使用三相电源最大限度地提高数据中心效率

三相电路可为数据中心设备提供更高的能效,但相位平衡可能会阻碍部署。

三相电源配置具有专业的相位平衡,是数据中心实现最高效率和避免不必要停机的关键。

机柜的三相分支电路将硬件置于 208 伏服务。与单相 120V 服务相比,这可以通过更少的电线提供更多的电力,并提供更高的能效。任何 20 kW 或更大的不间断电源 (UPS)也使用三相供电和配电。因此,大多数数据中心在设施中的某个地方都有三相电源,无论是在电力基础设施中还是在 IT 设备机柜中运行。

单相电源

来自公用事业的输入电源为 240V,由两根火线和一根零线提供。

几十年来,标准做法是在 120 V 下为机柜供电——与家庭和办公室公用事业插座使用的电压和接线方案相同。

每个插座都由两根电线(火线和中线)和一根不带电压的地线连接(见图 1)。一个完整的市电循环经过360度的相变,所以两个热腿相距180度,这就是所谓的单相电源。

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图 1. 单相变压器的电源设计。

不经常拔掉插头的大型电器使用 240 伏的单相电源运行,使用两条热线提供两倍于 120 V 的热对中性电压,如图 1 所示。更高的电压提供更多功率(瓦数)与相同尺寸的电线和断路器额定值。

停电

如果将过大的负载连接到插座,断路器将跳闸并中断电路。如果几个小负载连接到每个插座,但总数超过断路器容量,断路器将跳闸,使该电路上的每个插座失效。每个分支插座和照明电路的负载可能都在限制范围内,但仍然压倒电源。

权力的转移

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240-V 公用电源的每个热支路都必须有一个主断路器,但电气规范要求两个服务支路的手柄物理连接在一起。因此,如果任一热支路的总负载超过主断路器的额定值,两个电路都会跳闸,导致总电源故障。两条线都通过 240 V 电路连接,因此从每条腿汲取相同的功率。但是 120-V 服务仅来自其中一根火线和中性线。多个 120-V 插座连接到每根热线,因此如果您将太多东西连接到传入服务同一支路的插座上,主断路器将跳闸两条支路,而不仅仅是过载的那支。在两个相位上运行合理相等的负载可以避免这个问题。

机柜的三相电源是答案吗?

商业建筑大多使用三相电源。使用相同尺寸的电线和断路器通过建筑物输送更多实际电力,从而显着节省电力成本。原理与上述相同,但相位平衡更棘手。

三相电力服务由三根火线和一根零线提供。任何相线或火线与中性线之间的电压仍为 120 V,就像在家里或较旧的数据中心一样。但是三相电源使腿分开 120 度。任何两相或热腿之间的电压为 208 V。

图 2 显示了源自三相系统的几种不同可能性。三相系统的任意两条腿提供的 208 V 电源仍称为单相电源。三相系统无需将中性线引入数据中心机柜。仅使用三相电源线,您就有多个 208 V 电路。如果中性线延长,则 120 V 和 208 V 插座可以提供在同一个电源板上。

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图 2. 三相变压器的电源设计。

我们从三相电路中获得的功率比从单相设计中获得的功率要大得多。不深入研究电气理论,原因是三相瓦数是伏乘安培乘以√3,而不仅仅是伏特乘以安培。不包括功率因数;它在现代计算硬件中几乎没有区别。

要将设计转化为实际功率负载,请参见图表 1 的最后一列:80% 的容量。这是代码允许设备连续通过断路器的最大功率。这是数据中心设备的真正动力。

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图表 1. 不同电源设计的数据中心设备可用电源。

以 208 V 运行的计算硬件比以 120 V 运行的设备具有更高的能效。

三相系统提供的功率容量几乎是单相系统的两倍,但使用的电线更少。由于今天的大多数机柜都是双回路的,布线需求的差异加倍,三相电源可以进一步节省成本。

为超高密度机柜(25 至 30 kW)供电时,接线差异变得非常大,尤其是在导体尺寸也更大的更高安培数电路中。

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图表 2. 使用每个电力系统输送电力所需的电线数量。

对于 三相电路,相位平衡非常重要。负载最高的相位决定了数据中心 UPS 或配电单元的最大输出,因此必须平衡相位以使用总功率容量。三相断路器的所有三个手柄都系在一起,因此如果您使一相过载,它将使断路器跳闸并切断电源。

数据中心机柜功率负载示例

良好的数据中心配电的目标是各相之间的负载差异不超过 5%。如果数据中心机柜中有 120V 和 208V 设备的组合,则 120V 电路很容易在三相系统上移动。虽然 120V 电路可以使相位平衡更容易,但由于效率损失,单独使用它们是一个糟糕的理由。

在不平衡的三相电路上计算每相的安培数并不简单。计量是在数据中心获得实际每相放大器的最佳方式。

假设您有一个装满相同类型服务器的机柜,其中三分之一插入到每个电路组中。各相自动平衡,如示例 1 所示。该机柜将在 30 安培的三相电路上运行,因为每相小于 24 安培,或 30 安培断路器额定值的 80%。

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示例 1. 数据中心机柜中同类服务器之间的电源自动平衡。image.png

如果设备消耗不同的功率电平或者太多设备连接到相同的相位,则相位平衡将更加困难。示例 2 显示,当具有不同功率要求的设备随机连接到三相配电盘时,负载失衡超过 5%,并且其中两相超过了 30 安培断路器的限制。更大的电路可以解决这个限制问题,但实际上对于呈现的总负载来说是不必要的。

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示例 2. 在数据中心机柜中的异构服务器之间随机分配电源。image.png

在示例 3 中,数据中心运营商移动了两台服务器(在图表中突出显示)以尝试平衡阶段负载。但是当 208-V 负载移动时,负载仅在一个相位上发生变化。负载在 A 相和 C 相上匹配得更好,但 B 相上的负载与以前相同。此外,相电流之间的差异仍显着超过 5%,并且 B 相仍高于 30 安培电路的最大值。随着时间的推移,断路器可能会跳闸并关闭机柜中的每个电路。

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示例 3. 三相电力负载平衡的不完整尝试。image.png

在示例 4 中,运营商移动了另外两台具有不同功率要求的服务器(图中突出显示),以实现更好的相位平衡。结果只有 1% 的差异,并且所有三相现在都在 30 安培断路器的限制范围内,而无需更改电源设备。

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示例 4. 三相电力负载平衡的成功尝试。image.png

这些示例表明您可能需要移动多个设备以在三相电路上实现相位平衡。


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