一、前言
在国家节能改造的背景下,对环境保护提出了更高的要求。尤其在数据中心中,需要恒温恒湿、高电压、高谐波的设备情况下,将变频器应用在数据中心,将会极大地提高数据中心运行的可靠性与安全性。
当前,我国的数据中心总体能耗偏高,PUE均值仅为1.5~2.0,与国际先进水平存在一定的差距。如果想降低PUE,最可行的办法就是我们需要减少除了IT设备之外的能源消耗,即空调系统的能源消耗,让数据中心可以实现耗费低能存储高能数据。同时也符合我国碳达峰和碳中和政策。因此变频器技术的应用展开应用设计对数据中心的发展具有重大意义。
二、变频器工作原理
1.应用变频器的定义
变频器是一种电源转换设备,如图1所示,它把输入变频器的特定频率、特定电压的三相交流电转变设定频率和理想电压的三相交流电。再通过改变供电频率,调整负荷,达到降低功耗、减少损耗、延长设备的使用寿命等目的。
2.变频器的工作原理及硬件
1)变频器基本工作原理
采取交—直—交变换模式,首先将工频交流电经整流器转换成直流电源,再将直流电源转换成频率和电压均可控制的交流电源以提供负载。
2)变频器的硬件介绍如下:
进线端子(进线):进线电源是三相380~550V或者三相200~260V,若是单项则为180~260V;一般来讲还有690V,若电源电压低于690V时,就被称为低压变频器,若高于1000V则称为中高压变频器。
EMC滤波器:又称“电磁兼容性滤波器”,起到抑制和消除外部强电磁干扰和电火花干扰,及开关电源所产生的噪音和高频谐波,保证变频器的安全可靠运行。
整流器:三相全波整流器是一个具有6只功率二极管的结构,经整流器得到的直流输出电压是进线电压有效值的1.35倍,比如是380V×1.35=513V。
储能电容:在变频器运行的过程中,需要有一个相对稳定的直流母线电压,这应由储能电容来保证,这种电容容量应大于一般用电解电容。
预充电回路:上电瞬间,整流桥输出端将产生峰值1.414倍的电压,对储能电容快速充电,为了保护储能电容,需要在直流母线中间串联一个电阻,当变换器通电时,整流桥就会经过这个电阻器对整流桥进行充电,充电完毕后,再用接触器将这个电阻器移除,这个电阻器叫做预充电阻器,又叫做预充接触器或预充继电器。
制动电阻及保护、制动晶体管(制动单元):制动单元与制动电阻串联后,将它们连接在直流母线上。制动单元会随着直流母线上电压的高低进而截至或者导通。因此制动电阻的作用是能耗制动。
逆变器:逆变器是该电源的核心部分,其作用是将直流电压通过3个桥臂的6只IGBT反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压,逆变桥桥臂的可控硅的类型主要是IGBT—绝缘珊双极型晶体管,输出电压波形为脉冲波,其形成波形称为脉宽调制。
电流互感器:起作用是测量变频器的功率和电流。
出线端子(电源出线):其作用是将变频器电压送到电动机。
3.交流电动机的变频调速原理
感应电动机也被称为异步电动机,它是一种通过气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用,产生电磁转矩,进而将电能转化为机械能的一种交流电机。
1)异步交流电动机的变频调速
目前关于AC调速传动的定义,主要是用功率变换器调节AC电机。交流感应电动机的速度调节有很多种方式,而最优的方式就是变频控制。转动磁场在感应电机中的转动速度k
k=60i/v (2.1)
上述公式中,i:电源频率,v:电机极对数。
异步电动机的轴转速度y为
y=k(1-b)=60i(1-b)/v (2.2)
上述公式中,y:电机运行频率;b:转差率。
