导读 （ 内部资料 免费交流） ● 艾默生网络能源携手中科天博推进 “艾星计划” ● 艾默生“艾星商业拓展计划”火热进行， 渠道合作进入新巅峰 ● 艾默生网络能源隆重推出 GXE 系列 EMERSON NETWORK POWER TECHNOLOGIES 单相小功率 UPS 新品 ● 如何规划与设计 IDC 机房用空调系统 第八期(总第 136 期) 2013 年8 月 20 日 星期二 本期 4 版 艾默生网络能源有限公司 主管主办 登记证号: 粤内登字 B 第00074 号 编号: ENPT201308 日前，艾默生（纽约证券 交易所股票代码：EMR）所属 业务品牌、 实现关键基础设 施可用性、 容量和效率最大 化的全球领导者艾默生网络 能源， 凭借雄厚的技术研发 日前，艾默生（纽约证券交易所股票代码： 个网络能源领域的整体解决方案， 中科天博 了艾星计划能够为合作伙伴带来更大发展所 实力和对市场需求的准确把 EMR）所属业务品牌、实现关键基础设施可用 的每一步提升都切合了艾默生网络能源的发 呈现出的美好前景；同时， SmartRowTM 作为一 握， 向业界隆重推出了 GXE 性、 容量和效率最大化的全球领导者艾默生 展轨迹。 款独立的数据机房基础架构， 通过模块化、无 系列单相小功率 UPS 新品， 工程、少工具、即插即用的设计，能够为中小用 以此满足各种小型应用场合 网络能源， 携手北京中科天博电源技术有限 艾星计划在全国范围内的大力开展，为 公司成功建立北京区域内第一个艾星体验中 双方进一步深入合作， 创造更为辉煌的业绩 户带来安全、可靠、高效的应用体验，这些特性 的应用需求。GXE 系列单相 心。 作为艾默生网络能源艾星计划推广过程 提供了新的机遇。 作为艾默生网络能源与合 不仅代表了未来中小机房建设的发展趋势， 小功率 UPS 的推出， 进一步 中的重要一步， 北京艾星体验中心的建立为 作伙伴之间建立的重要渠道合作项目， 艾星 从中也蕴含了巨大的市场潜力， 这些都是中 丰富、 完善了艾默生网络能 该区域乃至全国渠道合作伙伴加入到艾星计 计划是公司渠道建设不断创新发展中一项新 科天博顺利加入艾星计划的重要原因”。 源的产品线， 与公司其他中 划当中将起到良好的示范作用。 的举措，分为“艾星渠道特许经营计划”和“艾 据悉，“艾星体验中心”建设完成后，中科 小功率 UPS 产品形成互补格 北京中科天博是艾默生网络能源多年的 星体验中心”两个部分。其中，艾星体验中心 天博邀请了区域内众多的集成商、 代理商以 局， 顺应了行业市场越来越 趋于细化的应用趋势。 是艾默生网络能源联合区域合作伙伴， 在全 及行业用户进行实地参观， 并近距离体验了 国主要城市建立的 SmartRowTM 中小机房一体 SmartRowTM 中小机房一体化解决方案的实际 GXE 系 列 单 相 小 功 率 艾默生网络能源授予的“年度优秀合作伙伴” 化解决方案展示中心， 其目的之一就是让更 运行过程。SmartRowTM 的出色品质和综合性能 UPS 体现了艾默生网络能源 称号，同时以其骄人的销售业绩被认证为“金 多的用户了解这一全新的专为中小行业用户 不仅给参观者留下了深刻印象， 并且直接带 产品一贯具有的高品质、高 牌代理商”。得益于艾默生网络能源从产品、渠 量身定制的高品质解决方案， 从而提高 动了多个合作项目的洽谈， 极大彰显了艾星 性能的卓越特性。 该系列 道政策、服务与技术支持、市场营销等各个方 SmartRowTM 的知名度，推动销售增长。 计划的推广作用。此外，在艾星计划中，艾默生 UPS 采用纯在线式双变换技 术以及全数字控制技术，更 面为合作伙伴提供的卓越支持， 中科天博大 针对以特许经营商身份加入艾星计划， 网络能源还加强了对中科天博销售人员的培 大提升了自身的项目运作能力， 企业规模实 中科天博相关负责人表示，“中科天博与艾默 训工作， 从而保证了为客户提供更专业的讲 大提升了系统的稳定性和可 力和竞争力不断增强， 逐渐成长为在业界具 生网络能源有着长期、深厚的合作基础，这为 解服务， 进一步优化了中科天博的市场形象， 靠性；体积更小、效率更高， 有重要影响力的网络能源设备经销商。 可以 我们全面介入艾星计划提供了便利。 通过深 为其赢得更多潜在商机奠定了坚实的基础。 采用突破性超紧凑、 轻巧灵 说，从最初经销单一产品，拓展到销售涵盖整 入了解这一全新的渠道计划， 我们从中看到 活的塔式设计， 体积较同类 型产品小 30%-70%，具有更 高功率密度， 更适合小型场 艾默生“艾星商业拓展计划”火热进行 渠道合作进入新巅峰 近日， 艾默生 （纽约证券交易所股票代 公司渠道建设不断创新发 展 中一 项新 的 举 SmartRowTM 中小机房一体化解决方案化繁为 码：EMR）所属业务品牌、实现关键基础设施 措， 是对现有渠道销售模式的一种很好的补 简，将复杂的机房建设、管理变得更加简单、灵 可用性、 容量和效率最大化的全球领导者艾 充。该计划分为“艾星渠道特许经营计划”和 活， 这恰恰顺应了今后数据机房建设的发展 默生网络能源， 迎来了合作伙伴阵营中的新 “艾星体验中心”两个部分。其中，艾星体验中 趋势， 同时也正是由于 SmartRowTM 所具有的 成员—— —南京南大金利得电子科技有限公司 心是艾默生网络能源联合区域合作伙伴，在 多种特性极大地降低了专业门槛， 为南大金 正式加入公司“艾星商业拓展计划（以下简称 全国主要城市建立的 SmartRowTM 中小机房一 利得顺利进入机房基础设施领域扫清了技术 艾星计划）”。 依托艾默生网络能源强大的资 体化解决方案展示中心， 旨在让更多的用户 障碍。此外，艾星计划的大范围启动，可以更好 源优势、技术实力以及品牌影响力，双方将为 了解这一全新的专为中小行业用户量身定制 地对 SmartRowTM 进行宣传和推广； 尤其是艾 全面实现艾星计划目标， 取得互利共赢发展 的高品质解决方案。 星体验中心对普及整体机房概念， 改变传统 进行深度合作。 艾星体验中心的推出， 完全满足了中小 机房建设思路，将会起到积极作用，能够有效 南京南大金利得电子科技有限公司成立 行业用户在数据中心建设初期对 IT 设备所具 提高用户对产品选用的倾向性。可以说，这些 于 1992 年， 拥有丰富的网络系统集成和智能 有的“体验和参照”的心理需求，用户可以在 特有的优势进一步强化了合作基础， 为双方 化建设经验和服务经验， 具备较强的网络服 真实的运行场景中近距离实地考察相关应用 的合作赋予了美好的前景。 务支持能力， 已成功地为数十家省级金融机 设备，并以此作为数据中心建设的参考依据。 作为业界主流的网络能源设备和一体化 构的网络系统建设提供优秀的集成和保修服 在实际运行中， 艾星体验中心以一套完整的 解决方案供应商， 艾默生网络能源一直以来 务。在激烈的市场竞争中，南大金利得以多维 SmartRowTM 中小机房一体化解决方案进行现 都注重对渠道合作模式的不断创新， 多方面 视角，不断拓宽经营领域，有力地推动了业务 场呈现， 可以让用户亲身体验到中小机房从 强化对合作伙伴的扶持力度， 为合作伙伴搭 的多元化发展。 针对具有无限发展前景的机 建设到管理的各个环节的运作过程， 为用户 建合作共赢的渠道架构。 艾星计划的全面推 房基础设施领域， 南大金利得始终抱有极大 了解设备的价值和系统功能提供了最佳体验 出和顺利实施， 不仅为行业用户带来高价值 兴趣， 但是囿于专业技术所限以及缺乏专业 平台。从这个角度而言，艾星计划也是对体验 产品的全新体验和优质服务；同时，也将进一 人才， 一直未找到融入该领域的切入点。而 式营销的一次有益的尝试，自正式推出以来， 步提升渠道合作伙伴的市场形象和影响力， “艾星计划”的成功推出，则为南大金利得进 受到了渠道合作伙伴以及中小行业用户的极 从而为合作伙伴发掘市场需求， 获得更多销 大关注。 售商机带来更大实惠。