Ako znížiť spotrebu energie ventilátorov na chladenie stojanov výmenou bežného jednosmerného motora za bezkartáčový

Ventilátory na chladenie stojanov chránia husto zabalené serverové skrine pred prehriatím, avšak väčšina prevádzok ich stále prevádzkuje pri pevnej rýchlosti.

Prečo ventilátorom na chladenie stojanov spotrebujú viac energie, než je potrebné

Ako striedavý prúd a kefkové ventilátory plýtvajú energiou v serverových rámových konštrukciách

Tradičné jednotky so striedavým prúdom a kefkami nechávajú chladiace ventilátory v rámových konštrukciách bežať stále rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na skutočnú potrebu. Indukčný motor so striedavým prúdom odoberá magnetizačný prúd aj pri nízkej záťaži a uhlíkové kefky spôsobujú trenie a elektrické straty, ktoré sa priamo menia na teplo. V systéme tepelnej správy serverových rámov sa táto stratená energia zvyšuje vnútornú teplotu skrinky a núti susedné jednotky pracovať intenzívnejšie. Výsledkom je samo-posilňujúca slučka, v ktorej sa spotreba energie udržiava na vysokej úrovni, zatiaľ čo užitočné chladenie zostáva nezmenené. Kefkové motory tiež trpia opotrebovaním komutátora, preto sa účinnosť postupne znižuje so starnutím hardvéru. Vyššia prevádzková teplota v uzavretom priestore navyše skracuje životnosť citlivých diskov a dosiek. Zlá chladenie tiež zvyšuje riziko tepelných vypnutí, ktoré vyradia celé rámy z prevádzky; spoľahlivé vetranie uzavretého priestoru podporuje cieľ predpisu OSHA 29 CFR 1910.94 týkajúceho sa bezpečných priestorov pre zariadenia.

Z akých zdrojov skutočne vznikajú tepelné zaťaženia v serverových rámových konštrukciách

Teplo vo vnútri skrinky zriedka zostáva konštantné. Výpočtové uzly, napájacie zdroje a úložné polia sledujú denné pracovné cykly, preto sa počas dňa mení potrebný prietok vzduchu aj statický tlak. Väčšina starších chladiacich ventilátorov pre stojanové systémy je dimenzovaná na najhorší prípad – letné špičky – čo znamená, že po väčšinu roka bežia nadmerne veľké. Ventilátory s pevnou rýchlosťou a striedavým prúdom (AC) nemôžu sledovať záťažovú krivku; neustále tlačia maximálny objem vzduchu a nadbytok odvádzajú vo forme hluku a tepla. Realistický model tepelnej záťaže začína s výkonom jednotlivých komponentov, následne sa k nemu pripočíta recirkulácia spôsobená nevhodným usporiadaním káblov a únikmi z izolovaných horúčich chodníkov. Oddelenie horúčich a studených chodníkov spolu s uzatváracími panelmi môže pred akoukoľvek zmenou hardvéru významne znížiť požadovaný prietok vzduchu. Elektronická komutácia v modernom pohone umožňuje ventilátoru sledovať záťaž namiesto toho, aby s ňou bojoval – to je základný princíp každého spoľahlivého zvýšenia účinnosti.

Ako bezkartáčové DC motory zvyšujú účinnosť ventilátorov

Elektronická komutácia oproti mechanickým stratám v kartáčoch

Bezkomutátorový striedavý motor nahrádza mechanické kefky snímaním polohy rotora a elektronickou komutáciou. V dôsledku chýbajúceho trenia kefiek a iskrenia klesnú straty v medi a železe a účinnosť motora stúpne v celom rozsahu otáčok. Podľa tried účinnosti IEC 60034 dosahuje dobre navrhnutá jednotka BLDC s vonkajším rotorom výkon zodpovedajúci triedam IE4 a IE5, kým porovnateľné striedavé motory patria do nižších tried. Rovnaký elektrický vstup poháňa viac vzduchu, pretože sa v motore spotrebuje menej energie. U ventilátorov na chladenie rackov sa tento zvýšený výkon prejavuje nižšou prevádzkovou teplotou vinutí, dlhšou životnosťou izolácie a stabilnejšou rýchlosťou pri meniacej sa statickej tlakovej sile. Rotorové vyváženie podľa noriem ISO 1940 ďalej zníži vibrácie, ktoré by inak spôsobovali straty krútiaceho momentu. Konštrukcia s vonkajším rotorom umiestňuje magnetickú hmotu do stredovej časti ventilátora, čím sa zlepší zotrvačnosť a správanie pri štarte za zaťaženia. Pri posudzovaní ventilátorov na chladenie rackov s cieľom ich modernizácie by mali prevádzkovatelia uprednostniť jednotky BLDC triedy IE4.

