Khi các trung tâm dữ liệu tiếp tục mở rộng về quy mô và mật độ tính toán, các hệ thống điện của họ đang phải đối mặt với các yêu cầu ngày càng đòi hỏi. Tải tải CNTT mật độ cao, hoạt động liên tục, mục tiêu sẵn có nghiêm ngặt, yêu cầu hiệu quả năng lượng và tăng tải nhanh đang thay đổi cách chọn biến áp. Một biến áp không chỉ đơn giản là một thiết bị chuyển đổi điện áp. Công suất, hiệu suất hài hòa, mất mát, trở kháng, phương pháp làm mát và điều kiện lắp đặt của nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, chi phí hoạt động và hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ thống phân phối điện trung tâm dữ liệu.

Không giống như nhiều cơ sở thương mại hoặc công nghiệp thông thường, trung tâm dữ liệu chứa một tỷ lệ lớn tải điện tử và điện tử điện, bao gồm máy chủ, hệ thống UPS, ổ đĩa tần số biến, thiết bị làm mát và nguồn cung cấp điện chế độ chuyển đổi. Những tải này có thể giới thiệu dòng điện hài hòa và mất mát biến áp bổ sung. Đồng thời, các trung tâm dữ liệu thường hoạt động 24/7, có nghĩa là ngay cả sự khác biệt tương đối nhỏ về tổn thất biến áp cũng có thể tích lũy thành tiêu thụ năng lượng đáng kể trong thời gian hoạt động 10, 15 hoặc 20 năm. Quá trình lựa chọn biến áp do đó cần xem xét không chỉ giá mua ban đầu, mà còn đặc điểm tải, dư thừa, hiệu quả, hiệu suất nhiệt, yêu cầu ngắn mạch và mở rộng trong tương lai.

1. Chọn loại biến áp theo môi trường cài đặt

Máy biến áp loại khô thường được sử dụng cho phân phối trung tâm dữ liệu trong nhà vì chúng không chứa dầu cách nhiệt và do đó tránh rò rỉ và rủi ro cháy dầu liên quan đến thiết bị chứa đầy dầu. Chúng đặc biệt phù hợp khi biến áp cần được lắp đặt bên trong hoặc gần tòa nhà trung tâm dữ liệu.

Tuy nhiên, sẽ sai lầm khi kết luận rằng mỗi trung tâm dữ liệu phải sử dụng một biến áp loại khô. Máy biến áp chìm dầu vẫn phù hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế cho nhiều trạm phụ ngoài trời và hệ thống phân phối điện áp trung bình lớn. Lựa chọn cuối cùng nên xem xét vị trí lắp đặt, yêu cầu bảo vệ chống cháy, không gian sẵn có, công suất biến áp, hiệu quả, điều kiện làm mát, yêu cầu bảo trì và các quy định địa phương.

Đối với lắp đặt trong nhà, biến áp loại khô thường nên được chọn với giới hạn tăng nhiệt độ thích hợp, bảo vệ vỏ, thông gió và sắp xếp làm mát. Một biến áp không nên được mô tả là hoàn toàn không có bảo trì. Kiểm tra và làm sạch thường xuyên vẫn cần thiết, trong khi các hệ thống làm mát bằng không khí ép buộc đòi hỏi sự chú ý bổ sung đến quạt, điều khiển và báo động.

2. Tính toán công suất biến áp từ tải cơ sở hoàn chỉnh

Công suất biến áp không nên được chọn đơn giản bằng cách so sánh tải IT với xếp hạng kVA của biến áp. Nhu cầu điện của trung tâm dữ liệu cũng bao gồm hệ thống làm mát, mất mát UPS, máy bơm, quạt, ánh sáng, hệ thống bảo vệ cháy, hệ thống an ninh và các tải phụ khác.