随着更多渠道商、代理 入机房基础设施领域， 从而获得更大发展机 遇提供了良好的契机。 在谈到加入艾星计划的初衷时， 南京南 据了解， 艾星计划是艾默生网络能源与 大金利得电子科技有限公司有关负责人对双 合作伙伴之间建立的重要渠道合作项目，是 方的合作前景给予了充分肯定， 并表示， 欢迎投稿 ， 稿酬从优 电话 ：0755-86010905 商、集成商不断加入艾星计划，该渠道计划也 必将成为业界渠道建设的一个典范。 艾 系默 列生 单网 相络 小能 功源 率隆 重 推 新出 品 UPS 渠道合作伙伴，凭借出色的市场开拓能力、工 程实施能力以及维护服务能力， 曾多次获得 GXE 艾默生网络能源携手中科天博 推进“艾星计划” 的供电系统 合的灵活应用； 系统具备超 强充电能力和过载能力，尤 其能够满足客户突加负载的要求，可以有效抵制负 载冲击。此外，该系列 UPS 采用 LCD 大屏显示，能 够帮助用户轻松获取系统状态信息， 方便运维管 理。 值得肯定的是，GXE 系列单相小功率 UPS 具有 突出的节能环保特性，效率高出同等产品 3 个百分 点，满载下 1K 一天可节省近一度电，是一款名符其 实的高性价比绿色不间断电源系统。 随着信息技术在各行业的广泛、 深入应用，信 息系统的安全性受到了行业用户的高度重视。尤其 是在小型应用场合，虽然信息设备数量少、场合规 模不大，但是这些场合的关键设备却在很大程度上 维系着核心业务的正常开展，比如，加油站、连锁营 业网点、仪器室、办公场所的重要终端、服务器、存 储器、精密仪器等设备，更应加强用电保护，避免异 常断电带来不可估量的损失。GXE 系列单相小功率 UPS 产品的面世，为这些场合提供了最佳的电源保 护解决方案，为信息设备和重要负载的运行提供了 高可靠保障。 对于高端电源厂商而言，“明确需求” 是开发 产品的根本，如何根据市场实际需求提供“恰如所 需”的产品，才是赢得市场博弈的关键。作为全球 卓越的动力设备专家， 艾默生网络能源依托深厚 的技术研发实力和敏锐的产品开发意识， 根据行 业应用需求的不断变化，不断适时推出新产品。此 次 GXE 系列单相小功率 UPS 的推出，不仅体现了 艾默生网络能源对小型应用场合应用需求的精准 把握， 并且再次深刻诠释了公司“关键业务全保 障 TM”的理念。 2 艾默生网络能源技术 EMERSON NETWORK POWER TECHNOLOGIES 第八期 2013 年8 月 20 日 星期二 主编 丁麒钢 编辑 黄晟 如何规划与设计 IDC 机房用空调系统的供电系统 李成章(艾黙生网络能源公司、中科院计算技术研究所) 摘要 能否正确地规划与设计出 IDC 机房用空调的 供电系统，它将直接影响到空调系统的可利用率的 高低、节能降耗效果的优劣和投资成本的高低等关 键因素。 本文系统地探讨了空调对供电系统的技术 需求; 风冷空调、数码渦旋风冷空调、带 EC 风机的 冷冻水空调、 带 Y/Δ 启动的空调 50Hz 定频水泵 和变频水泵、 高功率密度的水冷机柜等空调产品 的”开、关机”运行特性及其输入谐波特性。 变频水 泵是一种会对输入电源产生非常严重的谐波污染 的非线性负载。 针对当今的 IDC 机房的应用，介绍 了由两路市电 + 备用发电机 +ATS 开关和由两路 市电 + 备用发电机 +UPS+ATS 开关所组成的两种 2N 型”双电源输入”空调供电系统。 推荐：在冷冻水 空调室内机的供电系统中、 选用按 ECO 工况运行 的 UPS 供电设计方案。 在此背景下，还详尽地分析 了空调系统的水泵和风机等电动机型负载分别处 于直接启动、Y/Δ 启动、软启动和变频启动等不同 工况下运行时的调控特性、电动机专用 LRIU 保护 电路及其相关的设计注意事项。 在此基础上，提供 若干设计应用案例、供设计院、用户及 PDU 生产厂 家参考。 (1) IDC 用空调系统对供电系统的技术需求 为了确保位于 IDC 机房中的各种 IT 设备和网 络设备在 365*24 小时的运行期间、 均能永不停息 地、对所需处理的数据包执行高速、可靠的采集、运 算、存储、交换和传送操作，从而为广大用户提供高 速、宽带、海量数据吞吐量的互联网通信服务，必须 设法消除掉：由于输入停电/闪断、机房的“整体温 升” 过高/机柜的“局部温升”过高以及网络堵塞而 导致发生的种种 IDC 机房瘫痪的故障隐患。众所周 知：在 IDC 机房中、配置空调系统的目的是：确保向 IT 设备/网络设备提供能長期安全、 可靠运行的良 好的机房运行环境条件，以便将它的温度、湿度和 洁净度控制在合理的范围之内。对空调系统的设计 和规划的“要求过低”可能会导致因 IT 设备/网络设 备的故障率增高而损坏 IT 硬件、因“温升”过高而 迫使 IT 设备进入热保护型的自动关机状态。相反， 如果“要求过严”可能会导致产生不必要的能量耗 损，致使电费增大。因此，能否清楚地了解 IT 设备/ 网络设备对空调系统的技术需求是我们能否规划 和设计出高质量的、符合实际需求的 IDC 机房的技 术基础条件之一。在这里，不仅要求所配置的空调 系统本身具有高效节能的运行特性。而且，还要求 与之配套的供电系统具有足够高的供电可靠性。为 此， 期望：IDC 机房的建设和营维主管能较清晰地 理解：当今 IDC 机房的发展趋势及对其供电系统的 技术需求。 (a) 当今 IDC 机房的用电设备、所允许的温、 湿度的波动范围越来越宽 一间典型的模块化 IDC 的机房的 IT 机柜和空 调系统的安装及控制示意图被示于图 1 中。在功率 密度为 5KW/机柜的 4252 的 IDC 机房中，共安装 8 列机柜，每列 17 台机柜、总数为 136 个，从而构成 一间由总功耗为 680KW 的 IT 机柜+10 台 100KW 空调所组成的模块化 IDC 机房。如图 1 所示，在该 机房中、形成一套含 4 条冷通道和 5 条热通道的空 调制冷系统，以便能将在 IT 设备运行时、所产生的 热量及时地从处于封闭状态的 IDC 机房中排出到 该机房之外。在这里，我们将处于活动地板“下送 风”工况下运行的空调机的回风口安装在正对着此 模块化机房的“热通道”的位置上，以便尽可能地缩 短空调的回风气流的传送距离、减小回风气流的风 阻，从而达到提高空调机组的运行效率的目的。 备的运行环境条件的 2004 版的推荐标准更新为 2008 版的推荐标准。根据此新标准，导致所推荐的 机房空调系统的温、湿度运行条件、分别发生了如 下变化： ⅰ)、允许的温度波动范围从原来的 20℃∽25℃ 展宽至现在的 18℃∽27℃。即：将 IDC 机房温度的 上限和下限、同时调宽 2℃; ⅱ) 允许的湿度波动范围从原来的 40%∽55% (RH、即：相对湿度) 展宽至现在的 5℃、DP(DP、即： 露点) ∽60% RH &15℃、DP。 由此所带来的好处是：可以大幅值地降低 IDC 机房所需配置的空调系统的总制冷量(KW)，并进而 达到：可以进一步地降低用于空调供电系统中的配 电柜的开关容量(A)、电缆的截面程以及可能与之配 套的 UPS 的容量(KVA)的目的。 图 2：数据中心用电设备的推荐运行环境条件 (b) 应重视空调系统的开机启动浪涌电流对供 电系统设计方案的影响 为确保位于 IDC 机房中的各种用电设备所需 的温度、湿度均能長期地被调控在所预置的工作范 围之内， 对于选用风冷型空调机组的用户而言，应 该在该机中安装如图 3 所示的机房空调机。如该图 所示，为了能实现：即使在机房外的环境温度明显 高于机房内的工作温度的炎热夏季、也能将由 IDC 机房内的用电设备所产生的热量有效地排出/“转 移” 到室外， 从而确保 IT 设备/网络设备的安全运 行，就必须配置专用的机房空调机。这是因为：按照 正常的热能传送的“对流”自然规律，热量是只能从 高温处传送到低温处的。