由公式(2.2)中看出:当电机制作完成后,其磁极对数v不能变化,而且大部分情况下,转差率b都很小,从而可以得出,电机的转速y与电源频率i呈线性关系,因此,如果想要改变电动机的转速,只需更改输入电源的频率,进而实现异步电机调速的目的。
2)矢量控制
矢量控制,即同步控制定子电流的幅度和相位,也就是对定子电流的向量进行控制,其基本原理是将感应电机的电流分为两个部分,一个是电流成分,它可以产生磁场,另一个电流成分可以产生转矩,这两个成分是互相垂直的,然后将这两个电流分量独立控制。
采用矢量控制方法能够实现感应电机的高质量控制。矢量控制不但使得变频器的速度范围与直流电动机相当,而且可以对感应电动机的转矩进行直接控制。因而,矢量控制已被广泛用于很多领域,特别是那些要求精确、快速的场合。
4.数据中心基础设施对变频器的选择
1)数据中心变频器选用原则
在选用变频调速装置时,必须根据电动机的实际电流来选用,电动机的额定功率仅供参考。此外,还应该注意到,变频器的输出中存在着高次谐波,这样就会导致电机的额定功率有些差异,这样就会导致电机的功率因数和效率下降。结果表明,在采用变频器的情况与工频情况对比,电机的电流增大了10%,而温度增大了20%。因此,在选择电动机和变频器的时候,应该将这些因素都考虑进去,并适当地预留一些余量,以免出现温升过高的现象,从而对电动机的使用寿命造成不利的影响。
2)数据中心变频负载的类型
变频器的选用对控制系统能否正常工作至关重要。在选用变频调速装置时,需要对变频调速装置所带动的负荷特性有全面的认识。在数据中心,人们经常把生产机械负载分成三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载如图2所示。
三、空调水系统加装变频器设计
1.空调系统耗电量的分析
数据中心的制冷装置为空调,其主要作用是对数据中心室内温度和湿度进行调控,保障信息技术设备的正常运转,同时也是主要的电力消耗装置(约占总能源消耗的30%~40%)。所以,进行调节能改造设计,既可以确保机房的正常供冷,又可以降低能耗,压缩电费成本,达到双赢的效果。
2.空调水系统变频理论
目前,我国大部分的空调系统都是以夏季剩余最大冷负荷为基础进行设计的,而数据中心IT负载又具有业务递增、峰值和低谷等特点,这就造成了在不同时期和不同发展阶段,实际的空调负载和实际输出的制冷容量之间存在着一定的差别。在常规的空调器结构中,会产生大量的电能浪费。由此可见,该中央空调系统在节能方面还是有很大空间的。
当前,大部分数据中心的主控及终端都使用了智能装置,能够根据负载状况实时调节冷量,达到了一定的节能控制效果。然而,由于水循环系统(泵)按初始标称流量及压力进行配置,在实际负载低于设计要求的情况下,多数情况下都处于低温差大流量工况。从而导致了空调主机和水泵的能量的浪费。通过调整冷却水泵的频率(转速),预计可降低冷却水系统的运行能耗,实现较好的节能效果。
在循环系统过程中,泵是一种重要的能源消耗装置。在水系统中,也可以通过调整泵的速度,来改变能量的输送。由于泵的负载速度和转子的频率是成比例的,故采用变频调速方式对泵系统进行调速,预计可获得较好的节能效果。理由如下。
交流异步电动机的转速公式为:l=60j(1-b)/h (3.1)
其中l:转速,j:频率,b:转差率,h:极对数。水泵属于平方转矩负载,即转矩K与转速l的平方成正比,即T∝l2,而电机轴的输出功率O∝K×l∝l3,由此可见,当电机的转速稍有下降时,电动机的功耗将大大降低,耗电也将大大降低。
3.空调水系统在数据中心的改造设计
鉴于该数据中心的投资费用和实际使用结果,模拟在某数据中心的空调中,安装了一个变频器(图3、图4),利用温度传感器、数模转换模块、控制模块、变频器等器件的有机结合,构成温差闭环自动控制系统,根据冷冻水的供回水温差、压力,以温控为主、压力流量为辅,利用变频技术在线调整水泵电机的转速,在满足机房制冷的需求下使冷冻水泵做出相应调节,从而实现节能。