Một điểm khởi đầu hữu ích là mối quan hệ giữa tải IT và hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE):

Tổng công suất cơ sở ≈ tải IT × PUE

Công suất rõ ràng của biến áp cần thiết sau đó có thể được ước tính từ tổng công suất cơ sở và yếu tố công suất hoạt động:

KVA yêu cầu ≈ Tổng công suất cơ sở / Yếu tố công suất

Ví dụ, giả sử một trung tâm dữ liệu cạnh có tải trọng CNTT 300 kW và thiết kế PUE 1,30. Tổng công suất cơ sở ước tính sẽ khoảng:

300 kW × 1,30 = 390 kW

Nếu yếu tố công suất thiết kế là 0,95, công suất rõ ràng tương ứng sẽ khoảng:

390 / 0,95 ≈ 411 kVA

Một biến áp 500 kVA do đó sẽ cung cấp một biên vận hành hợp lý theo các giả định này, với sự lựa chọn thực tế vẫn tùy thuộc vào cấu hình dư lượng của dự án, hiệu suất hài hòa, điều kiện môi trường và yêu cầu mở rộng trong tương lai.

Cách tiếp cận này đáng tin cậy hơn so với việc áp dụng quy tắc công suất dự phòng cố định 20% hoặc 25% cho mỗi dự án. Công suất trong tương lai nên được xác định từ tỷ lệ tăng trưởng CNTT dự kiến, giai đoạn mở rộng được lên kế hoạch, chiến lược thay thế thiết bị và yêu cầu dư thừa.

3. Đánh giá dòng hài hòa thay vì chọn yếu tố K theo quy tắc ngón cái

Hài hòa là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong lựa chọn biến áp trung tâm dữ liệu. Hệ thống UPS, nguồn cung cấp điện máy chủ, ổ đĩa tần số biến và các tải điện tử khác có thể tạo ra dòng điện không sinusoidal. Các dòng hài hòa này làm tăng tổn thất bổ sung trong cuộn dây biến áp và các thành phần cấu trúc và có thể dẫn đến tăng nhiệt độ cao hơn.

Máy biến áp có yếu tố K có thể được sử dụng nơi tải hài hòa đảm bảo khả năng nhiệt bổ sung. Tuy nhiên, K13 hoặc K20 không nên được coi là thông số kỹ thuật phổ quát cho các trung tâm dữ liệu hiện đại.

Thiết kế hài hòa yếu tố K hoặc biến áp thích hợp nên được xác định từ hồ sơ tải thực tế và phổ hài hòa. Đặc biệt, kỹ sư nên phân biệt giữa hệ thống UPS sửa chữa sáu xung truyền thống và hệ thống UPS hiện đại sử dụng sửa chữa đầu vào cải thiện hoặc công nghệ phía trước tích cực. Hình dạng sóng hiện tại đầu vào của chúng có thể khác nhau đáng kể.

Vì lý do này, lựa chọn biến áp lý tưởng nên xem xét THD hiện tại được đo hoặc chỉ định (THDi), các lệnh hài hòa riêng lẻ, tỷ lệ tải dự kiến ​​và giới hạn hài hòa áp dụng. Nhà sản xuất biến áp sau đó có thể đánh giá tổn thất bổ sung kết quả và tăng nhiệt độ và xác định liệu một thiết kế tiêu chuẩn, thiết kế được đánh giá yếu tố K hoặc tối ưu hóa nhiệt khác có phù hợp hay không.

Một giá trị hài hòa được nêu cũng nên được xác định rõ ràng. Ví dụ, "70% THD" là không đầy đủ trừ khi nó chỉ định giá trị có đề cập đến điện áp THD hay dòng điện THD, nơi nó được đo và trong điều kiện hoạt động nào. Nếu một dự án thực sự có THDi rất cao, phổ hài hòa nên được xem xét trước khi xếp hạng biến áp được hoàn thành.

4. Khả năng biến áp phù hợp với kiến trúc dư

Công suất biến áp không thể tách khỏi kiến trúc sẵn có của trung tâm dữ liệu. Các cấu hình N + 1, 2N và phân tán có yêu cầu công suất khác nhau.

Trong một hệ thống N + 1, các biến áp có sẵn thường bao gồm một đơn vị bổ sung vượt quá số lượng cần thiết cho tải vận hành bình thường. Sau đó, thiết kế phải xác minh rằng thiết bị còn lại có thể tiếp tục cung cấp tải trọng cần thiết sau khi biến áp bị hỏng hoặc trong quá trình bảo trì theo kế hoạch.

Hệ thống 2N khác nhau. Nó thường cung cấp hai đường dẫn điện độc lập, và mỗi đường dẫn có thể cần hỗ trợ tải trọng cần thiết tùy thuộc vào triết lý sẵn có và tiêu chuẩn thiết kế.