然而，我们却可以利用灌 装于空调机中的制冷剂的相变吸热/放热现象+空 调压缩机的增压、升温功能就能利用空调机来执行 将热量从室内的低温处传送/“搬运”到室外的高温 处的“逆向传送”操作。为此，必须配置耗电量相当 可观的空调压缩机。因此，从某种意义上，对于空调 机而言，它实际上承担着：利用消耗一定的电能量 (KW) 的办法将 IDC 机房的用电设备所产生的热量 (KW)从机房内的低温处传送/“搬运”到室外的高温 处的“搬运工”的角色。能够描述这种能量转换功能 的空调参数是：它的能效比(EER)=(空调所产生的 总制冷量、KW)/(空调所消耗掉的总用电量、KW)。对 于风冷型空调机而言， 其典型的 EER 值为：2.6∽ 2.9 左右。它意味着：对于空调机组而言，它每消耗 掉 1KW 的电能就产生/“搬运” 2.6∽2.9KW 的制冷 量。 有关机房空调的制冷简述工作原理被示于图 3 中。对于它的详细解释，在此不再重述。感兴趣的读 者可参考相关资料。 从该图可见：我们可以将位于这种风冷型空调 机组中的几大关键部件的电气运行特性分别简述 如下： ● 在空调压缩机中、 用于将从蒸发器所输出 的低温、低压的气相制冷剂強力地压缩，并转变成 高温、高压的气相的制冷剂时、所配套的电动机; ● 在室内蒸发器中、 用于在制冷剂因发生从 常温、低圧液体转变成低温、低压气体时，所产生的 吸 热、 气 化的 相变反 应而 产 生 的 空 调 的 制 冷 量 (KW)、能被有效地输送到 IDC 机房中的各种用电设 备的入风口、所需配套的蒸发器风扇以及所配套的 电磁阀; ● 在空调室外冷凝器中、 用于在制冷剂因发 生从高温、高圧气体转变成常温、高压液体时，所产 生的放热、液化的相变反应而产生的热量(KW)、能 被有效地排出到 IDC 机房室外的大气环境中、所配 套的冷凝器风扇。 显然，从电气运行特性来讲，所有上述的空调 部件都属于电感性负载。 图 1：模块化 IDC 机房：功率密度为 5KW/机柜的 IDC 机房的设备安装布置图 设计功耗：5KW/机柜，机房面积=425m2 共安装 8 列机柜，每列 17 台机柜=136 机柜、总功耗=680KW， 配 10 台 100KW 空调。 众所周知， 为了确保位于 IDC 机房中的 IT 设 备/网络设备能長期、安全、可靠地运行的前提条件 之一是：必须長期、连续、稳定地确保这些用电设备 的环境工作温度、湿度被控制在合适的工作范围之 内。 按照国家电子信息机房标准 （GB/T 501742008), 对于重要的 A 级和 B 级 IDC 机房而言，推 荐的机房运行温度和湿度分别是：23°±1°和 40%∽ 55%(RH)。近年来，为了能尽可能地滿足用户所期望 的、 尽可能地降低机房空调的能耗的客观需求，IT 设备/网络设备制备厂家为此所釆取了一系列的技 术改进措施，从而带来了这些用电设备所容许的安 全工作的温度和湿度的波动范围被不断地展宽的 现实。例如：对于服务器而言，它所允许的入口温度 已从原来的 23°左右被提升到 27°左右。 如图 2 所示， 根据空调的国际权威组织 ASHRAE 的建议：它已将原适用于 IDC 机房用电设 图 3：机房空调机的制冷的调控原理 一套水冷式的冷冻水中央空调系统的典型配 置被示于图 4 中。它主要四大部件所组成： （ⅰ）由冷却塔+冷却水泵+冷却水供水管和回 水管所组成的空调冷却水供应系统。典型的冷却水 的送水和回水温度分别为：32℃和 37℃； （ⅱ）由冷冻水空调主机+冷冻水泵+冷冻水供 水管和回水管所组成的空调冷冻水供应系统，冷冻 水空调主机的冷冻水的典型送水和回水温度分别 为：7℃和 12℃； （ⅳ）由分水器+空调处理机（即：末端冷冻水空 调）+风机盘管+集水器+冷冻水泵所组成的空调制 冷量（KW）分配系统，其冷冻水的典型送水和回水 温度分别为：7℃和 12℃。 在这里，需要说明的是：对于冷冻水型的空调 机系统而言，为确保它的冷却水供应系统和冷冻水 供应系统均能稳定、可靠地运行，在它们的冷却水 泵和冷冻水泵的设计中，经常采用由两台同功率的 水泵所组成的、按“一主、一备”冗余式工况运行的 水泵系统。 对于在这种水泵系统所用的电机而言， 因用户的设计需求的不同， 可以选用常规的 50Hz 定频水泵、也可以选用变频水泵。 从图 4 可见：对于在冷冻水空调系统中、所使 用的压缩机、各种泵以及各种风扇来说，它们同样 也均属于电感性负载。 图 4：水冷式的冷冻水中央空调系统的配置示意图 由于在当今的风冷型空调中、所配置的圧缩机 是制冷量基本恒定的、普通涡旋压缩机,并非“制冷 量可动态调节”的数码涡旋压缩机。因此，对于这些 空调机组而言，它们制冷量的额定输出值(即：产品 的总制冷量的 KW 值)是固定不变的。在此条件下， 为确保受其调控的 IDC 机房的环境温度始终处于 尽可能地相对稳定的恒温状态(典型值：允许的温 度波动范围为≤±1℃)。为达此目标，目前，可供我们 选择的调控方式是：让这种空调机周期性地运行在 “开机”和“关机”的间隙性工作的工况之下。此时， 它根据所检测到的回风温度的高低和波动的实况 来实时地调节空调机分别处于的“开机运行”的持 续期 ton 的長短和“停机运行”的持续期 toff 的長短 的办法来调控 IDC 机房的室内温度的恒温精度。 相关的空调运行的统计资料显示：对于采用单 压缩机设计方案的机房空调机而言， 它在 1 年之 内、 需要压缩机轮流地执行的“开机启动运行”操 作、“关机停止运行”操作的次数约为 2.9 万∽3.8 万 次左右。对于采用双压缩机设计方案的机房空调机 而言，它在 1 年之内、需要压缩机执行的“启、停操 作”次数为 2.1 万∽2.8 万次左右。众所周知：对于由 电动机驱动的空调机的压缩机和风扇而言，当在它 们在执行开机启动操作的瞬间、是会在空调的供电 线路中、产生幅值远大于其稳态工作电流的开机启 动浪涌电流（注：它的开机启动浪涌电流为 4∽7 倍 的稳态工作电流,推荐的开机启动浪涌电流的设计 值为：6 倍的稳态工作电流）。 在此背景下，当我们在设计 IDC 机房空调的供 电系统中时，必须在充分考虑电动机的开机启动电 流和偶尔可能产生的“堵转电流”大小的前提下，选 择符合实际运行工况的、 性价比最佳的过流/短路 保护电路的设计方案以及相应的断路器开关的容 量和型号，防止留下故障隐患。 鉴于当今用安装于 IDC 机房内运行的机房空 调机组的标称满载电流（FLA）基本上都≤100A 的 现实（见表 1）。一般说来，只需选用容量为 25A∽ 125A 的微型断路器开关(MCB)就可滿足技术需要。 在此条件下， 为防止出现在空调被开机启动的瞬 间、因它的“输入启动浪涌电流”过大而发生微断开 关“误跳闸”的故障隐患。建议：选用适合于驱动小 型电机负载的、带 K 级脱扣特性的微断开关，不宜 选用适合于接通较大电流的导线/电缆以及 IT 设 备/网络设备型负载的、 带 C 级脱扣特性的微断开 关。这是因为：对于前者来说，它的脱扣跳闸电流= 10∽15 倍 In；对于后者来说，它的脱扣跳闸电流= 5∽10 倍 In。 有关涉及到在驱动中、大型电动机负载的供电 系统中，如何选择不同的开机启动的设计方案的内 容（注：可供选择的设计方案有：直接启动、Y/Δ 启 动、软启动以及变频启动等），请见后续的相关讨论。 对于带 EC 风机的冷冻水空调和数码涡旋数缩 机+EC 风机的空调而言，它们并不存在开机启动浪 涌电流问题。由此可见：当我们在为空调设计供电 系统时，应根据所选用的不同类型的空调来设计相 关的供配电方案。 表 1：风冷空调和冷冻水空调的典型运行参数 在此还需说明的是：当我们在设计空调的供电 系统时，不仅需要考虑各种空调的不同开机启动特 性。 而且， 还要考虑它们的输入电流谐波含量的 THDI 值和输入功率因数的 PF 值的大小和符号。相 关的检测数据显示： 对于三相供电的空调产品而 言，它们呈现出电感性的运行特性，它的 PF 值的符 号为正。