EC-vifter med integrert effektfaktorkorrigering

2019-06-20

Det faktum at ebm-papst kan tilby GreenTech EC-vifter med integrert og aktiv effektfaktorkorrigering (PFC, Power Factor Correction) med trefasetilførsel, betyr at det finnes en vifteløsning som oppfyller de høye kravene som stilles i f.eks. datasentre. Med PFC kan problemene som ellers oppstår på grunn av forstyrrende overtoner og kretstilbakemelding elimineres. Løsningen betyr at det ikke kreves tiltak som interferensdemping, noe som ellers ville vært nødvendig når viftene er i drift parallelt. Ønsket om integrert PFC har gradvis vokst siden behovet for energibesparende løsninger har økt på mange forskjellige applikasjonsområder. Kravene til energieffektivitet finnes i alt fra belysningssystemer til elektriske drivsystemer. Mulighetene som eksisterer for å regulere for eksempel hastigheten og effekten på EC-viftene til aktuelt behov kan gi store energibesparelser og reduserte driftskostnader. Selv om dette er en positiv utvikling ut ifra energi- og miljøsynspunkt, fører den nye teknologien til at det stilles krav til å løse den effekten som oppstår med faseskiftende inngangsstrøm som pulserer og kan føre til tap i strømforsyningen til ulike elektriske komponenter. Den reaktive effekten som skyldes faseskiftningene må også kompenseres, og dette er spesielt viktig i datasentrene.

EC-vifter som ikke krever frekvensomformere
Strømforsyningen i et datasenter består hovedsakelig av nettverksinnmatingstransformatorer, UPS-systemer og standby-generatorer. Sammen må disse komponentene sikre en pålitelig strømforsyning med de høye kravene som stilles til redundans i denne typen applikasjoner. På den annen side krever bestemmelser av ytterligere reaktiv effekt at alle komponenter benyttet i strømforsyningen utnyttes for å levere høyes mulig ytelse. Overdimensjonering av strømforsyningssystemene for å oppfylle kravene kan imidlertid føre til uønskede og høye kostnader, for blant annet utstyr som skal forhindre problemer som kan oppstå med overtoner. Det er ikke-lineære belastninger som gir opphav til overtoner ved at forholdet mellom strøm og spenning ikke er konstant i en periode.

Hvis en ikke-lineær belastning er koblet til strømnettet vil den trekke en strøm som avviker fra sinusbølgen noe som gir opphav til overtoner. Strømmen forårsaker da et tilsvarende spenningsfall som forvrenger spenningskurvens sinusbølge, og man får tilsvarende overtoner i spenningen. Asynkronmotorer er vanligvis utstyrt med frekvensomformere og skjermede kabler mellom omformere og viftemotorer for å redusere problemet. ebm-papst EC-vifter har imidlertid integrert elektronikk som eliminerer behovet for frekvensomformere og skjermede kabler. At viftene også har en aktiv PFC (Power Factor Correction = effektfaktorkorreksjon) betyr at de oppfyller alle kravene til støyfri teknologi som er satt i mange følsomme miljøer.

Fig. 2 viser inngangsstrømmen til et serverkjølesystem med to vifter montert parallelt og den reaktive effekten på 6,69 kVA. Den reaktive effekten er effekt som ikke forbrukes av den tilkoblede belastningen men sendes tilbake til strømkilden. Overføring og mottak av reaktiv effekt gir overføringstap, og de reaktive strømmene reduserer kapasiteten i kraftledningene til å overføre nyttig effekt. For å redusere den reaktive effekten er det forskjellige metoder for fasekompensasjon. En måte å finne ut hvor effektiv energien benyttes er å måle effektfaktoren.

Kraften absorbert i en last er produktet av spenningen og strømmen. Hvis en belastning er rent resistiv, er spenningen og strømmen i fase og all kraft kan utnyttes på en tilfredsstillende måte. Hvis en last har en reaktiv komponent (dvs. har kapasitans eller induktans) havner spenning og strøm ut av fase med hverandre. For å optimalisere et strømforsyningssystem bør effektfaktoren være nær en verdi på 1.