Do đó, kích thước biến áp không nên chỉ dựa trên tải vận hành bình thường. Các kỹ sư cũng nên thực hiện các tính toán khẩn cấp cho sự cố thiết bị, điều kiện bảo trì, sự gián đoạn nguồn cung cấp và các kịch bản lỗi đơn xác định khác.

Một câu hỏi thiết kế hữu ích không chỉ đơn giản là:

Mỗi biến áp mang bao nhiêu tải trong quá trình hoạt động bình thường?

Nó là:

Mỗi đường dẫn điện còn lại phải mang tải gì sau khi bị lỗi trong trường hợp tồi tệ nhất được xác định?

Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng khi biến áp được kết nối với các hệ thống điện độc lập A và B phục vụ thiết bị CNTT có dây kép.

5. Xem xét không tải, tải và mất mát hài hòa

Bởi vì các trung tâm dữ liệu hoạt động liên tục, hiệu quả biến áp nên được đánh giá trên toàn bộ hồ sơ tải dự kiến thay vì chỉ ở tải trọng định mức.

Mất của biến áp có thể được chia rộng rãi thành tổn thất không tải và tổn thất liên quan đến tải. Mất không tải xảy ra bất cứ khi nào biến áp được cung cấp năng lượng, ngay cả khi tải thấp. Mất tải tăng theo dòng điện và do đó bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hồ sơ tải thực tế.

Đối với các trung tâm dữ liệu, dòng hài hòa cũng có thể tạo ra tổn thất bổ sung. Do đó, sự so sánh giữa hai biến áp nên xem xét không chỉ hiệu quả tấm tên của chúng mà còn:

• không mất tải;

• mất tải;

• tổn thất bổ sung liên quan đến harmonic;

• giờ hoạt động hàng năm dự kiến;

• điều kiện tải điển hình và đỉnh cao.

Một biến áp có giá mua ban đầu cao hơn một chút có thể có tổng chi phí sở hữu thấp hơn nếu tổn thất của nó liên tục thấp hơn trong nhiều năm.

Mất biến áp cũng nên được xem là một phần của tải mát của trung tâm dữ liệu. Hầu như tất cả các tổn thất điện cuối cùng trở thành nhiệt, mà phải được loại bỏ bởi hệ thống làm mát của tòa nhà. Do đó, giảm tổn thất biến áp có thể cung cấp một lợi ích tiết kiệm năng lượng thứ cấp ngoài điện tiêu thụ trực tiếp bởi biến áp.

6. Chọn trở kháng ngắn mạch làm thông số hệ thống

Kháng điện ngắn mạch là một thông số khác nên được xác định như một phần của thiết kế hệ thống điện tổng thể.

Một trở trở biến áp cao hơn thường làm giảm dòng ngắn mạch có sẵn ở phía thứ cấp. Điều này có thể giúp giảm khả năng chịu ngắn mạch cần thiết và gián đoạn xếp hạng của thiết bị hạ lưu. Tuy nhiên, trở kháng quá mức có thể làm giảm điện áp và có thể ảnh hưởng đến tải nhạy cảm hoặc điều kiện khởi động động cơ và hệ thống làm mát lớn.

Một trở kháng thấp hơn cung cấp điều chỉnh điện áp tốt hơn nhưng có thể dẫn đến dòng lỗi cao hơn. Do đó, trở kháng cuối cùng nên được phối hợp với mức độ lỗi tiện ích, công suất biến áp, xếp hạng thiết bị chuyển mạch, khả năng chịu đựng thanh bus, cài đặt bảo vệ và giảm điện áp được phép.

Đối với các ứng dụng trung tâm dữ liệu, câu hỏi chính xác không phải là liệu một biến áp nên có trở kháng "cao" hay "thấp". Câu hỏi chính xác là liệu trở kháng của nó có phù hợp với hệ thống phân phối hoàn chỉnh hay không.

7. Chú ý đến làm mát, tăng nhiệt độ và thông gió

Phòng biến áp chính nó là một phần của thiết kế nhiệt.

