供配电系统是数据中心的基础设施,它直接为IT设备供电。但往往会出现供电容量入不敷出的现象,究其原因还是基本概念不清。这种概念的误区来源于两个方面:一个是从已有的文章论述或某个书本上获得,一个是功率因数表的测量结果。于是就认为从实验结果印证了IT设备的电容性理论。是的,在很多情况下,功率因数表的测量结果显示电容性,测量结果是对的,关键是理解是错误的。
1 从几种基本元器件的特性谈起
在构成电路的电子器件中,除有源器件外便是电阻R、电容C和电感L,如图1所示。众所周知,只有电阻是消耗功率的,而电容和电感都是储存功率的,电容以电场的形式储存,而电感则以磁场的形式储存。
懂电路的人都知道电容和电感有互补的关系,它们都是惯性器件。电容上的电压不能突变,在交流电中,电容中的电流超前电压90°,电感中的电流滞后电压90°,二者的阻抗可以直接相减。它们的阻抗表达式为
容抗(1)
感抗 (2)
式中:π=3.1416;
f—工作频率,单位Hz;
C—电容量,单位是F,这是一个不变的值(不包括器件衰减特性);
L—电感量,单位是H,但此值在磁饱和的情况下,根据饱和程度而变;
XC和XL—分别为容抗和感抗,单位是Ω。
从两个电抗表达式中可以看出,容抗XC值的大小和工作频率成反比,即频率越高,电抗值越低;感抗XL值的大小和工作频率成正比,即频率越高,电抗值越高。
二者全补偿的条件是:XC-XL=0
电压源(包括发电机)就是根据这个原理设计的。一般情况下,带负载的电子电路,除特殊用途的射极跟随器外,要求输出阻抗越小越好,而输入阻抗越高越好。
2 电压源的特点
电源分电压源和电流源,也称作稳压源和稳流源,由于数据中心所用的电源大都属于稳压源范畴,故在这里只讨论稳压源。图2为稳压源原理方框图。其中E是电源的电动势,r是电源的内阻,R是负载电阻(或阻抗),U1为负载两端的电压,I是回路电流。
从图中可以看出,负载两端的电压为
(3)
从图2中也可以看出,若负载R是一个变量,就会导致电流I的变化,从而导致电压U1的变化,这样就不稳压了。但如果式(3)中
(4)
即r(Zu)→0(5)
就是说如果电源的内阻等于零,就会使负载端的电压永远是
U1=E(6)
这就达到了输出端稳压的目的。
什么器件放在输出端能实现在负载变化时(这里指的是快速变化),内阻呈零效果而电压不变呢?那只有电容器,因为电容上的电压不能突变,这是它的特性。所以电源的输出阻抗都呈容性。
那么后面的负载是什么性质呢?如果不是专门制造,后面的负载都是感性的。一个实际的例子:
在一些用电大户可以看到,市电进入后首先碰到的是一个电容补偿柜,有谁见过电感补偿柜?这不是说明用电容补偿柜的容抗去补偿负载端的感抗吗。
3 IT设备的输入特性
任何设备的性质是由输入功率因数决定的,而输入功率因数的符号又是由输入阻抗决定的。由于机房中大部分用电设备都是220Vac输入,现就以输入电压为220Vac的电子设备为例来讨论输入正弦波失真原理。讨论这个问题的目的在于鉴别用电设备的负载特性。因为电阻和电容都是线性负载,不会产生波形失真。如图3所示。