To EMC standarder i fokus
Det er to viktige EMC-standarder (EMC-elektromagnetisk kompatibilitet) som må følges når større vifter skal kobles til nettet, og i miljøer der strenge krav stilles til nett-forstyrrelser og strømkvalitet. Datasenter er et typisk slikt miljø. For det første er det EN 61000-3-2 - for vifter med maks. 16 A pr. fase, og EN 61000-3-12 - for vifter og installasjoner med mer enn 16 A, men ikke mer enn 75 A pr. fase. Her kan være lett å bomme på rett standard hvis man installerer to vifter med strømforsyning på for eksempel 10 A hver, da går man over 16 A pr. fase, og da er det standarden for 16-75 A som er aktuelt. Med de store kravene til viftekapasitet som ofte er stilles i datasentre kan det ofte være standarden EN 61000-3-12 som er aktuell.

Med hensyn til disse standardene er det viktig å huske på at det ikke er noen grunnleggende forskjell mellom komponenter og installasjoner. Kravet for EMC gjelder i grensesnittet mellom disse og det ytre miljø. Faste installasjoner, som kan være en produksjonslinje på en fabrikk, kan bestå av både CE-merkede og ikke CE-merkede komponenter. Siden det ikke foreligger harmoniserte standarder for faste installasjoner, er det i dag et krav om at en totalentreprenør bruker andre metoder for å vise at en installasjon overholder EMC-kravene. Beskyttelseskravene i EMC-direktivet - om immunitet og emisjon - gjelder også for faste installasjoner der det skjer en tilpasning til vilkårene på installasjonsstedet. Alle som utfører en fast installasjon må dokumentere hvordan kravene til beskyttelse er oppfylt, og eieren av installasjonen må lagre denne dokumentasjonen så lenge f.eks. en produksjonslinje er i drift.

Aktiv PFC i EC-vifter som en fleksibel plug & play-løsning
Når man beskriver de problemer som overtoner kan forårsake, er det også viktig å nevne de ikke-lineære belastningene (likerettere, frekvensregulatorer, lysbueskjerming, omformere, svitsjer etc.) som genererer ikke-sinusformet strøm. Denne strømmen er produsert i 50 Hz eller 60 Hz (avhengig av landet) frekvens samt en rekke overlagrede strømmer kalt overtoner. Resultatet er en forvrengning av spenningen og strømmen som gir en rekke relaterte sekundære effekter. Historisk har det vært vanlig å installere filterutstyr og andre teknologier for å redusere overtonene. Siden dette er både kostbart og mange ganger også teknisk komplisert, har ebm-papst gjennomført et intensivt teknisk utviklingsarbeid for å finne en mer effektiv, mer fleksibel og også en kostnadseffektiv løsning.

Resultatet er at ebm-papst ble den første vifteprodusenten i verden til å integrere en trefaset aktiv PFC i noen typer av våre EC-vifter. PFC konverterer den pulserende inngangsstrømmen til EC-motorene til en sinusformet strøm, som deretter forandres slik at den befinner seg i fase med spenningen. Dette reduserer risikoen for overtoner, noe som gjør det mulig å oppfylle kravene i standard EN 61000-3-2 uten noen konstruksjonsendringer. De første viftene som fikk integrert PFC var RadiPac-viftene i størrelsene 450, 500 og 560 mm med motoreffekten 3 kW. Den samme tilpasningen ble så gjort av RadiCal-viftene i størrelsene 500, 560 og 630 mm. I for eksempel datasentre innebærer utviklingen av en integrert og fleksibel plug-and-play-løsning med PFC som lett kan sikre beskyttelse mot overtoner og et interferensfritt miljø med høy strømkvalitet. Det må også tilføyes de store mulighetene som eksisterer med EC-viftene til å oppnå betydelige energibesparelser.