classificação do transformador ser finalizada.

4. Capacidade do transformador de correspondência à arquitetura de redundância

A capacidade do transformador não pode ser separada da arquitetura de disponibilidade do data center. As configurações N+1, 2N e de redundância distribuída têm requisitos de capacidade diferentes.

Em um sistema N+1, os transformadores disponíveis normalmente incluem uma unidade adicional além do número necessário para a carga de funcionamento normal. O projeto deve então verificar se o equipamento restante pode continuar a fornecer a carga crítica necessária após uma falha do transformador ou durante a manutenção planejada.

O sistema 2N é diferente. Normalmente, ele fornece dois caminhos de energia independentes, e cada caminho pode precisar suportar a carga crítica necessária, dependendo da filosofia de disponibilidade e dos critérios de projeto.

Portanto, o dimensionamento do transformador não deve ser baseado apenas na carga de funcionamento normal. Os engenheiros também devem realizar cálculos de contingência para falhas de equipamento, condições de manutenção, interrupções de alimentação e outros cenários definidos de falha única.

Uma questão de design útil não é simplesmente:

Quanta carga carrega cada transformador durante a operação normal?

É:

Que carga deve carregar cada caminho de energia restante após o pior caso de falha definido?

Esta distinção é particularmente importante quando os transformadores estão conectados a sistemas de energia independentes A e B que atendem a equipamentos de TI com duplo cabo.

5. Considere perdas sem carga, carga e harmônica

Como os centros de dados operam continuamente, a eficiência do transformador deve ser avaliada em todo o perfil de carga esperado, em vez de apenas na carga nominal.

As perdas do transformador podem ser amplamente divididas em perdas sem carga e perdas relacionadas à carga. Perdas sem carga ocorrem sempre que o transformador é energizado, mesmo quando a carga é baixa. As perdas de carga aumentam com a corrente e, portanto, são fortemente afetadas pelo perfil de carga real.

Para os centros de dados, as correntes harmônicas também podem produzir perdas adicionais. Consequentemente, a comparação entre dois transformadores deve considerar não apenas a eficiência da placa, mas também:

• perda sem carga;

• perda de carga;

• perdas adicionais relacionadas à harmonia;

• Horário de funcionamento anual previsto;

• condições típicas e de pico de carga.

Um transformador com um preço de compra inicial ligeiramente maior pode ter um custo total de propriedade menor se suas perdas forem consistentemente menores ao longo de muitos anos.

As perdas do transformador também devem ser consideradas como parte da carga de resfriamento do centro de dados. Quase todas as perdas elétricas eventualmente se tornam calor, que deve ser removido pelo sistema de refrigeração do edifício. A redução das perdas do transformador pode, portanto, fornecer um benefício secundário de poupança de energia além da eletricidade consumida diretamente pelo transformador.

6. Selecione a impedância de curto-circuito como parâmetro do sistema

A impedância de curto-circuito é outro parâmetro que deve ser determinado como parte do projeto geral do sistema elétrico.

Uma maior impedância do transformador geralmente reduz a corrente de curto-circuito disponível no lado secundário. Isso pode ajudar a reduzir a resistência ao curto-circuito necessária e as classificações de interrupção do equipamento a jusante. No entanto, a impedância excessiva pode aumentar a queda de tensão e pode afetar cargas sensíveis ou grandes condições de arranque de motor e sistema de refrigeração.

Uma impedância menor fornece uma melhor regulação de tensão, mas pode resultar em uma corrente de falha maior. A impedância final deve, portanto, ser coordenada com o nível de falha da utilidade, a capacidade do transformador, as taxas de interrupção, a capacidade de resistência da barra de barra, as configurações de proteção e a queda de tensão permitida.

Para aplicações de data center, a questão correta não é se um transformador deve ter impedância “alta” ou “baixa”. A questão correta é se sua impedância é adequada para o sistema de distribuição completo.

7. Preste atenção ao resfriamento, aumento da temperatura e ventilação

A própria sala de transformadores faz parte do projeto térmico.

Os transformadores de tipo seco podem usar resfriamento a ar natural ou resfriamento a ar forçado. Quando os ventiladores são usados para obter capacidade adicional, o projeto deve distinguir claramente entre a taxa de refrigeração natural e a taxa de ar forçado. Alarmes de falha do ventilador e monitoramento adequado também devem ser considerados quando a classificação mais alta é importante para a capacidade do sistema.

A ventilação é igualmente importante. As perdas do transformador são convertidas em calor e a ventilação insuficiente pode aumentar a temperatura ambiente real ao redor do transformador e reduzir sua margem térmica.

O projeto deve, portanto, considerar a temperatura ambiente máxima, a altitude de instalação, a capacidade de ventilação, a disposição do recinto, a exigência de aumento da temperatura e o espaço de instalação disponível.

Para centros de dados de alta densidade, esses fatores podem ser tão importantes quanto a classificação nominal de kVA.

8. Considere os requisitos de ruído e proteção

O ruído do transformador normalmente não é a primeira questão considerada no projeto elétrico do data center, mas pode tornar-se importante quando os transformadores são instalados perto de áreas ocupadas ou espaços sensíveis de equipamentos.

Por conseguinte, a especificação do projeto deve definir níveis sonoros aceitáveis, se necessário.

Outros requisitos de instalação podem incluir proteção do recinto, desempenho contra incêndios, condições ambientais, requisitos sísmicos, umidade, altitude e monitoramento. O transformador deve ser projetado para o ambiente de instalação real em vez de ser selecionado apenas a partir de uma classificação padrão de catálogo.

