Bitte nicht stören: Mit einer aktiven Gleichrichtung im Ventilator können sich Netzrückwirkungen in Rechenzentren vermeiden lassen.

Bild: iStock, Oleksandr Hruts

Netzrückwirkungen vermeiden So lassen sich Rechenzentren energieeffizient kühlen

23.10.2019

Gängige Kühlkonzepte in Rechenzentren basieren auf Luftzirkulation. Allerdings sind die eingesetzten Lüfter in Bezug auf Netzrückwirkungen, Oberschwingungen oder Verzerrungsblindleistung nicht unproblematisch. Aber mit einer aktiven PFC in Ventilatoren lassen sich Netzstörungen und Überdimensionierung der Stromversorgung vermeiden.

Bei der in Rechenzentren unerlässlichen Kühlung ist heutzutage ein energiebewusstes Verhalten unerlässlich. Energieeffiziente Ventilatoren mit moderner EC-Technologie können hierzu viel beitragen.

Mittels integrierter aktiver Gleichrichtung (PFC) erfüllen dreiphasig gespeiste GreenTech-EC-Ventilatoren die hohen Anforderungen, die in Rechenzentren bezüglich der Netzrückwirkungen beziehungsweise des Oberschwingsgehaltes des Aufnahmestroms gelten. Somit können diese Anforderungen ohne Zusatzkomponenten erfüllt oder eine Überdimensionierung der Stromversorgung (für die Bereitstellung von Verzerrungsblindleistung) vermieden werden.

Unerwünschte Energieverluste vermeiden

Die Welt braucht energiesparende Lösungen, angefangen bei Leuchtmitteln bis hin zu elektrischen Antrieben. Bereits die Anpassung der Drehzahl von Antriebssystemen auf die tatsächliche Drehmoment-/Leistungsanforderung spart unnötigen Energieeinsatz. Durch die Verwendung von effizienten EC-Motoren erschließen sich zudem weitere Einsparpotenziale, was der Umwelt und dem Geldbeutel des Betreibers gleichermaßen zugutekommt.

Diese an sich sehr begrüßenswerte Entwicklung hat jedoch einen Haken: Die in aller Regel nicht sinus-, sondern pulsförmigen und phasenverschobenen Aufnahmeströme der neuen Energiespargeräte erzeugen zusätzliche Verluste in den Generatoren, Leitungen und Transformatoren der eingesetzten Energieversorgung. Die durch Phasenverschiebung und Oberschwingungsströme verursachte Blindleistung muss bereitgestellt werden. Vor allem bei sogenannten Inselnetzen, zum Beispiel in einem Rechenzentrum, wird das zum unerwünschten Kostenfaktor. Hier gilt es, Abhilfe zu schaffen.

Netzrückwirkungen durch Oberschwingungen

Die Stromversorgung eines Rechenzentrums besteht im Wesentlichen aus den Komponenten Netzeinspeisetrafo, USV-Anlage und Notstromgenerator. Diese Komponenten müssen eine zuverlässige Energieversorgung (durch Redundanz) gewährleisten.

Die Bereitstellung von zusätzlicher Blindleistung bedingt jedoch eine leistungsseitig größere Auslegung aller an der Stromversorgung beteiligten Komponenten. Eine solche unnötige Überdimensionierung ist aus Kostengründen unerwünscht.

Energieverbrauchsoptimierte EC-Ventilatoren haben nun aber – genauso wie Frequenzumrichter-geregelte Asynchronmotoren – aufgrund ihrer Schaltungstechnik ohne Zusatzmaßnahmen keine sinusförmige, sondern eine pulsförmige Stromaufnahme. Jede Abweichung von einer sinusförmigen Stromaufnahme bedingt Stromoberschwingungen, welche in Summe zu einer sogenannten Verzerrungsblindleistung führen. Diese belastet das Versorgungsnetz zusätzlich und führt zu erhöhten Verlusten in allen an der Stromversorgung beteiligten Komponenten.

Die Abbildung 1 in der Bildergalerie zeigt als Beispiel den Aufnahmestrom einer Serverkühlung mit zwei parallel geschalteten Ventilatoren mit jeweils circa 3 kW Aufnahmeleistung. Die Blindleistung liegt mit 6,69 kVA hier über der Wirkleistung mit 5,74 kW. Der Leistungsfaktor, also der Quotient Wirk- zu Scheinleistung, liegt bei schlechten 0,64 und die gesamtharmonische Verzerrung des Stroms (THD(I)) bei knapp 120 Prozent. Das bedeutet, dass die geometrische Summe aller Oberschwingungsströme größer ist als die Grundschwingung selbst.