Riadenie premennej rýchlosti prispôsobené tepelnej záťaži

Spárovanie motora s regulátorom EC ventilátora umožňuje riadenie premenlivej rýchlosti na základe nastavenej teploty. Ventilátory na chladenie stojanov s konštantnou rýchlosťou spotrebujú najviac energie počas obdobia nečinnosti, kým platforma BLDC zrýchľuje iba vtedy, keď sa zvýši tepelná záťaž, takže spotreba energie sa prispôsobuje skutočnej potrebe. Toto prispôsobenie zaťaženia je základom úspor energie v porovnaní s ventilátorom stálej rýchlosti s napájaním zo striedavého prúdu. Presné ložiská a medené vinutia zabezpečujú hladkú odozvu, zatiaľ čo vyváženie rotora obmedzuje vibrácie. Riadenie s moduláciou šírky impulzov udržiava krútiaci moment stály pri nízkych otáčkach, čím sa vyhýba zastaveniu a nárazom, ktoré spôsobujú straty energie v poddimenzovaných sadách so striedavým prúdom. Výkonné charakteristiky v oblasti prúdenia vzduchu by mali byť overené pomocou testovacích metód AMCA 210 a ISO 5801 pred zakúpením, pretože publikované charakteristiky sa výrazne líšia medzi jednotlivými dodávateľmi a pracovnými bodmi.

Nahradenie ventilátorov na chladenie stojanov technológiou BLDC: Skutočný prípad

Pozadie a problém v linke kabinetov pre colocation

Regionálny poskytovateľ služby colocation prevádzkoval rad škriňových jednotiek, ktoré chladili staršie osiakové chladiče pre stojanové systémy s napájaním 230 V~ na pevne nastavenej rýchlosti. V letných popoludníach stúpali vnútorné teploty nad bezpečný rozsah, avšak chladiče nebolo možné zrýchliť, aby sa tejto situácii prispôsobili. Náklady na elektrickú energiu boli vysoké a priestory boli hlučné. Poskytovateľ potreboval riešenie, ktoré by znížilo spotrebu energie bez nutnosti výmeny celých uzatvorených systémov alebo prerušenia prevádzky. Namerali sme, že striedavoprúdové chladiče spotrebovali takmer nominálny výkon aj v noci, keď boli stojanové systémy nevyužívané, čo potvrdzovalo značné nadmerné dimenzovanie prietoku vzduchu vzhľadom na skutočnú tepelnú záťaž.

Riešenie a merateľný logický efekt

Prevádzkovateľ vymenil chladiace ventilátory pre stojanové skrine za zásuvné moduly s bezkartáčovými jednosmernými motormi, ktoré mali rovnaké montážne rozmerové údaje. Jednoduchý teplotný signál nastavoval premennú rýchlosť otáčania, takže každý modul sledoval svoju vlastnú tepelnú záťaž. Ochrana proti vniknutiu podľa normy IEC 60529, klasifikovaná ako IP44, zabránila vniknutiu prachu do presných komponentov a meďové vinutia spolu s presnými ložiskami udržiavali účinnosť stabilnú. Po splnení požiadaviek označenia CE a UKCA, ako aj požiadaviek na materiály podľa smerníc RoHS a REACH, sa modernizácia uskutočnila v rámci existujúcej usporiadania skríní. Tým, že prevádzkovateľ prispôsobil prietok vzduchu aktuálnej potrebe namiesto neustáleho chodu na plný výkon, znížil spotrebu energie výraznou mierou, znížil hladinu hluku skríní a zároveň udržal teploty v bezpečnom rozsahu.

Zhrnutie

Modernizácia na bezkartáčový striedavý motor je praktickým krokom pre zariadenia, ktoré chcú znížiť náklady na energiu bez nutnosti prebudovania krytov. Zvýšenie účinnosti vyplýva z odstránenia straty spôsobenej kartáčmi a následného použitia regulácie premenlivej rýchlosti, ktorá sleduje skutočnú tepelnú záťaž namiesto pevne stanovenej prevádzkovej doby. Správna voľba, kontrola a údržba umožňujú chladiacim ventilátorom pre stojany poskytovať stabilnú tepelnú reguláciu s nižšou trvalou spotrebou energie.

Pri nákupu vyberte ventilátor, ktorého prietok vzduchu a statický tlak zodpovedajú najväčšej tepelnej záťaži skrinky, čo musí byť overené podľa noriem AMCA 210 a ISO 5801. Potvrďte triedu účinnosti motora, stupeň ochrany pred vniknutím cudzích látok (IP) pre dané prostredie a triedu vyváženia rotora. Po doručení skontrolujte medené vinutia, typ ložiskov a kvalitu konektorov; požiadajte o merané údaje, nie o tvrdenia. Počas prevádzky nastavte krivku premenných otáčok riadenú teplotou namiesto pevne stanovenej pracovnej doby a mesačne prehliadajte denníky. Udržiavajte filtre čisté, aby sa statický tlak udržal na nízkej úrovni a motor nepracoval nadmierne. Plánujte kontrolu ložísk a vyváženia podľa pracovnej doby; presné ložiská predĺžia životnosť, ak sa zabezpečí správna mazanie a kontrola prachu. Po každom otvorení skrinky skontrolujte tesnenia proti vniknutiu cudzích látok.