9. Estudo de caso 1: 300 kW Edge Data Center

Considere um centro de dados de borda pequeno ou médio tamanho com uma carga de TI de 300 kW. A instalação usa equipamentos de refrigeração de frequência variável e uma arquitetura de energia N+1.

Suponha que o design PUE é 1,30 e o fator de potência esperado é 0,95.

A potência total estimada da instalação é:

300 × 1,30 = 390 kW

A potência aparente correspondente é aproximadamente:

390 / 0,95 = 411 kVA

Sob essas suposições, um transformador de tipo seco 500 kVA fornece uma margem operacional razoável. Sua adequação, no entanto, ainda deve ser confirmada em relação ao requisito de contingência N + 1, ao espectro harmônico, à temperatura ambiente, ao plano de expansão futuro e ao nível de curto-circuito.

Se o projeto tiver uma carga não linear significativa, o transformador não deve ser selecionado apenas com base na placa 500 kVA. A equipe de engenharia deve revisar o THDi e o espectro harmônico e determinar se é necessária capacidade térmica harmônica adicional ou um projeto com fator K.

Esta abordagem proporciona um melhor equilíbrio entre o investimento inicial, a eficiência operacional, o desempenho térmico e a capacidade futura do que simplesmente aplicar uma percentagem fixa de capacidade de reserva.

10. Estudo de caso 2: Centro de Computação de Alta Densidade 160 MVA

Um centro de computação em grande escala com uma capacidade instalada de aproximadamente 160 MVA apresenta um desafio de design muito diferente.

Nesta escala, a seleção do transformador está intimamente ligada à arquitetura de distribuição de média tensão, níveis de falha, filosofia de redundância, metas de eficiência e zoneamento físico da instalação. Em vez de tratar toda a instalação como uma carga de transformador, o sistema de energia pode ser dividido em vários grupos de transformadores que servem diferentes zonas elétricas.

A especificação do transformador deve então ser otimizada em torno de vários parâmetros, incluindo baixas perdas de carga e sem carga, impedância de curto-circuito apropriada, desempenho térmico harmônico, método de resfriamento e requisitos de redundância.

Para uma instalação 24/7 com uma longa vida útil esperada, o custo do ciclo de vida pode ser mais importante do que o preço inicial de compra do transformador. Uma comparação do ciclo de vida deve incluir o custo de compra do transformador, perdas anuais de energia, tarifas de eletricidade, perfil de carga esperado, custos de manutenção, impacto de resfriamento e vida útil esperada.

Se um projeto afirmar uma poupança específica no ciclo de vida, como uma redução de 14% no custo total de propriedade ao longo de 20 anos, o número deve ser apoiado pelo perfil de carga real do projeto, preço da eletricidade, dados de perda do transformador, horas de operação e configuração de base. Sem esses insumos, uma poupança percentual fixa não deve ser apresentada como conclusão geral do setor.

11. Um processo de seleção prático

Para um novo projeto de data center, a seleção do transformador pode ser abordada em uma sequência lógica.

Primeiro, determine a carga de TI presente e futura e estabeleca a PUE esperada. Em seguida, calcule a carga total da instalação e converta-a em potência aparente usando o fator de potência do projeto.

Em seguida, identifique a arquitetura de redundância e verifique a capacidade do transformador sob os cenários de falha e manutenção necessários. Depois disso, analise a carga não linear e o espectro harmônico para determinar se é necessário um projeto térmico padrão, capacidade de fator K ou desligação harmônica adicional.

O engenheiro deve então avaliar a perda de carga, a perda de carga, os requisitos de resfriamento, o aumento da temperatura, a impedância de curto-circuito e as condições de instalação. Finalmente, o transformador selecionado deve ser verificado em relação às normas elétricas aplicáveis, aos requisitos de incêndio e construção, à coordenação de proteção e aos objetivos de custo do ciclo de vida do projeto.

Este processo evita um dos erros mais comuns na seleção de transformadores de data center: escolher um transformador baseado apenas em kVA.

Conclusão

Selecionar um transformador para um data center requer mais do que combinar a classificação do transformador com a carga atual. O projeto deve ter em conta a carga completa da instalação, as características da UPS e da carga não linear, as correntes harmônicas, a arquitetura de redundância, os requisitos de curto-circuito, as condições de resfriamento, as perdas de energia e a expansão futura.

Os transformadores de tipo seco são muitas vezes uma solução prática para a distribuição de centros de dados internos por causa de sua construção sem óleo e vantagens de segurança contra incêndios, mas o tipo final de transformador deve sempre ser determinado pelas condições de instalação e requisitos do sistema.

Para centros de dados de borda menores, a prioridade pode ser alcançar um equilíbrio apropriado entre capacidade, desempenho harmônico, custo e expansão futura. Para instalações de computação em grande escala, o consumo de energia do ciclo de vida, a arquitetura de média tensão, a redundância, o gerenciamento de corrente de falha e o desempenho de perda do transformador tornam-se cada vez mais importantes.

A abordagem mais confiável é, portanto, tratar o transformador como parte do sistema elétrico completo do centro de dados em vez de como uma peça isolada de equipamento. Um transformador corretamente selecionado pode melhorar a confiabilidade do sistema de energia, reduzir o consumo de energia a longo prazo, simplificar a gestão térmica e fornecer capacidade suficiente para o crescimento futuro do data center.

Transformador da juventude Co., Ltd.