4.变频改造方案设计要点
针对数据中心空调冷负荷在不同情况下,空调主机、变(工)频冷冻水泵的开启情况,控制方式应该使冷冻泵具备自动和人工两种模式下的启动、轮换和停止功能,确保空调系统供冷充足、节能高效。变频节能器的最小频率应该是足以满足每个机房最远端机房空调(或水供应最糟糕的一端)的扬程及流速。为此,必须合理布置温度、压力传感器,并制定相应的控制策略,设定适当的门限,才能确保全室制冷系统的正常运行。每台变频器所控制的装置都可以人工操作,也可以自动操作,选择工作在工频或变频模式,即在变频模式不作用时,可自动切换到工频工作。变频调速控制系统是与已有的启动控制系统并联的,二者间有机电互锁。当采用变频调速方式起动水泵时,会切断与之对应的老式起动主回路,使水泵不能起动,反之则不能起动。
5.空调水系统变频改造后的效果
变频改造设计后的节能效果分析如下,测试时间为为2023年4月30日。某数据中心配备了空调主机4台(1200RT×3+900RT×1)、冷冻水泵6台(75kW×4+55kW×2)、投入运行1300RT主机1台、冷冻水泵1台,系统冗余量较大。
变频改造设计前后用电情况对比,在工频运行下,变频测试了7小时,水泵的输入电压397V,水泵输入电流138A,水泵输入功耗575KWh,空调主机功耗4560KWh,水泵每小时耗费82.14元;在变频运行下,变频测试了7h,水泵的输入电压397V,水泵输入电流82A,水泵输入功耗304kWh,空调主机功耗4676KWh,水泵每小时耗费43.43元。综合考虑预计水泵省电比例53%。
通过本次变频改造设计后的模拟测试,发现在目前的机楼负载情况下,变频泵的能耗比原来的泵预计低53%左右,而且不会影响到机房终端的冷却,因此,达到了理想的节能效果。按照全年将在一半的时间内,2台制冷水泵变频运行,在一半的时间内,3台制冷水泵变频运行,按照每台制冷水泵运行时的平均频率可降低到45Hz来计算,此次变频改造设计预计每年可以节省大约35万元的电费,预期在一年之内就能收回投资成本,带来很大的收益。
6.空调水系统加装变频器的优势
利用变频器调节水泵转速进而调节水泵功率,改善空调的节能效果。
变频调速装置对电动机有很好的保护作用,可以提高系统的使用寿命。具有明显的节能效果,在水泵起动过程中,由于变频器的软起动,极大地降低了水泵起动时对各类机械的冲击。具有良好的自我保护能力,当水泵发生故障时,自动向主机发出警报,并在同一时间启动后备水泵,保持水的平衡。当自动控制系统发生故障时,使用者只需将自动控制改为人工控制,就不会造成停水。
四、冷水机组变频功能的有效利用
1.冷水机组在数据中心的作用
大中型数据中心IT设备的热负荷很大,它需要全年进行制冷,在使用空调的时候,它会产生很高的能耗,一般情况下,它会使用的是水冷冷水机组,而在使用的过程中,它还会使用水侧自然冷却。
2.冷水机组变频有效利用设计
离心机变频化造是业内为已投入使用的定速离心机所发展的一项改造工程,其改造的主要内容有:将电动机驱动装置提升到变频器驱动,并将原有的控制系统提升到最接近的操作接口和最先进的控制系统。在较小的负载范围内,保证了单元的稳定性,并在较小的负载范围内,提升了系统的功率因子。这一改进保证了离心机具有很高的性能和很好的操作稳定性。但是,因为目前大多数制冷机都是以额定工况为设计指标,力求在额定工况下获得最佳的工作性能和稳定性能,因此,在实际工作中,机组可能会出现不额定工况。由于工程中信息技术装备的热负载波动、机组的制冷容量过大、或季节性的改变等因素,会导致机组在局部负载下工作。这就体现出冷机变频功能在低负荷下低频运行以达到了低碳节能的效果。
3.数据中心冷水机组的变频性能评价