Máy biến áp loại khô có thể sử dụng làm mát bằng không khí tự nhiên hoặc làm mát bằng không khí ép buộc. Khi quạt được sử dụng để có được công suất bổ sung, thiết kế nên phân biệt rõ ràng giữa xếp hạng làm mát tự nhiên và xếp hạng không khí ép buộc. Cần xem xét báo động lỗi quạt và giám sát thích hợp khi xếp hạng cao hơn là quan trọng đối với công suất hệ thống.

Truyền thông cũng quan trọng như vậy. Mất biến áp được chuyển đổi thành nhiệt, và thông gió không đủ có thể làm tăng nhiệt độ môi trường thực tế xung quanh biến áp và giảm biên nhiệt của nó.

Do đó, thiết kế nên xem xét nhiệt độ xung quanh tối đa, độ cao lắp đặt, khả năng thông gió, sự sắp xếp vỏ, yêu cầu tăng nhiệt độ và không gian lắp đặt có sẵn.

Đối với các trung tâm dữ liệu mật độ cao, các yếu tố này có thể quan trọng như xếp hạng kVA danh nghĩa.

8. Xem xét các yêu cầu về tiếng ồn và bảo vệ

Tiếng ồn biến áp thường không phải là vấn đề đầu tiên được xem xét trong thiết kế điện trung tâm dữ liệu, nhưng nó có thể trở nên quan trọng khi biến áp được lắp đặt gần các khu vực bị chiếm đóng hoặc không gian thiết bị nhạy cảm.

Do đó, thông số kỹ thuật dự án nên xác định mức âm thanh chấp nhận được khi cần thiết.

Các yêu cầu lắp đặt khác có thể bao gồm bảo vệ vỏ, hiệu suất cháy, điều kiện môi trường, yêu cầu động đất, độ ẩm, độ cao và giám sát. Máy biến áp nên được thiết kế cho môi trường lắp đặt thực tế thay vì chỉ được chọn từ xếp hạng danh mục tiêu chuẩn.

9. Nghiên cứu trường hợp 1: Trung tâm dữ liệu cạnh 300 kW

Xem xét một trung tâm dữ liệu cạnh nhỏ hoặc vừa với tải CNTT 300 kW. Cơ sở sử dụng thiết bị làm mát tần số biến và kiến trúc điện N + 1.

Giả sử thiết kế PUE là 1,30 và yếu tố công suất dự kiến là 0,95.

Tổng công suất cơ sở ước tính là:

300 × 1,30 = 390 kW

Sức mạnh rõ ràng tương ứng là khoảng:

390 / 0,95 = 411 kVA

Theo các giả định này, một biến áp loại khô 500 kVA cung cấp một lợi nhuận hoạt động hợp lý. Tuy nhiên, sự phù hợp của nó vẫn nên được xác nhận đối với yêu cầu khẩn cấp N + 1, phổ hài hòa, nhiệt độ môi trường, kế hoạch mở rộng trong tương lai và mức ngắn mạch.

Nếu dự án có tải không tuyến tính đáng kể, biến áp không nên được chọn chỉ dựa trên tấm tên 500 kVA. Nhóm kỹ sư nên xem xét THDi và phổ hài hòa và xác định liệu khả năng nhiệt hài hòa bổ sung hoặc thiết kế được xếp hạng yếu tố K là cần thiết hay không.

Cách tiếp cận này cung cấp một sự cân bằng tốt hơn giữa đầu tư ban đầu, hiệu quả hoạt động, hiệu suất nhiệt và công suất trong tương lai hơn là đơn giản áp dụng tỷ lệ phần trăm công suất dự phòng cố định.

10. Nghiên cứu trường hợp 2: Trung tâm máy tính mật độ cao 160 MVA

Một trung tâm máy tính quy mô lớn với công suất cài đặt khoảng 160 MVA trình bày một thách thức thiết kế rất khác nhau.

Ở quy mô này, lựa chọn biến áp có liên quan chặt chẽ đến kiến trúc phân phối điện áp trung bình, mức độ lỗi, triết lý dư thừa, mục tiêu hiệu quả và phân vùng vật lý của cơ sở. Thay vì đối xử với toàn bộ lắp đặt như một tải biến áp, hệ thống điện có thể được chia thành nhiều nhóm biến áp phục vụ các khu vực điện khác nhau.

Đặc điểm kỹ thuật biến áp sau đó nên được tối ưu hóa xung quanh một số thông số, bao gồm không tải và mất tải thấp, trở kháng ngắn mạch thích hợp, hiệu suất nhiệt hài hòa, phương pháp làm mát và yêu cầu dư lượng.

