Ventilatorantrieb mit Motor und Frequenzumrichter
Rechenzentren: Einsatzkriterien von Ventilatoren mit separaten Motoren und FrequenzumrichternRechenzentren benötigen fortlaufend Kühlung. Dazu werden oft EC-Lüfter oder Ventilatoren eingesetzt, die von separaten Motoren mit Frequenzumrichtern – ggf. Ultra-Low Harmonic Drives – betrieben werden. Der Beitrag geht auf Einsatzkriterien der Frequenzumrichter-Technologie ein.
Rechenzentren erzeugen in der Regel viel (Ab-)Wärme. Um die Einrichtungen funktionsfähig zu halten, ist eine präzise Temperatursteuerung gefordert. Allgemein stehen zwei Optionen für den Bereich der Ventilatorenantriebe zur Verfügung: EC-Lüfter sowie getrennte Frequenzumrichter und Motoren. EC-Ventilatoren sind elektronisch kommutierte Lösungen, die Lüfter, Motor und Drehzahlregelung integrieren. Sie kommen typischerweise in großer Zahl zum Einsatz. Die Alternative: Frequenzumrichter werden mit Motoren mit fester Drehzahl kombiniert, die die traditionell in Präzisionskühlungen verwendeten Radialventilatoren antreiben. Nachfolgend ein Blick in Richtung der Antriebstechniken.
Antriebssysteme
EC-Lüfter können hocheffizient sein, insbesondere wenn sie unter Volllast laufen. Aus diesem Grund werden sie oft für die Kühlung von Rechenzentren gewählt. Die Effizienz kann jedoch unter Teillast erheblich sinken, sodass eventuell potenzielle Effizienzgewinne uneinheitlich ausfallen.
Im Gegensatz dazu können separate Frequenz-umrichter und Motoren so ausgewählt und konfiguriert werden, dass über verschiedene Laststufen hinweg ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Zudem lassen sie sich mit verschiedenen Lüfterdesigns kombinieren. Wenn es um die Spezifikation der Motoren geht, sind Synchronreluktanzmotoren (SynRM) oft die erste Wahl. SynRM mit der höchsten Wirkungsgradklasse IE5 wandeln elektrische Energie mit hoher Effizienz in mechanische Leistung um, dies auch im Teillastbetrieb. Da sie bei niedrigeren Temperaturen laufen, zeichnen sie sich zudem durch eine lange Lebensdauer und geringe Wartungskosten aus. Werden diese Motoren mit passenden Frequenzumrichtern und effizienten Lüfterraddesigns gebündelt, dann lässt sich durch die Kombination die Effizienz und Leistung steigern.
Ultra-Low Harmonic Drives
Kommen zusätzlich Ultra-Low Harmonic Drives ins Spiel, fallen die Vorteile noch größer aus. Diese Frequenzumrichter bringen Vorteile für das Stromnetz mit sich, da sie nur einen geringen Oberschwingungsgehalt erzeugen – das gewährleistet niedrige Netzverluste und senkt die Betriebskosten. Der Ökodesign-Standard erkennt in seiner jüngsten Fassung die Vorzüge der Ultra-Low Harmonic-Technologie für elektrische Netze an: In dieser Variante können Frequenzumrichter ihre Komponentenverluste ausgleichen, indem sie größere Einsparungen im Gesamtsystem ermöglichen. Zudem schützen sie auch vor Netzstörungen, indem sie Spannungsabfälle im Netz kompensieren und die Kühlung von kritischen Servern während der Störungen aufrechterhalten.
Ultra-Low Harmonic Drives, wie von ABB, basieren auf aktiver Front-End-Technologie mit Gleichstromkondensatoren und erzeugen einen geringen Oberschwingungsgehalt, der gegenüber konventionellen Frequenz-umrichtern um bis zu 97 % reduziert wird. Die Gesamtstromverzerrung beträgt typischerweise 3 %.
Was sind Oberschwingungen?
In einer idealen Welt würde der Netzstrom in einer reinen Sinuskurve verlaufen und keine Oberschwingungen enthalten. In der Realität wird der Strom jedoch durch Oberschwingungen verzerrt, was in einem Rechenzentrum zu Unterbrechungen, Störungen und sogar Ausfallzeiten führen kann.
Oberschwingungen treten in jedem großen Stromnetz auf und sind „Störspitzen“ im Strom, der von der Einrichtung bezogen wird. Sie werden durch nichtlineare Lasten ins Netz eingebracht, die eine Vielzahl von empfindlichen elektronischen Geräten beschädigen können, Interferenzen bei Kommunikationseinrichtungen verursachen und zu Fehlanzeigen auf Messgeräten führen. Außerdem können sie Leistungsschalter und Sicherungen auslösen und Kondensatorausfälle verursachen. Eine weitere mögliche Folge ist die Überhitzung von Transformatoren, Kabeln, Motoren, Generatoren und Kondensatoren. Die von Oberschwingungen verursachten Probleme bringen weitere Nachteile wie Energieverluste durch Überhitzung, eine kürzere Lebensdauer der Ausrüstung und einen unzuverlässigen Betrieb mit sich. Im schlimmsten Fall verursachen Oberschwingungen unnötige und unerwünschte Prozessunterbrechungen.
Eine Lösung liegt darin, die Anlagen so auszulegen, dass Oberschwingungen im Netz toleriert werden. Eine Überdimensionierung führt jedoch zu höheren Investitionskosten, beispielsweise wenn die Leistung des Versorgungstransformators oder Reservegenerators um bis zu 25 % erhöht wird. Anstatt Oberschwingungen durch oftmals unwirksame Maßnahmen wie eine zusätzliche Kühlung oder Überdimensionierung der Ausrüstung zu begegnen, empfiehlt sich der Einsatz von Komponenten, die Oberschwingungen erst gar nicht verursachen.
