Pasivo vs.. Filtro de Armónicos Activo en un Centro de Datos: Una comparación de campo - Mirus International

01 Contexto operativo: VSD en centros de datos y la consecuencia armónica

Los centros de datos se encuentran entre los mayores consumidores de energía eléctrica en el sector comercial., y han sido el objetivo principal de los programas de eficiencia energética durante más de una década.. Las unidades de velocidad variable se han vuelto cada vez más comunes en la infraestructura de refrigeración de los centros de datos: enfriadores, bombas de agua helada, ventiladores de torre de enfriamiento, y aires acondicionados para salas de ordenadores (CRACs) todos se benefician del funcionamiento de velocidad variable, lo que reduce drásticamente el consumo de energía del motor a carga parcial en comparación con las alternativas de velocidad fija.[1]

El beneficio de eficiencia energética de los VSD es real y sustancial. Pero un VSD es una carga no lineal de 6 pulsos que inyecta corrientes armónicas en la red de suministro.. En un centro de datos con varios VSD grandes en el sistema de refrigeración, La carga armónica acumulada puede ser significativa y las cargas del centro de datos se encuentran entre las más sensibles a la distorsión de voltaje.. Fuentes de alimentación del servidor, Sistemas UPS, y los controles de enfriamiento de precisión funcionan mejor con energía limpia.

En un nuevo centro de datos para una institución financiera canadiense en Barrie, Ontario, Se implementaron dos enfoques de mitigación de armónicos en el sistema de enfriamiento.: Filtros pasivos Mirus Lineator AUHF en todos los accionamientos de bombas de agua enfriada, y un filtro de armónicos activo paralelo incorporado en el 227 Enfriador HP. en julio 2012, ADM Engineering contrató a Mirus International para realizar una evaluación de campo comparativa de ambos enfoques en las peores condiciones..[1]

Higo. 1. Instalación de Lineator AUHF y VSD en una bomba de agua helada en el centro de datos de Barrie. Se aplicaron linealizadores a todas las transmisiones de bombas de agua enfriada por un total 430 HP. Fuente: Mirus Internacional.[1]

02 El resultado del filtro activo: Rendimiento sorprendentemente pobre

2.1 Cómo funcionan los filtros de armónicos activos en paralelo

Un filtro de armónicos activo paralelo tipo derivación se conecta en paralelo con la carga no lineal que está mitigando.. Mide continuamente la corriente de carga., extrae el contenido armónico mediante procesamiento de señal digital, e inyecta una corriente armónica igual y opuesta en el circuito de suministro, cancelando la corriente armónica de la carga en el punto de conexión.. En principio, Este es un enfoque de cancelación de armónicos completo y adaptable, a diferencia de los filtros pasivos., No depende de la resonancia sintonizada y responde al contenido armónico cambiante en tiempo real..[2]

En la práctica, El rendimiento depende críticamente de la precisión y el ancho de banda de la detección de corriente., la velocidad y precisión de la conmutación IGBT que genera la corriente de compensación, y el ancho de banda del bucle de control. Estas limitaciones se vuelven evidentes en las mediciones de campo, particularmente en órdenes armónicos más altos y bajo condiciones de carga variables..

2.2 Resultados medidos: filtro activo en la enfriadora

Con carga completa del enfriador, El filtro de armónicos activo incorporado produjo una corriente medida THDi que excede 12%. Este es un resultado sorprendentemente pobre para una tecnología comercializada específicamente para la mitigación de armónicos.. Cuando se redujo la carga del enfriador, el rendimiento se degradó aún más: se superó el THDi 15% en condiciones de carga reducida, con componentes armónicos de alta frecuencia claramente visibles en la forma de onda actual.[1]

Higo. 2un. Filtro de armónicos activo de la enfriadora: carga completa. THDi = 12.1%. Componentes armónicos de alta frecuencia visibles en el espectro.. Fuente: Mirus Internacional.[1]

Higo. 2b. Filtro de armónicos activo de la enfriadora: carga reducida. THDi = 15.1%. El rendimiento se degrada con carga parcial: lo contrario de lo que requiere una aplicación de refrigeración de centro de datos. Fuente: Mirus Internacional.[1]

2.3 Por qué los filtros activos se degradan con cargas ligeras

La degradación del rendimiento del filtro activo con carga reducida es una característica de la tecnología.. A plena carga, Las corrientes armónicas son grandes en relación con la fundamental., haciéndolos más fáciles de detectar con precisión y cancelar de manera efectiva. Con carga reducida, la corriente fundamental es menor, las corrientes armónicas son menores en términos absolutos, y la relación señal-ruido de la detección de corriente disminuye. La precisión del bucle de control se deteriora, la compensación se vuelve menos precisa, y el contenido de armónicos residuales, además de los armónicos de conmutación IGBT propios del filtro, domina la medición de THDi.. Esto es lo contrario de lo que se necesita en un sistema de refrigeración de un centro de datos., donde las cargas varían continuamente en un amplio rango.