在实际应用中,冷水机组通常不能实现全负载运转,而是以半负载运转为主。采用标称运行状态下的COP值(COP)作为对比冷机的能量消耗指标并不精确。针对该问题,学者们提出了一种基于整体局部负载性能因子的制冷系统能量消耗评估方法。IPLV按下面的公式来计算:
IPLV=1.2%Q+32.8%M+39.7%Y+26.3%H (4.1)
式中:Q:100%负荷时的性能系数(W/W);M:75%负荷时的性能系数(W/W);Y:50%负荷时的性能系数(W/W);H:25%负荷时的性能系数(W/W)。
IPLV指数是在全载和非全载情况下,通过对单个冷水机的时间百分数的加权平均,对冷水机的能量消耗进行了较好的评估。对于民用建筑,空调系统的负荷会随时间发生很大的改变,因此,采用IPLV指数,可以更好地评估空调系统的节能效果。然而,在数据中心内,冷量逐时保持不变,且冷量比例基本保持不变,使得IPLV指数难以对数据中心冷量进行精确评估。所以,在对数据中心大楼的冷水机能耗进行评估时,应该对冷水机在不同的负载比、不同的冷却水进水温度下的性能系数进行单独的分析,并与本地的气候状况相结合,对冷水机的年度能量消耗进行分析评估。
4.冷水机组变频的效果分析
变频改造设计后的节能效果分析如下,测试时间为为2023年5月1日。某数据中心冷水主机的型号为CVHG,名义上制冷量为3415.1KW,满载负荷输入功率535.4KW,电机的型号是50Hz压缩机电机,电机电压380V/3P。
1)冷水机组综合效能的提升
为了更加形象的体现IPLV如图5所示。在冷水机组中,超过99%的时间都是在满载状态下工作的。三级离心压缩机一般采用调整叶片的方式来调整其出力,其最大工作效率一般为50%,当其负载减小时,其单位出力的能量消耗会明显提高。而特灵三级离心机则是利用了其自身的控制逻辑,使其在负载从60%到100%的范围内,使其导向叶片始终处于100%的打开状态,并首先调整电动机的速度以达到负载的要求;在负载不超过60%的情况下,控制系统的工作频率为30HZ,并采用导流叶片对单元的出冷量进行调整。在不完全负载情况下,采用减速的方法,可以减少机组的能量消耗。在最新的离心机变频逻辑控制中,也有良好的喘振保护逻辑,在主机运行到喘振曲线点附近时,会同时调节导叶和转速,以确保主机的工作稳定。在改进前和改进后,其效果曲线见图6。
2)降低了启动电流,改善对电网的冲击
电动机在起动时会产生很大的起动电流,起动时的最大起动电流可以达到6~7倍的起动电流,过大起动电流会引起起动时的温度升高,从而损坏电动机。因此,通常情况下,电动机上都会有一套低压起动装置。星三角起动方法是一种成本比较低廉的起动方法,但是即使使用了星三角起动方法,起动电流也非常大,一般在3~4倍左右。而采用变频起动方式,可以实现“软起动”,但起动电流一般在50%以下。从图7可以看出,在变频起动时,起动电流是很平稳的,也就是说,起动时对电动机的影响是很小的,这样可以提高电动机的使用寿命,同时也可以降低起动时对用户电网的影响。
五、变频器的附加配置的设计
1.变频器在数据中心的控制电源设计
当变频器被安装在数据中心时,一般都要求有两路控制电源,当主控电源掉电的时候,备用电源可以自动的投入运行,保证电机可以稳定运行[2]。
大部分变频器的主控电源都是交流电,备用控制电源是直流系统。直流系统作为数据中心用电设备最安全的保障,它配备了独立的整流器和蓄电池,以保证变频器长期不会失去控制电源。
2.变频器在数据中心的降温装置设计
变频器在能量转换中效率很高,但在正常工作中,依然会有一定的能量损耗,大约2%至4%,这些损耗的能量都转换为了热能。如果不能立即将这些热量排出去,就会长期积聚在变频器里面,从而影响变频器的安全性和稳定性。怎样把这些热量排出,必须找到一个合适的方法。变频器有俩个发热量较大的元件:一个是功率原件,另一个是整流元件。
