Trójfazowe zasilanie prądem przemiennym (AC) jest powszechnie stosowane do dostarczania energii elektrycznej do centrów danych, a także budynków komercyjnych i przemysłowych, w których pracują energochłonne maszyny. Podstawowym argumentem za zasilaniem 3-fazowym jest jego zdolność do dostarczania wyższej mocy oraz wydajności w porównaniu do tradycyjnego jednofazowego zasilania prądem przemiennym. Zasilanie jednofazowym prądem przemiennym jest powszechnie stosowane w domach oraz w mniej wymagających zastosowaniach komercyjnych, takich jak oświetlenie czy małe urządzenia elektryczne. Na tej stronie wyjaśnimy, dlaczego tak jest i jakie są kluczowe różnice pomiędzy 1- i 3-fazowymi systemami zasilania.
Dlaczego potrzebujemy zasilania 3-fazowego?
Zdolność do dostarczania coraz większych ilości energii jest niezwykle ważna w czasach, gdy w centra danych i serwerowniach rośnie gęstość urządzeń. W tych samych przestrzeniach, które kiedyś zajmowane były przez mniej wymagające serwery, zużywające jedynie ułamek energii elektrycznej potrzebnej dzisiejszym komputerom i sieciom, obecnie umieszczane są zaawansowane systemy przetwarzania danych.
Nie tak dawno temu pojedyncza szafa rackowa IT z 10 serwerami pobierała łącznie pięć kilowatów (kW) mocy. Dziś ta sama szafa rackowa może pomieścić dziesiątki serwerów, które łącznie pobierają 20 lub nawet 30 kW. W tych warunkach priorytetem staje się optymalizacja wydajności, ponieważ każda, nawet niewielka, oszczędność w poborze mocy przekłada się na realne korzyści finansowe.
Nie można również pominąć kwestii okablowania. Weźmy dla przykładu szafę rackową o mocy 30 kW. Przy zasilaniu jednofazowym prądem przemiennym (VAC) o napięciu 240 V do zasilenia szafy rackowej potrzeba 125 A, co wymaga zastosowania przewodu o przekroju 25 mm2 — który jest zbyt gruby, aby można było z nim łatwo pracować, nie wspominając o wysokich kosztach. Dzięki większej wydajności zasilania 3-fazowego można dostarczyć taką samą moc (lub nawet większą) przy użyciu okablowania o mniejszym przekroju. Do obsługi tej samej szafy o mocy 30 kW przy użyciu zasilania 3-fazowego potrzebne są trzy przewody zdolne do dostarczenia 42 A (o przekroju zaledwie 4 mm2).
Wyjaśnienie jednofazowego zasilania prądem przemiennym
Co to jest zasilanie 3-fazowe? I gdzie powinno być stosowane?
Zanim zanurzymy się w tematyce zasilania trójfazowego, warto zrozumieć podstawy systemu jednofazowego zasilania prądem przemiennym.
Jednofazowe zasilanie prądem przemiennym to trójżyłowy system okablowania składający się z przewodu napięciowego, neutralnego i uziemienia. W przypadku zasilania prądem przemiennym, kierunek przepływu prądu lub napięcia cyklicznie się zmienia. W jednym momencie prąd płynie przez przewód dostarczający energię do urządzenia, a następnie wraca przez przewód neutralny. Każdy pełny cykl tego zasilania to zmiana fazy o 360 stopni. W zależności od systemu używanego w różnych częściach świata. napięcie odwraca się 50 lub 60 razy na sekundę. W regionie EMEA jest to 50 razy na sekundę, co jest równoznaczne z częstotliwością 50 herców (Hz).
Co ważne, dwa główne przewody zasilające są przesunięte względem siebie o 180 stopni. Można to sobie wyobrazić jako energię poruszającą się na fali sinusoidalnej o określonej częstotliwości i amplitudzie. W każdym cyklu oba przewody osiągają tę samą zerową wartość amplitudy (patrz Rysunek 1). Oznacza to, że energia nie jest wtedy dostarczana do obciążenia.
Rysunek 1
Chociaż takie krótkie przerwy w dostawie energii są niezauważalne w zastosowaniach w budynkach mieszkalnych i komercyjnych, takich jak biura, to mają one znaczące implikacje dla silników zasilających duże maszyny, a także komputerów i innych urządzeń IT.