03 El resultado del filtro pasivo: IEEE 519 Cumplimiento bajo suministro de generador

Los accionamientos de las bombas de agua enfriada, todos equipados con filtros pasivos Mirus Lineator AUHF, se midieron a continuación en las mismas condiciones de suministro del generador diésel.. Los resultados fueron marcadamente diferentes de las mediciones del filtro activo.:[1]

• Tensión THDv en los terminales de entrada de la bomba: 0.4%
• THDi actual en los terminales de entrada de la bomba: 8%

Ambos valores están dentro de IEEE 519 límites. La 0.4% THDv es un resultado excepcionalmente limpio; incluso en un suministro de servicios públicos se consideraría excelente. Lográndolo bajo suministro de generador diesel, donde la impedancia de la fuente es alta y se esperaría que la distorsión de voltaje fuera peor que en la red pública, demuestra que la atenuación armónica del Lineator es efectiva incluso en las condiciones de fuente más desafiantes.[1]

Higo. 3un. Bomba de agua enfriada con Lineator AUHF: distorsión de voltaje. THDv = 0.4%. Medido bajo suministro de generador diesel. Fuente: Mirus Internacional.[1]

Higo. 3b. Bomba de agua fría con Lineator AUHF: distorsión de corriente. THDi = 8.0%. IEEE 519 compatible con el suministro de generador en el peor de los casos. Fuente: Mirus Internacional.[1]

La corriente reactiva capacitiva del Lineator AUHF con carga ligera se midió a menos de 15% de corriente nominal, dentro del rango operativo aceptable para los generadores diésel del centro de datos. Esta es una importante verificación de compatibilidad del generador.: Los filtros pasivos con grandes bancos de condensadores pueden causar condiciones de factor de potencia que desestabilizan los sistemas AVR del generador.. El bajo contenido reactivo capacitivo del Lineator evita este problema, como también se demostró en los estudios de casos alimentados por generadores anteriores en esta serie.

04 Cara a cara: Pasivo vs.. Activo en la misma instalación

05 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso

5.1 Los centros de datos como entorno sensible a la PQ

Los centros de datos presentan una combinación única de fuente de armónicos y víctima de armónicos en la misma instalación.. Los VSD del sistema de refrigeración son fuentes de armónicos.. El equipamiento informático: los servidores., almacenamiento, Conexión en red: contiene fuentes de alimentación conmutadas que son en sí mismas cargas no lineales., y estas fuentes de alimentación son sensibles a la calidad del voltaje de suministro.. Un centro de datos con mala calidad de energía interna está dañando sus propias cargas críticas.

El IEEE 519 Los límites del estándar en el punto de acoplamiento común protegen la red de servicios públicos y a los clientes vecinos.. Dentro de la distribución interna del centro de datos, La preocupación relevante es si la distorsión de voltaje de los VSD del sistema de enfriamiento afecta el rendimiento y la confiabilidad de los equipos de TI.. La 0.4% El THDv logrado con el Lineator AUHF bajo suministro de generador es esencialmente insignificante: no impone ningún estrés mensurable en los suministros de energía de los equipos de TI posteriores..

5.2 Los modos de falla del filtro activo: una evaluación tecnológica

Los filtros de armónicos activos se comercializan basándose en su adaptabilidad: responden a los cambios en el contenido de armónicos en tiempo real., a diferencia de los filtros pasivos sintonizados con órdenes armónicos específicos. Esta adaptabilidad es real y genuinamente valiosa en algunas aplicaciones.: Sistemas donde el espectro armónico cambia de manera impredecible., o donde muchos tipos diferentes de cargas comparten un bus común. Sin embargo, Los estudios de caso de los centros de datos de San Antonio y Barrie juntos sugieren que en, aplicaciones VSD bien caracterizadas, un filtro pasivo bien diseñado iguala o supera consistentemente a las alternativas activas a un costo menor y sin efectos secundarios del ruido de conmutación IGBT.

La degradación del rendimiento con carga ligera observada en el filtro activo es particularmente relevante para aplicaciones de refrigeración de centros de datos., donde las cargas de refrigeración siguen el perfil de carga de TI y pasan un tiempo significativo con carga parcial. Un filtro que funciona peor precisamente cuando el sistema funciona con poca carga no se adapta bien al ciclo de trabajo de esta aplicación..

5.3 Suministro de respaldo del generador como prueba de estrés armónico

La decisión de realizar pruebas con un suministro de respaldo de un generador diésel, en lugar de hacerlo con un suministro de servicios públicos, es metodológicamente correcta y vale la pena señalarla.. Los centros de datos están diseñados para un funcionamiento continuo durante cortes de servicios públicos. Durante un período de funcionamiento con generador, El ambiente armónico es peor de lo normal.. Si la mitigación de armónicos solo se verifica en el suministro de servicios públicos, no hay garantía de que el sistema seguirá cumpliendo con los requisitos durante un período de funcionamiento del generador, exactamente cuando la confiabilidad es más crítica.

Este estudio de caso, el final de la serie de Mirus International presentada en IPQDF, cierra el círculo de la colección.. La serie comenzó con aplicaciones de campos petroleros alimentados por generadores donde los problemas armónicos causaron fallas en los equipos en áreas remotas., instalaciones no tripuladas. Se cierra con una evaluación de un centro de datos probado con generador en el extremo opuesto del espectro de infraestructura: de misión crítica., urbano, intensivo en TI. La física armónica es idéntica en ambos entornos.. La consecuencia de hacerlo mal es diferente en escala., no en especie.

Referencias

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudio de caso del linealizador: Filtro armónico pasivo vs.. Filtro activo en un centro de datos,” Estudio de caso de aplicación, brampton, Ontario, Canadá, 2012. Disponible: mirusinternacional.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica,” IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.