Dass solche Ströme alle in der Stromversorgungskette notwendigen Komponenten – also Transformatoren, USV-Anlage, Generatoren und auch die Leitungen – stark belasten, kann man sich leicht vorstellen. Die Verzerrungsblindleistung muss am Einspeisepunkt vorgehalten werden. Im Interesse einer optimalen Auslegung der Stromversorgung und des Backup-Systems soll die Stromverzerrung möglichst gering sein, also der Leistungsfaktor nahe 1 liegen.

Ein Ausflug in die Welt der Normen

Dafür reichen die von der in üblichen Industrieanlagen geltenden Norm EN 61000-3-2 geforderten Werte nicht aus. Sie klassifiziert Geräte bis zu einem Phasenstrom von 16 A und definiert für diese Klassen Grenzwerte für die Oberschwingungsströme.

Ventilatoren fallen unter die Gerätegruppe A, zu der neben symmetrischen dreiphasigen Geräten zum Beispiel auch Haushaltsgeräte gehören. Je höher die Aufnahmeströme werden, umso schwieriger wird es, die Grenzwerte der Klasse A einzuhalten, da es sich um absolute Grenzwerte handelt (also nicht relativ zur Leistung), welche für die einzelnen Ordnungen des Stromoberschwingungsspektrums definiert sind. Ab einem bestimmten Aufnahmestrom helfen dann nur noch aktive Filterlösungen.

Bei dreiphasigen Geräten sind diese jedoch recht aufwendig und für „normale“ Industrieanwendungen wirtschaftlich nicht attraktiv. Vermutlich deshalb sind dreiphasige Geräte mit Leistungen über 1 kW in der Norm nicht berücksichtigt. Das führt dazu, dass es für dreiphasige Geräte mit Leistungen von 1 bis circa 10 kW schlicht keine Grenzwerte gibt.

Werden allerdings mehrere Geräte, für die als Einzelgeräte keine Grenzwerte gelten, zusammengeschaltet, und der Phasenstrom liegt im Bereich zwischen 16 und 75 A, gilt eine weitere Norm: die EN 61000-3-12. Sie definiert die Grenzwerte für einzelne Ordnungen des Stromoberschwingungsspektrums und die gesamtharmonische Verzerrung des Stroms. Interessant dabei ist, dass die zulässigen Werte von der Netzqualität abhängen. Je „weicher“ die Netze sind – je höher also der komplexe Innenwiderstand des Netzes ist –, umso niedriger liegen die Grenzwerte für den Oberschwingungsgehalt des Stromes.

Das ist auch verständlich, denn ein nichtlinearer Strom verzerrt die Spannungsform umso stärker, je höher der Innenwiderstand des Netzes ist. Um dann die Forderungen zu erfüllen, sind auch für klassische dreiphasig versorgte Frequenzumrichter Maßnahmen notwendig. Da man in Industrienetzen überwiegend von einem niedrigen Innenwiderstand ausgehen kann, gilt nach EN 61000-3-12 für den Oberschwingungsgehalt (des Aufnahmestroms) ein Grenzwert von 48 Prozent.

Netz- und Zwischenkreisdrossel als Notlösung

Dieser Wert, der allerdings den Bedürfnissen heutiger Rechenzentren keineswegs genügt, lässt sich etwa durch Vorschalten einer Netzdrossel einfach erreichen. Die Drossel braucht allerdings Platz, und es ist eine zusätzliche Verkabelung notwendig. Für das Beispiel mit zwei Ventilatoren mit je circa 3 kW lassen sich mit einer zweiprozentigen Netzdrossel für den Leistungsfaktor circa 0,9 und die gesamtharmonische Verzerrung des Aufnahmestroms THD(I)-Werte von circa 45 Prozent erreichen.