目前,常用的几种降温方法有:自然散热、强制风冷、水冷。
其中水冷效果最好,但是热交换器的安装程序复杂,设备较多,日常维护较为不方便。如果有泄漏的情况,就会有严重的安全问题,维修时必须停止对变频器的使用,变频器在日常稳定运行中就会有严重的安全隐患。所以水冷不是变频器冷却的最佳方式。
自然散热适用于小容量变频器,其使用环境应通风良好,无灰尘和易附着的漂浮物。
强制风冷是指通过放置一台或多台风机对设备外壳进行直接降温的方式,如图8所示。由于变频器在工作时必然会产生较多热量,尤其是在长期满负载运行以及环境温度过高时更是如此。因此,为了防止变频器过热严重,我们还可以增加一个或多个风扇来对变频器外壳进行直接降温。这种降温方式成本低廉,同时在不考虑成本情况下,可随意添加风扇数量加强降温效果。
3.变频器在数据中心的问题判断
1)变频器的故障类型
当变频器不能正常工作时,其大概率出现了故障。根据内部器件可分为下面这几种∶
(1)电源故障,是指变频器所连接电网中发生的故障,例如电网本身过电压、欠电压、三相不平衡、主开关接触不良或损坏及熔断器熔断造成的缺相等。
(2)内部故障,是指变频器自身出现的故障,它可以出现在直流线路上,例如短路,直流过电压,欠电压等。输出过压,欠压,不对称及过流问题。控制环节,发生的故障较多。
(3)负载故障,是指诸如断相,过载,短路等电机故障。在发生故障的时候,变频器会停止一些动作,而大部分动作是由其保护环节来完成的。
2)故障原因
变频器在使用过程中,会出现各种故障现象。产生故障的原因也很多,概括起来有两种原因∶
(1)外部原因,是指由变频器外部因素引起,如在其运行时操作错误、自身参数未设置正确,负载太大,外部散热风扇损坏,温度太高,外界干扰,电源本身有故障等。
(2)内部原因,是指由变频器内部因素引起,如短路、接地元件损坏、绝缘破损、接插件接触不良、模块损坏等。
3)变频器的故障诊断与应对设计
(1)手动和自动都无法启动是指检查启动延时继电器KT1(接触器闭合,断电延时),KT2(变频器启动,得电延时)是否有电;KT1、KT2有电,查看KT1、KT2触点线是否松动或损坏,如KT1、KT2都正常,查看变频器是否有故障或报警、接触器线圈和触点是否松动,或主线电源问题;
KT2无电,热保触点是否动作保护,旁路接触器触点是否松动,在自动模式,查看BA是否给了启动信号;在手动模式,检查启动按钮和停止按钮是否正常,线路是否松动。
(2)直流过电压故障
变频器的电源电压超过了额定范围,所以整流后的直流电压高过容许值。电动机的减速时间设置过短,速度下降过快,反馈的能量使得滤波电容器所充电的电压迅速升高,从而产生了高电压。并联于母线上之刹车电阻器未开启。不能使用反馈的电流,也不能阻止泵的上升,电容器上的电压比直流母线上的刹车电阻的未开度要高,如果有疑问,那就一个一个地检查,检查的时候,首先要检查减速时间的设置,如果没有问题,那就开始下一个问题,用伏特表来测试电源的电压,如果没有问题,那就检查刹车电阻是否打开,与刹车电阻相连的开关是否能够关闭。
4.变频谐波的产生
随着变频器在数据中心中的广泛应用,产生了谐波、EMC等问题。变频调速系统中,最主要的两个部件:整流部件和逆变部件。在整流器工作的时候,会发出5、7、11、13等为主的谐波电流,造成电网质量下降。电磁干扰和损伤电机的老化是由于逆变器控制直流电压,会发出PWM波而引起的。
5.变频产生的谐波影响
1)谐波电流的传导
该变频器的输入为一整流电路。整流器是一种典型的非线性负荷,在其运行过程中,会产生大量的谐波。谐波电流不但会对电力系统中的用电设备、配线造成危害,而且还会对电网中的其它电子设备造成不利的影响。