对于单相供电的空调产品而言，却呈现出 电容性的运行特性，它的 PF 值的符号为负。在这里 需特别说明的是： 对于 PF 值的符号为负的电容性 负载而言，易会对备用发电机的安全运行带来不可 忽视的威胁。 (c) 应重视 IT 机柜的功率密度高低对供电系 统的设计方案的影响 在空调供电系统的设计工作中、所需考虑的另 一个问题是：IDC 机房中的 IT 机柜的功率密度高低 对所选用的供电系统的设计方案的影响。有关高功 率密度 IT 机柜的发展趋势及其对空调系统的运行 特性的影响被示于图 5 中。 图 5：机柜功率密度的高低对机房空调 运行特性的影响 由于当今的信息化社会对信息资源共享的需 求量的急剧增长，要求被安装于 IDC 机房内的各种 IT 设备和网络通信设备必须具有越来越强的数据 处理能力、越来越快的运算速度和越来越宽的传输 带宽。为了满足如此高速增長的信息化产品的市场 需求，IT 设备及网络通信设备的生产商开发出功率 密度越来越高的产品，随之而带来的显著变化之一 是：单机柜的功耗越来越大和单机柜的发热量越来 越高。在此背景下，我们所可能遇到的麻烦是：机柜 的通风散热问题变得越来越严重的、机柜的温升越 来越高。 如图 5a 所示， 服务器及存储设备的功耗已从 90 年代的 0.2∽2KW/机柜增长到当今的 5∽40KW/ 机柜，单机柜的功耗增長高达 20 倍以上。由此所带 来的巨大负面影响是： 机柜的发热量的急剧增大、 温升更高。 2009 年相关的资料显示(见图 5b)：同过去的< 1KW/机柜的低功率密度的 IDC 机房相比， 在当今 的 IDC 机房中，它的单机柜的平均功率密度(KW)增 大不少。例如：在亚太地区的 IDC 机房的单机柜的 功 率密 度的 典型 分 布 范 围 已 达 2 -4KW 左 右 ， 在 USA 地区的 IDC 机房的单机柜的功率密度的典型 分布范围为 4-8KW 左右。此外，位于这些 IDC 机房 中， 还存在相当数量的高功率密度的机柜 (>10∽ 36KW/机柜)。 在此需说明的是： 在笔者近期所遇到的新建 IDC 机房设计中，相当多的 IDC 机房的单机柜的设 计功率密度巳达 5KW/机柜的数量级。显然，在此背 景下， 如不采取必要的技术措施， 则极易出现因 IDC 机房的整体环境工作温度“过高”、在部份机柜 中因出现“局部热島”现象而导致这些机柜的温升 “过高” 或者因位于同一机柜中的部份服务器和交 换器的温升“过高”等因机柜级的“散热不良”而引 发的“热保护宕机”故障隐患。 根据 IDC 机房的空调运行统计资料，我们可得 到如表 2 所示的单机柜的功率密度 （KW/机柜）与 空调所允许的停机时间/停机维修时间之间的变化 关系。在此需说明的是：如果空调系统的实际停电 时间超过“它所允许的停机时间”的话，就会导致 IT 机柜的温度超过 40℃的事件，由此所可能带来的恶 果是：IT 设备将进入“热保护型的自动关机”状态， 并进而迫使 IDC 机房进入持续期、可能長达几十分 钟∽几小时的瘫痪工作状态。 表 2：单机柜的功率密度（KW/机柜）与空调系统“所 允许的停机时间”之间变化关系 功率密度（KW）/机柜 1KW 4.8KW 9.6KW 14.4KW 18.5KW 允许的空调停机时间 270 分 26 分钟 8 分 30 秒 2 分 30 秒 <1 分 从上表可见： 当 IT 机柜/网络机柜处于<1KW 的低功率密度的工作状态时，一旦空调系统本身因 故需执行“停机维修”操作或它的供电系统因故出 现“長时间的停电”故障时，由于 IDC 机房所允许的 空调系统的停止运行时间長达数小时之久。在此条 件下，一般说来，对于机房的值班维护人员而言，所 留下的维修时间还算是“相当充足的”。然而，当 IT 机柜/网络机柜的功率密度≥10KW/机柜时， 此时， 由于 IDC 机房所允许的空调系统的停止运行时间 仅为几分钟的数量级。显然，在此条件下，对于值班 维护人员来说， 是完全不可能在如此短的时限内、 再通过“人工现场检修”的办法来及时地排除空调 的故障或排除单电源输入供电系统的故障的。因 此，为确保 IDC 机房的安全运行，要求所设计的空 调及其配套的供电系统必须具有如下的优异的“冗 余运行”特性： ● 当我们在为 IDC 机房的空调系统设计它所 需的总制冷容量（KW）时，对于选用分散制冷型的 风冷空调系统的用户而言，应该釆用按 N+1/N+2 工 况运行的冗余型设计方案；对于选用冷冻水型的中 央空调系统的用户而言，宜釆用由两路相互独立的 冷冻源所组成的容错型空调系统的设计方案或选 用双水路冗余制冷的设计方案； （下转第 3 版） 广东省深圳市南山区科技工业园科发路 1 号 艾默生网络能源有限公司(518057) 电话:0755-86010905 传真 ： 0755-86152337 投稿信箱:[email protected] 第八期 2013 年8 月 20 日 星期二 主编 丁麒钢 编辑 黄晟 ● 对于空调系统的输入电源的 上接第 2 版） 供电系统而言， 必须釆用由两路电源输入+ATS 开 关的冗余型的供电设计方案： 由两路市电输入+ ATS 开关所组成的双电源供电方案； 由一路市电+ 一路 UPS 电源+ATS 开关所组成的双电源供电方 案； 由两路 UPS 电源+ATS 开关所组成的双电源供 电方案。 几种常见的空调用双电源输入供电系统被示 于图 6 中。在这里，两路输入电源被首先馈送到可 执行自动切换操作的 ATS 开关，用户可以指定其中 一路为优先供电电源、另一路为备用电源。正常工 作时，由优先供电电源向空调供电。当优先供电电 源因故出现故障时，在 ATS 开关的调控下，改由备 用电源向空调供电。由于 ATS 开关的切换时间仅为 秒级数量级，它是远短于空调系统“所允许的停电 时间”的。大量的空调运行实践表明：这种双电源输 入供电系统是完全可以确保空调系统的安全运行 的。 图 6：常见的空调双电源输入供电系统的示意图 (d) 在越来越多的 IDC 空调的供电系统中，选 配 UPS 供电的设计方案 近年来， 在我们的工作实践中发现： 为确保 IDC 中的 IT 设备/网络设备不会因出现温升过高而 进入“ 热宕机保护”的自动关机状态，应在如下类型 的 IDC 空调的供电系统中， 选用 UPS 供电设计方 案： ⅰ)、因 IDC 机房所在的运行场所、存在噪声限 制，不允许配置可能出现“噪音扰民”问题的备用发 电机的 IDC 机房; ⅱ)、 在采用风冷型空调制冷系统的中、 小型 IDC 机房中(见图 1)，为增强空调系统的可维护性而 在部分机房空调的供电系统中、 配置按 ECO 工况 运行的 UPS 供电系统， 以便为 IDC 机房的正常运 行/维修操作赢得更長的“允许空调停机时间”/维修 操作时间。 ⅲ)、 在采用冷冻水型空调的集中制冷系统的 中、大型的 IDC 机房中(见图 4)，为增强空调系统的 可维护性而在它的冷却水泵、冷冻水泵、冷冻水空 调处理机的供电系统中、 配置按 ECO 工况运行的 UPS 供电系统， 以便为 IDC 机房的正常运行/维修 操作赢得更長的“ 允许空调停机时间”。 在此需说明的是：同能效比仅为 3 左右的风冷 型空调室内机相比，对于安装在 IDC 机房内的冷冻 水室内空调机而言，其能效比高达≥30 左右。因此， 推荐：在当今的中、大型 IDC 机房中，为这些冷冻水 室内空调机配置 UPS 供电系统，其原因是：性价比 高，花较少的钱、就能大幅度地提高空调系统的可 利用率。 综上所述，为确保 IDC 机房的空调系统能長期 安全、可靠地运行，应该为它配置如下具有高性价 比、高可利用率的供电系统： ⅰ) 配置由两路输入电源+ATS 开关所组成的 冗余式供电系统; ⅱ) 宜在为空调系统中的关键部件的供电系 统中、配置按 ECO 工况运行的 UPS 电源; ⅲ) 为确保空调供电系统的安全运行，应充分 评估不同空调产品的输入运行特性对所设计的供 电系统的影响，以免留下故障隐患。