Đối với một cơ sở 24/7 với tuổi thọ hoạt động dự kiến dài, chi phí vòng đời có thể quan trọng hơn giá mua biến áp ban đầu. So sánh vòng đời nên bao gồm chi phí mua biến áp, mất năng lượng hàng năm, thuế điện, hồ sơ tải dự kiến, chi phí bảo trì, tác động làm mát và tuổi thọ dự kiến.

Nếu một dự án tuyên bố tiết kiệm vòng đời cụ thể, chẳng hạn như giảm 14% tổng chi phí sở hữu trong 20 năm, con số này nên được hỗ trợ bởi hồ sơ tải thực tế của dự án, giá điện, dữ liệu mất biến áp, giờ hoạt động và cấu hình cơ bản. Nếu không có các đầu vào này, một tỷ lệ tiết kiệm cố định không nên được trình bày như một kết luận chung của ngành công nghiệp.

11. Quá trình lựa chọn thực tế

Đối với một dự án trung tâm dữ liệu mới, lựa chọn biến áp có thể được tiếp cận theo một trình tự hợp lý.

Đầu tiên, xác định tải IT hiện tại và tương lai và thiết lập PUE dự kiến. Tiếp theo, tính toán tổng tải cơ sở và chuyển đổi nó thành công suất rõ ràng bằng cách sử dụng yếu tố công suất thiết kế.

Sau đó xác định kiến trúc dư lượng và xác minh công suất biến áp theo các kịch bản lỗi và bảo trì cần thiết. Sau đó, phân tích tải phi tuyến tính và phổ hài hòa để xác định liệu thiết kế nhiệt tiêu chuẩn, khả năng yếu tố K hoặc giảm hài hòa bổ sung là cần thiết hay không.

Sau đó, kỹ sư nên đánh giá mất tải không, mất tải, yêu cầu làm mát, tăng nhiệt độ, trở kháng ngắn mạch và điều kiện lắp đặt. Cuối cùng, biến áp được chọn nên được kiểm tra so với các tiêu chuẩn điện áp dụng, yêu cầu về cháy và xây dựng, phối hợp bảo vệ và mục tiêu chi phí vòng đời của dự án.

Quá trình này tránh một trong những sai lầm phổ biến nhất trong lựa chọn biến áp trung tâm dữ liệu: lựa chọn một biến áp dựa trên một mình kVA.

Kết luận

Chọn một biến áp cho một trung tâm dữ liệu đòi hỏi nhiều hơn là phù hợp với xếp hạng biến áp với tải hiện tại. Thiết kế phải tính đến tải cơ sở hoàn chỉnh, đặc điểm tải UPS và phi tuyến tính, dòng hài hòa, kiến trúc dư lượng, yêu cầu ngắn mạch, điều kiện làm mát, mất năng lượng và mở rộng trong tương lai.

Máy biến áp loại khô thường là một giải pháp thực tế cho phân phối trung tâm dữ liệu trong nhà vì xây dựng không dầu và lợi thế an toàn cháy của chúng, nhưng loại biến áp cuối cùng luôn được xác định bởi điều kiện lắp đặt và yêu cầu hệ thống.

Đối với các trung tâm dữ liệu cạnh nhỏ hơn, ưu tiên có thể là đạt được sự cân bằng thích hợp giữa công suất, hiệu suất hài hòa, chi phí và mở rộng trong tương lai. Đối với các cơ sở máy tính quy mô lớn, tiêu thụ năng lượng vòng đời, kiến trúc điện áp trung bình, dư thừa, quản lý dòng lỗi và hiệu suất mất mát biến áp trở nên ngày càng quan trọng.

Do đó, cách tiếp cận đáng tin cậy nhất là đối xử với biến áp như một phần của hệ thống điện trung tâm dữ liệu hoàn chỉnh thay vì như một mảnh thiết bị cô lập. Một biến áp được chọn đúng cách có thể cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện, giảm tiêu thụ năng lượng dài hạn, đơn giản hóa quản lý nhiệt và cung cấp công suất đủ cho sự phát triển trong tương lai của trung tâm dữ liệu.

Công ty TNHH Máy biến áp trẻ