2)对电机造成损坏
变频调速系统的输出为脉冲式,对电动机定子线圈及轴承造成损坏,降低了电动机的使用寿命。在电机的电缆较长的时候(通常超过10m),变频器对电机的定子绕组损伤效应会更加显著;在电机的电压较高的时候,变频器对电机轴承的损伤也很明显。
3)无线电频率对电流的传导性辐射进行干扰
该变频器采用了一种快速切换电路来实现对直流电压的快速切换。这一突然变化的电压将在变频器的输入端形成强烈的高频噪声,并将其注入到电网中,给附近的仪表及保护带来严重的干扰。
4)由变频器输出线缆发出的电磁辐射
在实际应用中,变频调速系统和电机的连接电缆发出的辐射对我们的生活的影响是非常大的。因为是辐射干扰,因此波及的区域非常广,造成的问题也非常难以判断和处理。
6.治理变频谐波方案设计
针对变频器所引起的谐波,主要有两种方式:一是在各变频器的输入端加装有源滤波器,二是在供电母线加装有源滤波器。
1)母线谐波治理
结合数据中心配电网的实际情况,确定了配电网中有源滤波装置的设计方案。有源滤波器的基本原理是,通过对电网中的谐波电流进行检测,把电流大小相等,相位相反是谐波电流注入电网,使其俩者相互补偿。
2)变频输出峰值抑制
由于变频调速技术使电动机绕组产生了一个峰值电压,其振幅可达2倍于母线电压,从而造成电动机的损坏。在电动机定子绕组中,施加了较高的电压,使其产生了较大的电压脉冲。目前,可采用三种方法来避免变频器对电动机的破坏。
(1)延长了脉宽调制脉冲电压的上升边缘。这种方法的基本原则是:要产生一个峰值电压,必须要有一个电压讯号经过线缆所需的时间比其上升边缘所需的一半长。所以,在固定长度的情况下,即在固定的传输时间下,可以通过增加上升边缘的时间来打破这种情况。然而,该技术仅能提高绝缘子的临界长度,无法从根本上解决绝缘子的“尖峰”问题,只有在绝缘子的长度足够大,才能使绝缘子的绝缘子产生“尖峰”。
(2)把脉宽调制的电压波形转换为正弦波。这种方法的基本原理是:由于PWM脉冲电压是产生峰值电压的根源,并且电动机运行所需的电压为正弦波。
(3)在电线和电机的交界处安装一个峰值电压吸收装置。前一种方法是从消除可能出现的尖刺电压的根源出发,而这一种方法是从已经出现的尖刺电压的限制出发。采用PWM电压波形,将其控制到不会对电机造成损害的程度,将其应用于变频调速系统中。
六、结论
随着互联网技术的不断发展,在数据中心各个层级的网络设备的功耗也在逐步增加,这使得数据中心的能源能的消耗,也在不断的增加。其中制冷系统是数据中心能耗最大的设备。为了符合我国的碳达峰和将来的碳中政策并且节约成本,需要对数据中心的能耗设备进行持续的优化,以提高其节能效率,进而达到降低PUE的目的。
本文从空调水泵与冷水机组在数据中心的作用及工作原理入手,对变频调速原理进行了简单介绍,并且对某数据中心空调水泵改造设计前后对比,发现变频改造后可节约很大一部分电能。然后分析了冷水机组变频功能的有效利用,随后给出了加装变频器设计方案。最后对变频器的附加配置进行了设计,并对变频器可能在数据中心出现的问题给出了应对方案设计,同时由于变频谐波的危害较大,本文给出了治理变频谐波的方案设计。总体分析的变频器在数据中心的应用设计,得出以下结论:
1)数据中心的水泵和冷水机组,在数据中心运行中它们起到了重要作用。而变频器则是在确保水泵和冷机输出功率能够满足机房制冷需要的情况下,通过减速,来实现提高电动机的效率和节能的目的。
2)变频改造设计后空调水泵性能有所提升。
3)冷水机组的效能提升并且变频功能的有效利用可节约电能。
4)分析几种变频器的降温装置,经研究发现在数据中心最适用的是强制风冷。
参考文献
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编辑:Harris