此时，建议应考 虑的主要输入运行特性有：它们的开机启动浪涌电 流、输入电流谐波含量的 THDI 值、输入功率的 PF 值的大小及其正、负符号等。 (2) 对各种空调产品的“开机、关机”运行特性 及输入谐波特性的技术评估 (a) 风冷空调的输入运行特性 1）、风冷空调的“ 开机、关机”输入特性 制冷量分别为 70KW 的三相供电的风冷空调 的开机启动和关机的输入电压和输入电流随时间 变化的实测曲线图被分别示于图 7 中。 图 7：70KW 带双压缩机的风冷空调的开机启动特性 （在风机的开机启动时间、压缩机-1 的开机启动时间和压缩机-2 的 开机启动时间之间实现合理延迟间隔） 如图 7 所示， 当我们在对这台带双压缩机的、 70KW 的风冷空调机执行关机操作时， 该机釆用的 是先关压缩机、再经适当的时间延迟时后、再关风机 的操作方法。在此期间既无输入浪涌电流、也不存在 输入电压的明显波动。当我们在对此帶双压缩机的、 70KW 的空调机执行开机操作时， 它是按照如下的 操作程序来自动地执行该空调的开机操作的：首先 按照用户原来所预定的开机延时间、压缩机-1 的启 动时间和压缩机-2 的启动时间， 在所指定时刻，按 欢迎投稿 ， 稿酬从优 电话 ：0755-86010905 艾默生网络能源技术 3 EMERSON NETWORK POWER TECHNOLOGIES 照先开启风机的输入电源、再开启压缩机-1 的输入 电源、最后开启压缩机-1 的输入电源的顺序来执行 自动开机操作。釆取这种延迟、分期启动的办法后， 由于可将空调机中、可能产生大启动浪涌电流的三 大部件的浪涌电流的峰值出现的时刻“错开”，从而 可以达到大幅度地降低由空调整机所产生的浪涌 电流对它的输入电源的 “ 冲击”。如上图所示，在此期 间，我们可以在风机开机的瞬间、压缩机-1 启动的 瞬间和压缩机-2 启动的瞬间分别观察到 3 个电流 峰值相当可观的浪涌电流。与此同时，可以看到在此 期间， 对于输入电压而言， 它并不会出现明显的波 动、仍然处于相对稳定的工作状态之下。 由此可见： 如果我们能充分地利用空调产品所 设计的开机延迟功能的话 （它包括： 风机的开机延 迟、各台压缩机之间的分段启动功能），就可以极大 地 “ 缓解/消除”由于空调机所产生的幅值很大的浪涌 电流对位于供电线路中的断路器保护开关发生“ 误 跳闸” 的故障隐患以及对输入电源可能产生的“冲 击”和干扰。相反，如果在空调的安装/调机时，因故忽 视此保护功能或因开机参数设罝不当的话， 就可能 会“加重”因多台空调的开机浪涌峰值电流出现“同 时重叠”而可能对输入电源所产生的负面影响。 为说明问题，现举例如下：在我们机房空调的 评估检测中，曾发现如下案例： 如图 8 所示， 在对带双压缩机的 100KW 风冷 空调、执行在线关机和开机的操作的评测中，观察 到： 由于现场开机工程师的开机参数设置欠佳，导 致该空调机组的风机的开机启动时间与压缩机-1 的开机启动时间非常接近的现象。 图 8：100KW 带双压缩机的风冷空调的开机启动特性 （空调机组的风机的开机启动时间与压缩机-1 的 开机启动时间非常接近） 下面，我们将探讨单相供电的风冷空调的输入 运行特性。如图 9 所示，对于带单压缩机的 12KW 风冷空调而言，当我们在对它执行在线关机和开机 的操作的测评中，观察到：由于现场开机工程师的 开机参数设置不当，导致该空调机组的风机的开机 启动时间与压缩机的开机启动时间被错误地设置 为“完全重叠在一起”的现象。 图 9：12KW 的 D 型风冷空调的开机启动特性 （空调机组的风机的开机启动时间与压缩机的 开机启动时间被“ 错误地重叠在一起”） 2）、风冷空调的输入谐波特性 对于绝大多数风冷空调而言，可将它们的典型 输入谐波特性示于图 10 中。 对于所检测的帶双压 缩机的 70KW 风冷空调而言，它们的输入功率因数 的 PF 值=0.78，Cosф=0.79。由于它的输入电流波的 相位滞后于它的电压波的相位。所以，对于这类空 调产品而言，它们属于电感性负载。从电气运行特 性上讲，它是一种相移性的非线性负载，其典型特 征是：不会产生电流谐波，只会产生相位移。有关此 论点可以从所检测到的数据得到验证： ● 输入 电流 谐波 含量 的 THDI 极 小 、 仅 为 2.7%数量级(注：该值与市电电网本身的 THDI 值基 本相同) ● 输入电流波的相位滞后于它的电压波的相 位=37.8° 图 10：70KW 带双压缩机的风冷空调的输入谐波特性 在少数的单相供电的、小型风冷空调的输入谐 波特性的评测中，曾观察到如下“异常”波形。1 台 7.5KW 的 D 型单相风冷空调的输入谐波特性被示 于图 11 中。对于这种空调产品而言，不仅它的输入 功率因数的 PF 绝对值偏低、仅 0.51 左右。而且，对 于其输入电源而言，它呈现出电容性负载的的典型 运行特性。这是因为：它的输入电流波的相位超前 于它的电压波的相位约 58°。如果在 IDC 机房中，出 现大量的、输入功率因数很低的带电容性运行特性 的负载的话，它所可能带来的负面影响有： ⅰ）迫使市电电源运行在输入功率因数变成为 电容性的工况之下，从而致使市电电源的可利用率 下降，并进而可能出现电力局要求用户另交“惩罚 性”的附加电费的局面； ⅱ）导致备用发电机无法正常工作。 上述数据显示，为避免出现空调变成电容性的 负载。建议：对于具有市电供电条件的用户而言，应 尽量选用三相供电的机房空调产品。除非客观条件 不允许，不宜选用单相供电的机房空调产品。 图 11：7.5KW 的 D 型单相供电的风冷空调的 输入谐波特性 根据笔者所检测的多台空载的开机启动特性， 可以综合得到如下的风冷空调的穩态和峰值启动 电流的统计数据，供用户/设计院参考。 表 2：风冷空调的开机启动电流参考值 风机启动 压缩机-1 压缩机-2 输入电流参考基准 稳态电流 启动电流 启动电流 电流 FLA（滿载电流）I FLA 50%* I FLA 65%* I FLA 180%* I FLA 250% *I FLA 稳态工作电流 I 稳 100%*I 稳 130%*I 稳 360%*I 稳 500%*I 稳 从上表暗示：当我们在为空调的供电系统中的 断路器开关（A）或 UPS（KVA）选配容量时，不宜直 接釆用 6 倍 FLA 值的设计方案，以免致使出现如下 现象： ● 因输入断路器开关的容量选择“过大”，导 致当空调因故出现过载工況时，断路器开关“不跳 闸”、丧失过载保护功紕； ● 因 UPS 的容量选择“过大”，造成不必要的 投资成本增高和 UPS 运行效率的下降。 (b) 数码涡旋压缩机型风冷空调的输入运行特 性 1）、 数码涡旋压缩机型风冷空调的“开机、关 机”输入运行特性 对于配置传统的涡旋压缩机的空调机而言，由 于该压缩机只有恒定制冷量（KW）输出的能力。此 时，为了使得 IDC 机房内的工作温度、在遇到 IT 设 备/网络设备的功耗随其数据处理量大小的变化而 变化时以及随着 IDC 机房的室外环境温度的变化 而变化时， 均能确保处于相对稳定的工况下运行 （例：23℃±1℃）。 此时， 唯一可供选择的调控手段 是：根据所实测到的 IDC 机房的实际温度和波动范 围的不同，让这种空调机循环性地、不停地分别调 节执行开关操作和关机操作的持续时间的長短及 其相对比例。如上所述，每当空调机重新执行一次 开机操作时，就会发生一次由它的开机启动浪涌电 流对输入电源的冲击和扰动。 相关的统计资料显 示，在 1 年中，每台空调所可能执行“启、停”操作可 达 2∽3 次的数量级。 相反， 对于釆用数码涡旋压缩机的空调而言 （见图 12），由于在其运行中，只要它被开机启动后， 它的压缩机将一直处于开机工作状态、无需频繁地 执行“启、停”操作。因此，可以避免上述的、存在于 传统涡旋压缩机的空调机中的开机启动电流的“冲 击”问题。