Integriert man eine Zwischenkreisdrossel in die Leistungselektronik, lassen sich sogar etwas bessere Werte erreichen: Mit zum Beispiel einem Leistungsfaktor von circa 0,94 und einem THD(I)-Wert von 34 Prozent sind die Forderungen der Norm EN61000-3-12 eingehalten, zumindest die Grenzwerte für „harte“, also niederimpedante Industrienetze. Wenn allerdings geringste Netzspannungsverzerrungen problematisch sind und/oder die Netzimpedanzen hoch sind, müssen die Oberschwingungsanteile im Strom auf ein Minimum reduziert werden. Und so ist heute in vielen Datacenter-Anwendungen oft die Rede von Zielwerten für den Leistungsfaktor von über 0,95 bei einem THD(I)-Wert von unter fünf Prozent.

Zielwert für THD(I) soll unter fünf Prozent liegen

Eine Möglichkeit, sich diesen Werten anzunähern, sind Vorschaltlösungen in Form von Oberschwingungsfiltern, die oft auch als Harmonics-Filter bezeichnet werden. Diese Filter sind je nach Eigenschaft und Güte bezüglich des notwendigen Materialeinsatzes recht imposant, was sich nicht zuletzt im Preis niederschlägt. Die erreichbaren Werte sind jedoch schon sehr nah am Zielwert: Beispielsweise werden 0,98 im Leistungsfaktor und 7,5 Prozent Oberschwingungsgehalt des Phasenstroms erreicht; die Stromform sieht dabei näherungsweise sinusförmig aus.

Allerdings haben solche Filter den Nachteil, dass sie nur auf einen einzigen Betriebspunkt optimal ausgelegt sind, in aller Regel auf die Nennleistung. Im Teillastbereich liegen die THD(I)-Werte oftmals fast doppelt so hoch. Auch der Leistungsfaktor wird bei kleinen Leistungen schlechter. Im Teillastbereich werden dadurch die Blindströme sehr hoch. Außerdem gibt es einen deutlichen Spannungsabfall über den Filter; die Nenndrehzahlen und Leistungswerte der Ventilatoren werden dadurch unter Umständen nicht erreicht.

Die Nachteile der passiven Filter lassen sich durch eine aktive Filterlösung weitgehend vermeiden. Hierfür gibt es Vorschaltgeräte, die allerdings nochmals teurer sind und zusätzlichen Platz und Verdrahtungsaufwand bedeuten.

Aktive Gleichrichtung im Ventilator als Lösung

Die Motoren- und Ventilatorenspezialisten von EBM-Papst haben deshalb als erster Ventilatorenhersteller eine dreiphasige Aktiv-PFC-Stufe in Form eines aktiven Gleichrichters in ihren EC-Ventilatoren integriert, um dem Anwender zusätzlichen Aufwand zu ersparen. Begonnen wurde mit der Motorbaugröße 150 (3 kW), die in den neuen RadiPac-Ventilatoren der Baugrößen 450, 500, 560 und in den RadiCal-Ventilatoren der Baugrößen 500, 560 und 630 eingesetzt sind. Die Werte, die sich erreichen lassen, übertreffen sogar die Anforderung: Der Leistungsfaktor liegt bei Nennlast bei über 0,99, der THD(I)–Wert bei typisch circa zwei Prozent. Dieser bleibt sogar bis herab zu zehn Prozent der Nennleistung bei unter fünf Prozent.

Die Motoren sind in Achsrichtung durch die Integration der dreiphasigen Aktiv-PFC-Gleichrichtung nur unwesentlich länger, und der Wirkungsgradverlust ist bei Nennleistung mit gut zwei Prozent nur gering. Dabei hat der Anwender jedoch den Nutzen, dass der bei herkömmlichen Lösungen pulsförmige Aufnahmestrom der EC-Motoren in einen sinusförmigen Aufnahmestrom umgewandelt wird, ohne zusätzliche Komponenten zu verdrahten und ohne dass Filter und Motoren aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Plug-&-Play-fähigen, hocheffizienten EC-Ventilatoren senken den Energieverbrauch in Rechenzentren und erfüllen zudem den Wunsch, die Stromversorgung der Anlagen lediglich auf die Nennwirkleistung der Ventilatoren auszulegen.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Netzrückwirkungen durch Oberschwingungen bei zwei Ventilatoren mit 3 kW Leistung.

    Bild: EBM-Papst

  • Abbildung 2: Verringerung von Netzrückwirkungen durch aktive Gleichrichtung. Ein dreiphasiges Aktiv-PFC ist in der Elektronik des EC-Motors integriert.

    Bild: EBM-Papst

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