Často kladené otázky

Otázka

Čo určuje úsporu energie pri výmene stojanového ventilátora s bezkartáčovým jednosmerným motorom?

Odpoveď: Úspora závisí od toho, ako veľmi pôvodný striedavý alebo kefkový motor bežal nadmerne a ako presne nový pohonný systém sleduje skutočnú tepelnú záťaž. Bezkefkový striedavý motor odstraňuje straty spôsobené kefkami a magnetizáciou, zatiaľ čo riadenie premenných otáčok zabráni neustálemu chodu na plných otáčkach. Merané údaje o cykle zaťaženia a teplotné záznamy ukazujú skutočnú úspornú rezervu. Vzduchový výkon overený podľa noriem AMCA 210 a ISO 5801 potvrdzuje, že náhradný pohonný systém presunie dostatok vzduchu pri nižšej spotrebe výkonu (W), čím sa úspory pri modernizácii stávajú opakovateľné.

Otázka

Prečo bezkefkový striedavý motor spotrebuje menej energie ako striedavý ventilátor?

Odpoveď: Striedavý indukčný motor vyžaduje nepretržitý magnetizačný prúd a vďaka kefám stratí energiu na trenie a iskrenie. Bezkefový jednosmerný motor využíva elektronickú komutáciu, čím sa tieto mechanické straty odstránia a účinnosť motora zostáva vysoká v celom rozsahu otáčok. Podľa tried IEC 60034 dosahujú jednotky BLDC s vonkajším rotormi výkon zodpovedajúci triedam IE4 a IE5. Menej energie spotrebovanej vo vnútri motora znamená, že viac wattov sa premení na užitočný prietok vzduchu – preto rovnaká chladiaca úloha po modernizácii vyžaduje menší prúd.

Otázka

Ako sa namontuje ventilátor s bezkefovým jednosmerným motorom do existujúcej stojanovej konštrukcie?

Odpoveď: Inštalácia využíva existujúci montážny rozostup a veľkosť vyrezu kabinetu, takže nosník bezkomutátorového jednosmerného prúdu sa vloží do rovnakého otvoru ako stará jednotka striedavého prúdu. Elektrické pripojenie sa vykoná na dostupný zdroj jednosmerného prúdu alebo na vonkajší elektronický regulátor (EC controller) a teplotný snímač nastavuje krivku riadenia premenlivej rýchlosti. Prebudova obalu nie je potrebná. Po namontovaní overte prietok vzduchu a statický tlak podľa noriem AMCA 210 a ISO 5801 a potvrďte, či sú tesniace prvky proti vnikaniu nepoškodené, predtým než sa kabinet vráti do prevádzky.

Otázka

Môžu existujúce racky striedavého prúdu prijať nosník ventilátorov bezkomutátorového jednosmerného prúdu?

Odpoveď: Väčšina štandardných kabinetov prijíma ventilátorový modul s bezkartáčovým jednosmerným prúdom, ak sa výrez a montážny vzor zhodujú s pôvodnými ventilátormi. Hlavnou kontrolou je napájanie: modul vyžaduje zdroj jednosmerného prúdu alebo EC ovládač, ktorý už mnoho moderných rákov poskytuje. Pred nákupom je potrebné overiť kompatibilitu napätia a riadiacich signálov, aby sa predišlo prepracovaniu na mieste. Ak je starší zdroj iba striedavý prúd, riešením je malý externý prevodník na jednosmerný prúd. Výber vhodných chladiacich ventilátorov pre ráky umožňuje modernizáciu bez zásahu do súčasnej rozmiestnenia.

Otázka

Vyžadujú bezkartáčové jednosmerné ventilátory pre ráky špeciálne údržbové opatrenia?

Odpoveď: Vyžadujú menej častú údržbu ako jednotky s kefami, pretože nemajú žiadne opotrebovateľné kefy, avšak jednoduchý pravidelný postup stále zabezpečuje úsporu. Udržiavajte filtre čisté, aby sa statický tlak udržiaval na nízkej úrovni a motor sa nezatiažoval nadmieru. Kontrolujte presné ložiská a vyváženie rotora v rámci plánovaného prevádzkového cyklu a po každom otvorení krytu skontrolujte tesnenia proti vniknutiu nečistôt. Mesačne prehliadajte záznamy teploty a otáčok, aby ste potvrdili, že pohonná jednotka správne sleduje zaťaženie. Označenia CE a UKCA indikujú, že jednotka spĺňala požiadavky na zhodu v čase výroby.