有关它的调控制原理可简述如下： 对于数码涡旋压缩机而言， 利用它的 PWM 电 磁阀来分别对其压缩机执行的“轴向关闭”或“轴向 开启”操作的办法，从而使得它的“调节腔”分别处 于高压工作状态或低压工作状态。 当 PWM 电磁阀 处于“轴向关闭”工况时，数码涡旋压缩机的“调节 腔”处于高压工作状态。此时，它的“定涡旋盘”压紧 “动涡旋盘”, 空调的压缩机处于“加载”工作状态。 这样一来，这台空调的压缩机就按照传统的“定速 压缩机”类似的工况正常地运行着、空调向外输送 满载的额定制冷量(KW)。反之，当 PWM 电磁阀处 于“ 轴向开启”工况时，数码涡旋压缩机的“调节腔” 处于低压工作状态。此时，空调的“定涡旋盘”因“被 吸引”而向上移动，从而导致它的“定涡旋盘”与“动 涡旋盘”被分离开来。在此条件下，这台的压缩机 “动涡旋盘” 将进入空转运行状态， 从而迫使它的 压缩机处于“卸载”工作状态。相关的实验数据显 示：在卸载状态下，由于它压缩机处于“空转”工况。 此时数码涡旋压缩机空调的功耗很小，仅为其满载 功率的 10%左右。 综上所述，采用数码涡旋压缩机空调后，不仅可 以消除掉空调所可能遇到的开机启动浪涌电流的 “ 冲击”问题，从而提高其“节能降耗”指标。而且，还 能大大地提高 IDC 机房的温度调控精度。其原因是： 同普通的涡旋压缩机空调的以小时数量级为单元的 调控周期相比， 数码涡旋压缩机空调的调控周期仅 为 15 秒左右,使得其调温灵感度得以明显地改善。 图 12：数码涡旋压缩机型风冷空调的制冷调控原理 一台 35KW 数码涡旋压缩机型风冷空调的开 机启动特性以及它进入稳态工况下运行后的输入 电压和输入电流---时间关系图被分别示于图 13 和 14 中。 从图 13 可见：该空调的输入“延时缓启动”调 控功能可大致被分为两阶段： ⅰ）输入电压的“延时缓启动”阶段： 当我们在对该空调执行开机操作之后，其延迟 等待时间约为 2 秒左右。此后，它的控制线路还需 再花费 13.8 秒来执行其输入电压的“缓启动”操作， 在此期间， 空调机的输入电压从 0V 逐渐爬升到市 电输入电压 224.9V。这就意味着：对于这台空调而 言，它执行输入电压“延时缓启动”操作的总耗时 约为 15.8 秒左右; ⅱ) 输入电流的“延时缓启动”阶段： 对于这 台空 调来 说 ， 当 它 的 输 入 电 压 达 到 224.9V 稳定值后，还需再等待 144 秒来：让它的所 有控制线路及其相关的辅助电路都确认：已进入稳 定工作状态之后，才去开机启动它的 EC-风扇冷却 系统。此后，再延时约 9.4 秒才去开机启动它的数码 涡旋压缩机系统。这就意味着：对于这台空调而言， 它执行输入电流的“延时缓启动”操作的总耗时约 为 153.4 秒左右。在此期间，可以观察到：它的 EC风扇冷却系统和数码涡旋压缩机系统的开机启动 浪涌电流分别为 21.5A 和 25A 左右。在考虑到其输 入平均稳态工作电流为 10.5A 的条件下，它的 EC风扇冷却系统和数码涡旋压缩机系统的开机启动 浪涌电流分别仅为其平均稳态工作电流的 2.04 倍 和 2.38 倍左右。 如图 14 所示， 一旦数码涡旋压缩机空调系统 被开机启动以后，它就将一直处于连续不断运行的 工况之下。在此期间，它根据所检测到的 IDC 机房 的实时运行温度， 釆用 PWM 型的调控方式来实时 地调节它的压缩机的“加载时间 ton”和“卸载时间 toff” 之间的比率来高精度地调节 IDC 机房的实时 工作温度(注：如图 12 所示，在 ton+toff=T 为 15 秒 的条件， 其调控温度精度可达≤0.01℃的数量级)。 有关此论点， 可从如图 14 所示的进入稳态运行工 况后，在它的毎个调控周期内，它的 PWM 型“加载 输入电流脉冲”的宽度 ton 均在实时地、不停地进行 调节的工况来得到证实。 综上所述，可以得出结论：同传统的涡旋压缩 机型空调系统相比，对于数码涡旋压缩机型空调系 统而言， 由于它无需频繁地执行空调整机的“启、 停”操作问题。当然，就不会存在开机启动浪涌电流 对输入电源的冲击和干扰问题。 图 13：35KW 数码涡旋压缩机型风冷空调的 开机启动特性 2）、数码涡旋压缩机型风冷空调的输入谐波特 性 在此需说明的是：对于数码涡旋压缩机型空调 系统来说，由于它必须时刻不停地、动态地调节它 的数码涡旋压缩机的“加载脉冲的宽度 ton” 的长 短。在此条件下，导致其输入电流谐波含量的 THDI 值和输入功率因数的 PF 值均不可能是一个稳定 值。相反，所有这些电源输入参数均处于时刻不停 的变动之中。 相关的检测数据显示：它的输入功率的 PF 值、 并非是一个相对固定的常数。相反，它是处于时刻 变动的工作状态之下的， 它的 PF 值的变化范围约 为：0.4∽0.83(滞后)左右。这是因为：当数码涡旋压 缩机处于“加载”工况时，压缩机处于带载工作状 态。当数码涡旋压缩机处于“卸载”工况时，压缩机 处于空载工作状态。我们知道：对于电动机负载而 言，当它处于空载工作状态时，由于此时所需的有 功功率(KW)很小，此时在它的输入视在功率（KVA） 中，几乎都是无功功率(KVar)。因而，在此期间内，它 的输入功率因数的 PF 值必然较低。为此，期望：设 计院在设计/规划专供这种空调的供电系统用的电 容型无功功率因数补偿柜时、应充分考虑到这一特 殊工况的技术需求。当然，对此用户也不必过于担 心，其原因是： ⅰ) 由于数码涡旋压缩机型空调本身所具有 的高节能性，它所需的输入功耗较小； ⅱ）对于所有由呈现电感性运行特性的数码涡 旋空调所产生无功功率（KVar）而言，我们均可以利 用位于供电系统中的电容性的“无功功率因数补偿 柜”来进行调节，从而确保 IDC 机房供电系统的总 输入功率因数的 PF 值能达到≥0.95(滞后)的技术 指标。 相关的检测数据显示：数码涡旋压缩机型空调 的电流谐波含量的 THDI 值的变化为：16%∽28% 左右，它所包含的输入电流谐波分量有：3 次、5 次、 7 次、11 次和 13 次等谐波分量。最大的输入电流谐 波分量为 5 次谐波 。 它的 输入 电压谐 波含 量的 THDV 值较小。一般都小于 1%。 图 14：35KW 数码涡旋压缩机型风冷空调的 输入电压和电流-时间关系图 （下转第 4 版） 印刷单位：深圳大公印刷有限公司 地址：深圳市南山区东滨路 66 号 4 (c) 带 EC 风机的冷冻水型空调 上接第 3 版） 的输入运行特性 1）、带 EC 风机的冷冻水空调的“开机、关机”输 入运行特性 一套典型的冷冻水型空调系统的设备配置示 意图被示于图 4 中。在这里，我们首先讨论位于该 空调系统中的、安装于 IDC 机房内部的冷冻水空调 处理机(注：这就是我们常说的冷冻水型机房空调 机)。在这种空调机中、主要包含两大部件：冷冻水 型的蒸发器及 EC 风机。 冷冻水型空调用 EC 风机的控制原理图被示 于图 15 中。 图 15：空调用 EC 风机的控制原理图 三相市电交流输入电源先后经抗高频电磁干 扰的 EMI 滤波器、由三相全波整流器+直流滤波电 容所组成的 50Hz 整流滤波器以及用于输入功率因 数 校 正 的 PFC 调 控 器 后 、 被 变 换 成 幅 值 高 达 300Vdc 左右的高压直流电源。 该高压直流电源再 经由 μC 控制器+互补型 IGBT 功率放大器所构成 的 PWM 型 DC/DC 变换器所组成输出电压值连续 可调的 DC 电源。 这样的幅度动态可调的 DC 电源 被 馈 送 到 EC 风 机 中 的 三 极 PMSM(Permanent Magnet Starting Motor)永磁同步电动机上，并进而 驱动/调节 EC 风机的转速高低。