Voordelen en uitdagingen van vermogenselektronica in het datacenter

Door gebruik te maken van vermogenselektronica kunnen datacenters hun betrouwbaarheid, efficiëntie, flexibiliteit, continuïteit, betrouwbaarheid en duurzaamheid verbeteren. We zien steeds meer vermogenselektronica in datacenters wereldwijd – dat brengt voordelen met zich mee, maar ook complicaties.

Vermogenselektronica maakt gebruik van elektronische (halfgeleider-) componenten zoals diodes, thyristoren, MOSFETs en IGBTs voor het schakelen, sturen en omvormen van grote elektrische vermogens. Denk bijvoorbeeld aan het omzetten van gelijkstroom naar wisselstroom of om veranderen van spanningsniveau of frequentie. Vermogenselektronica maakt efficiëntere energieomzetting mogelijk en biedt flexibiliteit in het beheren en regelen van elektrische energie.

In datacenters wordt vermogenselektronica op uiteenlopende manieren toegepast. Een aantal voorbeelden:

• Met omvormers netspanning omzetten naar benodigde niveaus voor apparatuur, of UPS-gelijkstroom omzetten naar wisselstroom
• Energietoevoer aanpassen aan specifieke apparatuur en belastingen in het datacenter. Dit kan helpen energieverbruik te optimaliseren en met piekbelastingen om te gaan.
• Energie efficiënter converteren en distribueren, wat leidt tot lagere operationele kosten en een verminderde ecologische voetafdruk.
• Variabele hernieuwbare energiebronnen gemakkelijker en efficiënter integreren.
• Gegenereerde warmte verminderen en koelsystemen optimaliseren, bijvoorbeeld met Variable Frequency Drives (VFD's) voor ventilatoren en pompen.
• Power Factor Correctie (PFC) van (niet-lineaire) belastingen
• Met vermogenselektronica is het mogelijk om apparatuur kleiner uit te voeren, wat tot significante ruimtebesparingen kan leiden.

Enkele uitdagingen op een rijtje

Het is echter belangrijk om op te merken dat de toenemende inzet van vermogens-elektronica ook uitdagingen met zich meebrengt. Vermogenselektronica stelt hogere eisen aan de energiekwaliteit en de uitvoering van de energie-infrastructuur. Als in een installatie niet wordt voldaan aan deze hogere eisen zal dit leiden tot uitval van de elektriciteit, dat leidt tot productieverlies, schade aan de installatie, en storingen. Ook kunnen installatiedelen sneller verouderen, en moeten onderdelen eerder dan nodig worden vervangen.

• Installatie, onderhoud en reparatie, en opsporen en oplossen mogelijke kwetsbaarheden vraagt om gespecialiseerde kennis.
• Schakelende voedingen, in bijvoorbeeld servers en UPS-systemen, kunnen harmonische stromen genereren. Deze kunnen interfereren met andere apparatuur en de efficiëntie van de elektrische installatie verminderen.
• Veroorzaken van Elektromagnetische interferentie (EMI) en spanningsfluctuaties, wat de werking van andere apparaten kan verstoren.
• Oververhitting bij onvoldoende koeling is kan de levensduur van componenten verkorten en tot uitval leiden.
• In- en uitschakelen van vermogenselektronica kan transiënte spanningen en stromen veroorzaken die schadelijk kunnen zijn voor andere apparaten.
• Een niet goed uitgevoerd aardingssysteem leiden tot ongewenste stromen en potentiaalverschillen. 

Een praktische studie: Ledverlichting in het datacenter van een grote bank

Ledverlichting biedt veel praktische voordelen in datacenters. Zo is volledige verlichting bij inschakeling ideaal in situaties waarbij snel verlichting nodig is, zoals onderhoud of noodsituaties, maar kan in veel andere situaties met een lager verlichtingsniveau worden volstaan. De langere levensduur van led (vaak duizenden uren meer dan traditionele lampen) betekent minder vaak vervangen, lagere onderhoudskosten en minder onderbrekingen. Ledverlichting verbruikt ook aanzienlijk minder energie dan traditionele fluorescentie- of gloeilampen, en is vaak dimbaar. Gezien de schaal van datacenters kan dat leiden tot aanzienlijke energie- en kostenbesparingen.

Echter: Ledlampen maken gebruik van vermogenselektronica : speciale LED-drivers, schakelende voedingen, dimmers, stroomregelcircuits... Voordat led op grote schaal in een datacenter wordt uitgerold, is dus het slim om de mogelijke gevolgen goed in kaart te brengen.

Een van de grootste internationaal opererende banken van Nederland heeft HyTEPS gevraagd onderzoek te doen naar de verschillen tussen een standaard TL-armatuur met HF-starter en led-armatuur. Een rapport geeft inzicht in de invloed van beide opties op het elektriciteitsnet en de Power Quality (kwaliteit van spanning en stroom). Er is gemeten aan de inkomende voeding van de verlichting, en de inschakelstroom is meerdere keren gemeten. Veel power quality kenmerken  zijn opgenomen in de steady state situatie.

Uit analyse bleek dat de inschakelstroom van de led-armaturen hoger was, maar het nominale stroomverbruik fors lager. HyTEPS heeft de resultaten geëxtrapoleerd voor een installatie bestaand uit 500 armaturen. Hieruit bleek dat er in de nulgeleider warmte kan ontstaan als gevolg van een 3^de harmonische stroom. Zonder adequate aanpassingen in de installatie kan in het ergste geval brand ontstaan, doordat de overbelasting niet wordt afgeschakeld. Uit tests bleek ook dat iedere individuele harmonische wordt gereduceerd bij het overschakelen van TL-armaturen naar led-armaturen. Aan het gemeten vermogen is te zien dat de stroom in de TL na 10 minuten na het inschakelen vrijwel constant blijft. De power factor blijft constant. Bij de led bleek het verloop van de stroom afhankelijk van het spanningsniveau. Aan de hand van deze informatie, en doorlopende monitoring en optimalisatie, kon de bank met een gerust hart overstappen op led.

Regelmatig onderhoud, monitoring en het volgen van best practices kunnen helpen bij het identificeren en aanpakken van (mogelijke) problemen met vermogenselectronica in het datacenter. In kaart brengen, simuleren, en monitoring van de energievoorziening zijn van vitaal belang.  Door aandacht te besteden aan Power Quality kan uitval worden geminimaliseerd of voorkomen. Voer dus doorlopend monitoring en analyses uit om problemen zoals harmonischen, spanningsdips of spanningspieken te identificeren en aan te pakken!

 Jorlan Peeters is Managing Director HyTEPS