在此条件下，EC 风 机中的 μC 控制器、可根据所实测到的 IDC 机房的 温度与原来所预设的机房标称工作温度之向间的 差值 δt 的绝对值的大小和符号(注：正 δt 代表实测 温度偏高、负 δt 代表实测温度偏低)、按照负反馈的 调控原理来调节 EC 风机的转速高低。 当所检测到 的温度偏差的正 δt 值较大时，则可通过调高 EC 风 机的转速，增大 EC 风机的送风量、增加输送到 IDC 机房中的制冷量的办法来执行温控调节，从而达到 将 IDC 机房温度适当地调低的目的。反之亦然。 图 16：带 EC 风机的 150KW 冷冻水空调的 输入电流-时间关系 1 台带 EC 风机的 150KW 冷冻水空调的实测 输入电流与时间之间的变化关系图被示于图 16 中。在这台空调中、内置有 3 台 EC 风机。如上图所 示，除了在刚闭合空调的输入开关的瞬间、曾观察 到持续期很短的“闭合”浪涌电流之外，我们还可以 观察到如下的运行工况： 为了降低这种空调的“开机启动”输入浪涌电 流，对于这三台 EC 风机来说，它们在空调控制线路 的调控下，釆取分三次、延迟启动的办法来自动地 完成其开机操作的流程。在此条件下，我们可以非 常清晰地观察到： 由此所形成的三条输入电流的 “缓慢爬升”曲线，它的输入电流的总爬升时间约为 156 秒左右。 在这里，我们还可以看到：在此期间，在它的第 三台 EC 风机开机启动时、 所产生的最大浪涌电流 的幅值也仅为它的稳态工作电流的 119%左右。如 果再考虑到： 在带 EC 风机的冷冻水空调的正常运 行期间， 空调机的 EC 风机是一直处于连续不断的 运行工况下工作的。因此，从技术应用的角度看，完 成可以将带 EC 风机的冷冻水空调、 看成是不会产 生输入启动浪涌电流的负载。 2）、带 EC 风机的冷冻水空调的输入谐波特性 带 EC 风机的 150KW 冷冻水空调的实测输入 谐波特性被示于图 17 中。 对于熟悉三相整流滤波 器的用户而言，可以看出：它的输入电流波形呈现 出三相全波整流滤波器所特有“马鞍形”的电流波 形，与 6 脉冲整流型 UPS 的输入电流的谐波特性非 常相似。由此所带来的恶果是：它的输入电流谐波 含量的 THDI 值偏高、已达 32.8%左右，最大的输入 电流谐波分量为 5 次谐波，它的 THDI 值=24.5%。 上述数据显示， 在这种空调的 EC 风机控制线 路中、所配置的输入功率因数校正(PFC)部件的谐 波滤除性能较差。在实际应用中，还有必要在这种 带 EC 风机的冷冻水空调的输入供配电线路中、增 配电流谐波治理装置，以免对上游侧的输入电源造 成“ 谐波污染”。 图 17：带 EC 风机的 150KW 冷冻水空调的 输入谐波特性 欢迎投稿 ， 稿酬从优电话 ：0755-86010905 艾默生网络能源技术 EMERSON NETWORK POWER TECHNOLOGIES 在这里需说明的是： 由于在这种带 EC 风机的 冷冻水空调中、无需压缩机，它的耗电部件仅为三 台 EC 风机+空调的控制线路。同三台 EC 风机的功 耗相比，其控制线路的功耗很小，基本可以忽略不 计。相关的检测还显示：对于这台 150KW 的冷冻水 空调而言，它的实测电功耗为：6.81KW。在此条件 下，它的能效比的 EER 值高达 22 以上。同 EER 值 仅 3 数量级风冷空调的室内机相比， 它的 EER 值 是相当高的。 正是基于这种带 EC 风机的冷冻水空 调所具有的优异的节能、降耗特性。 建议：在选配这种空调的中、大型 IDC 机房中， 尽量在冷冻水空调室内机的供电系统中、 选用按 ECO 工况运行的 UPS 供电设计方案。这是因为：它 具有很高的性价比。它意味着：我们仅需花较少的 銭来配置较小容量的 UPS 电源产品和耗费较少的 电费来维持空调系统的正常运行的条件下，就可以 达到大幅度地提升机房空调系统的可利用率的目 的。 (d)采用 Y/Δ 启动设计方案的冷冻水空调主机 水泵的输入运行特性 1）、采用“Y/Δ 缓启动器”电路设计方案的回水 泵电机的“开机、关机”输入运行特性 在 TXXX IDC 机房用风冷型的 1410KW 冷冻 水空调主机中、所配置的采用 Y/Δ 启动设计方案运 行的 30KW 回水泵电动机的“开机、关机”实测输 入运行特性图被示于图 18 中。从该图可见：为了减 小因釆用直接驱动设计方案而导致水泵电机在开 机启动时、 所可能产生的幅值高达 5∽8 倍的稳态 工作电流的开机启动浪涌电流对空调的输入供电 系统所产生的有害“冲击”和干扰，在这台水泵的供 电线路中、 配置了一套 Y/Δ 型的开机“缓启动”装 置。在此条件下，当这台水泵电机在执行 Y 型的开 机启动操作的期间、它所产生的“开机启动浪涌电 流”约为它的稳态工作电流的 2.55 倍，此浪涌电流 的持续时间约为 4.9 秒左右。 当这台水泵在执行 Δ 型的开机启动操作的期间、它所产生的开机启动浪 涌电流约为它的稳态工作电流的 2.5 倍左右，这种 浪涌电流的持续时间约为 0.8 秒左右。 上述实测数据证实：同釆用直接驱动设计方案 的水泵电动机的开机启动浪涌电流相比，采用 Y/Δ 型的“缓启动”设计方案后，几乎可以使得水泵电动 机的开机启动浪涌电流的幅值下降 1/2 左右、效果 相当明显。 2）、釆用“Y/Δ 缓启动器”设计方案的水泵电机 的输入谐波特性 TXXX IDC 机房的冷冻水空调主机 的 30KW 回水泵的实测输入谐波特性被示于图 19 中。 从该 图可见：这台 30KW 回水泵的输入电流谐波含量的 THDI 值很小，仅为 0.5%。它的输入功率因数的 PF 值=0.87(滞后)左右。所有这些数据均充分显示：冷 冻水空调主机的回水泵是一种不会产生任何电流 谐波干扰的相移性的非线性负载。 图 18：TX IDC 机房的冷冻水空调主机的、采用Y/Δ 启动的 30KW 回水泵电机的Y/Δ启动电流-时间关系 图 19：TX IDC 机房的冷冻水空调主机的、采用 Y/Δ 启动的 30KW 回水泵电机的输入谐波特性 (e) 采用变频水泵设计方案的输入运行特性 同采用上述的釆用“ 50Hz 定频”电动机型水泵 设计方案的空调系统相比，对于釆用变频电机型水 泵设计方案的空调系统而言，我们可以很方便地根 据 IDC 机房的实时所需的制冷量大小的变化来调 节流经冷冻水空调的供冷管道中的水的流量的大 小， 从而达到既能精准地调控机房的运行温度，又 能收到高效的节能降耗的目的。这是因为：对变频 水泵电动机而言， 当它处于部分带载工况下运行 时，随着 IDC 机房所需的制冷量（KW）的“下降”，需 要变频水泵向冷冻水型室内空调提供的冷冻水的 流量必须随之而减小。此调节功能将会通过降低变 频水泵电机的转速来完成冷冻水的动态型变流量 的控制来实现。对于熟悉变频水泵电机的人士而言 均可知：同釆用“ 50Hz 定频”水泵设计方案相比，采 用变频水泵电机设计方案所帶来最大好处是：它的 节能效果非常显著的。例如：当变频水泵电机的转 速降低到其额定转速的 80%时，它所需的功耗将减 少 48%左右；当变频水泵电机的转速降低到其额定 转速的 48%时， 它所需的功耗将减少 76%左右。因 此，它的节能效果非常好。然而，事物总是一分为二 的。在采用变频水泵电机设计方案后、所帶来的最 大麻烦是：它会对输入电网形成最大的电流谐波污 染。作为一个实测案例。请见如图 20 所示的变频水 泵的输入电压和输入电流波形以及其输入谐波运 行特性。 第八期 2013 年8 月 20 日 主编 丁麒钢 星期二 编辑 黄晟 它的 EC 风机的转速在 85%额定转速和 100%额定 转速之间、执行着不停地调控操作。此时，不但它的 输入电流也随之而执行实时、动态的调控。而且，它 的输入电流的变化是相当平滑的、并不存在任何明 显的开机启动浪涌电流的“冲击”现象。 图 20：变频水泵的输入谐波特性 从上图可见： ⅰ） 在正弦波形的输入电压供电的工况下，它 的输入电流波形变成“不对称的马鞍形”的非正弦 波形； ⅱ) 不仅它的总输入电流谐波含量的 THDI 值 很大、高达 86%左右。而且，几乎所有的奇次电流谐 波分量都会出现在它的输入电流谐波频谱中。它的 最大电流谐波分量为 3 次谐波、第 2 大的电流谐波 分量为 5 次谐波、(注：对于某些设计简陋的亷价变 频水泵而言，在它的输入电流谐波频谱中、还会出 现偶次电流谐波分量)。所有这一切都表明：变频水 泵型的设备是一种会对输入电源产生非常严重的 谐波污染的非线性负载。 为了进一步说明此情况，、请再见如图 21 和表 3 所示的在不同带载率下的 15KW 和 30KW 变频 器的输入电流谐波运行特性。 表 3：在不同带载率下的 15KW 和 30KW 变频器的 输入电流谐波运行特性 实测输入 输出功率 标称输入功率因数 负载百分比 THDI Cosф 功率因数 84% 84% 0.998 0.61 15KW 0.72 36% 86% 0.994 0.62 90% 80% 0.999 0.59 30KW 0.75 47% 86% 0.997 0.61 从上表可见： 变频器一种基本无相移的 (注： Cosф 非常接近于 1)、输入功率因数较低、电流谐波 “污染”非常严重的非线性负载。正因为此，对釆用 变频器设计方案的设计院或用户而言，如果要想充 分发挥它的理论节能、降耗的技术优势的话，宜对 它进行必要的输入谐波治理。否则，不仅会影响到 它的节能、降耗效果的发挥。而且，还严重地“谐波 污染”输入电源，其中受影响最大的用电设备：威胁 到备用发电机组能否安全运行的问题。 严重时，会 导致发电机因电压失真度太大 （即： 供电电源的 THDV 值过高）而被迫进入“ 自动关机”状态。 图 21：不同带载率条件下的变频器的输入电流谐波特性 (f) 功率密度高达 25KW/机柜数量级的水冷机 柜的输入运行特性 近年来，在某些中、大型 IDC 机房中，可能会使 用到单机柜的功率密度高达 10∽40KW 机柜的高 功率密度的设备。显然，为了解决具有如此高功率 密度机柜的制冷和散热问题，已不是传统的空调制 冷设备所能胜任的。推荐的解决方案之一是：在大 容量冷冻水空调系统中， 配置一种能在该 IT 机柜 的有限空间内形成局部的封闭冷通道或封闭热通 道的制冷装置。一台标称制冷能力可达 25KW/机柜 高功率密度的水冷机柜的工作原理示意图被示于 图 22 中。 图 22：25KW/机柜高功率密度的冷冻水机柜的风冷示意图 如上图所示，来自冷冻水空调主机的 15℃冷冻 水经进水管被馈送到由冷冻水型蒸发器+多台 EC 风机所组成的制冷部件后，经由在此机柜前部所形 成的封闭冷通道、将 23℃左右冷风馈送到处于高功 率工况下运行的、按前进风/后出风方式的、风冷的 服务器中。此时，从服务器后部排出的 32℃∽35℃ 左右热风被馈送在该机柜后部、所形成的封闭热通 道而被吸入由冷冻水板换器+EC 风机所组成的制 冷部件中。如此循环往复，就能确保位于高功率密 度机柜内的 IT 设备的安全运行。按设计参数，从该 制冷部件的冷冻水回水管所 输出 的出水 温度 为 21℃左右。 由于在这种水冷机柜的空调系统中，采 取了局部封闭冷通道+局部封闭热通道以及配置有 一套由 EC 风机+温度检测探头所组成的自动调温 控制系统的设计方案。所以，不但可确保其温控精 度很高。而且，还非常节能。 有关这台制冷能力为 25KW 的水冷机柜的输 入电流与时间之间的变化曲线被示于图 23 中。从 该图可见：同传统的风冷空调机组相比，为了确保 位于这台水冷机柜中的服务器的入口温度的稳定， 图 23：制冷能力为 25KW 的水冷机柜的输入电流时间变化曲线 在此需说明的是：我们还可以采用将两台水冷 机柜“并柜”的设计方案来有效地解决功率密度高 达 35∽40KW/机柜的超高功率密度机柜风冷、散热 问题。 有关这台标称制冷能力为 25KW 的水冷机柜 的输入谐波特性被示于图 24 中。从该图可见：在这 台水冷机柜的 EC 风机的调控系统中、 采用的是不 带输入功率因数校正功能(PFC)的普通单相全波整 流滤波型设计方案。这是因为：在正弦波形的输入 电压波供电的条件下，不仅它的输入电流波形呈现 出“相移”为零(cosф=1)的“钟形波”型的运行特性。 而 且 ， 它 的 输 入 电 流 谐 波 含 量 的 THDI 值 高 选 65.4%左右, 它的最大输入电流谐波分量为 3 次谐 波、其 THDI 值高达 57.5%，输入功率因数的 PF 值= 0.72。上述检测数据完全符合：单相全波整流滤波型 用电设备的典型输入谐波运行特性。 对于熟悉单相全波整流滤波型设备的谐波运 行特性的设计人员/用户而言， 由于它的 3 次及其 奇数倍的谐波电流的存在， 将会导致 IDC 机房的 TN-S 输入供电系统中的零线电流大于其相线电 流。按照多年的工作经验，要求在这种水冷机柜的 供电系统的设计中，应将它的零线电缆的截面积取 为它的相线电缆的截面积的 1.5 倍以上。否则，会遗 留下因零线电缆的截面积偏小而产生电缆加速老 化及发生电气火灾的故障隐患。 图 24：制冷能力为 25KW 的水冷机柜的输入谐波特性 综上所述，我们可将所讨论过的各种空调设备 的输入特性及设计注意事项总结如下： (a) 对于采用周期性“启、停”操作来进行温控 调节操作的风冷型空调而言，它的稳态工作电流不 是空调产品样本上、所提供满负荷工作(FLA), 它的 开机启动浪涌电流也不是它 5∽6 倍 FLA 电流。相 关的实测数据显示：对于双压缩机型的风冷空调而 言，它的稳态工作电流=0.5 倍 FLA 左右。其最大的 开机启动浪涌电流=2.4∽2.6 倍 FLA 左右。 对于它的输入电源而言，这种空调是一种基本 上不会产生电流谐波的相移性非线性负载，它的输 入功率因数的典型 PF 值=0.8（滯后）左右。 (b) 对于采用连续运行数码涡旋压缩机型风冷 空调而言， 它釆用了帶输入电压和输入电流双重 “延时缓启动” 设计方案以及连续运行工况的设计 方案。在此条件下，由于其启动电流很小，基本可以 忽略其影响。 这是一种能效比高达 3.8 左右的节能 型空调，对输入电源而言，它是一种输入功率因数 处于时刻不停变化的“非稳定工况”下运行的滞后 性负载，其输入功率的 PF 值的变化范围为：0.44∽ 0.83(滞后)左右。 (c) 对于带 EC 风机的冷冻水型空调而言，由于 在它的 EC 风机的输入调控电路中， 釆用了分三次 的“输入缓启动”的设计方案。所以，不存在输入启 动浪涌电流问题。对输入电源而言，它是输入电流 谐波含量的 THD 值=32%左右、输入功率因数的 PF 值=0.94 左右的滞后性负载。 (d)对于采用“ Y/Δ 缓启动“电路设计方案的冷 冻水空调的水泵而言， 当它在执行 Y 型的开机启 动操作时、所产生的“开机启动浪涌电流”约为它的 稳态工作电流的 2.6 倍左右、 浪涌电流的持续时间 约为 4.9 秒左右。当它在执行 Δ 型的开机启动操作 时、所产生的开机启动浪涌电流约为它的稳态工作 电流的 2.5 倍左右、 浪涌电流的持续时间约为 0.8 秒左右。对输入电源而言，它是不会产生的谐波“污 染” 的相移性非线性负载， 其输入功率因数的 PF 值=0.87(滞后)。 (e) 对于变频电机型水泵而言， 当空调处于部 分帶载工况吋，虽然，它具有优异的节能降耗特性。 然而，对于输入电源而言，它却是一种变频器一种 输入功率因数较低（PF=0.73 左右）、电流谐波“污 染”非常严重（THDI=85%左右）的非线性负载，有必 要对它进行输入谐波治理。 (f) 对于高功率密度高达 25KW 数量级的水冷 机柜而言， 由于它是处于连续工况运行状态的，不 存在输入启动浪涌电流问题。 对于输入电源而言， 它是输入电流谐波含量的 THDI 值高达=65%左右 的单相整流滤波型非线性负载,其输入功率因数的 PF 值=0.74 左右。 （待续） www.emersonnetworkpower.com.cn