Zrozumienie zasilania 3-fazowego
Zasilanie 3-fazowe, jak sama nazwa wskazuje, korzysta z trzech oddzielnych prądów. Są one przesunięte względem siebie, tak że każdy z nich zaczyna się w innej jednej trzeciej pełnego cyklu. W odróżnieniu od zasilania jednofazowego, gdzie dwie fazy są zawsze przesunięte o 180 stopni, w zasilaniu 3-fazowym prądy są oddzielone o 120 stopni.
Na poniższym Rysunku 2 można zauważyć, że gdy jedna linia osiąga swój szczytowy prąd, dwie pozostałe znajdują się w innym punkcie cyklu. Na przykład, gdy faza 1 jest na poziomie szczytowym, fazy 2 i 3 są na poziomie -0,5. Oznacza to, że w przeciwieństwie do prądu jednofazowego, energia jest dostarczana do obciążenia w sposób ciągły. W rzeczywistości, w sześciu różnych punktach każdej fazy, jedna z linii osiąga maksymalną pozytywną lub negatywną wartość.
W praktyce oznacza to, że łączna ilość energii dostarczanej przez wszystkie trzy prądy jest stała – nie występują cykliczne wahania jak w przypadku zasilania jednofazowego.
Komputery oraz silniki w ciężkim sprzęcie są konstruowane z tym założeniem. Dzięki temu mogą korzystać z równomiernego strumienia mocy bez konieczności uwzględniania wahań charakterystycznych dla jednofazowego zasilania prądem przemiennym. I w wyniku tego zużywają mniej energii.
Dobrym porównaniem jest różnica pomiędzy silnikiem jednocylindrowym a trzycylindrowym. Obie jednostki operują w oparciu o model czterosuwowy (ssanie, sprężanie, praca, wydech). W silniku jednocylindrowym otrzymujemy jeden cykl „mocy” co cztery suwy, co prowadzi do nierównomiernej dostawy energii. W przypadku silnika trzycylindrowego energia dostarczana jest w trzech naprzemiennych fazach (rozdzielonych o 120 stopni), gwarantując płynniejszą i bardziej wydajną dostawę mocy.
Rysunek 2
Zalety zasilania 3-fazowego
Jedną z korzyści, jakie zapewnia zasilanie 3-fazowe, jest zdolność dostarczania prawie dwukrotnie większej mocy w porównaniu z systemami jednofazowymi bez konieczności stosowania dwukrotnie większej liczby przewodów. Choć intuicyjnie mogłoby się wydawać, że dostarcza ono trzykrotnie większą moc, w praktyce często łączy się jedną fazę z inną.
Aby zrozumieć, w jaki sposób zasilanie 3-fazowe może dostarczać więcej mocy, warto przyjrzeć się matematyce stojącej za tym procesem. Moc w obwodzie jednofazowym obliczana jest według wzoru: Moc = Napięcie (V) x Prąd (I) x Współczynnik mocy (PF). Jeśli obciążenie jest czysto rezystancyjne (co oznacza współczynnik mocy równy 1), formuła upraszcza się do: P = V X I. Dla obwodu o napięciu 120 V i prądzie 20 A, moc wynosi 2400 W.
Moc w obwodzie 3-fazowym obliczana jest według wzoru: Moc = Napięcie (V) x Prąd (I) x Współczynnik mocy (PF) x pierwiastek kwadratowy z liczby trzy. Przyjmując, że obciążenie obwodu jest czysto rezystancyjne (współczynnik mocy = 1), formuła upraszcza się do: P = V x I x pierwiastek kwadratowy z liczby trzy. W obwodzie trójfazowym o napięciu 120 V, gdzie każda faza obsługuje prąd 20 A: 120 V x 20 A x 1,732 = 4157 W. To dowodzi, że zasilanie 3-fazowe dostarcza prawie dwukrotnie większą moc niż systemy jednofazowe. To zaledwie prosty przykład, ale jest on pomocny do zrozumienia potencjału dodatkowej mocy w obwodach z wyższymi napięciami (np. 415 V) lub większymi prądami (np. powyżej 30 A).
Taka wydajność jest niezbędna, zwłaszcza gdy chodzi o zasilanie szaf rackowych ze sprzętem IT. W przeszłości standardem było stosowanie zasilania jednofazowego w szafach rackowych, ale w obliczu rosnącej gęstością sprzętu w szafach IT, takie rozwiązanie staje się coraz trudniej wykonalne i mniej praktyczne. Wyższa gęstość sprzętu sprawia, że stosowane są coraz większe kable, przewody i gniazda, co podnosi ich koszt i komplikuje montaż.
Dostarczanie 3-fazowego zasilania bezpośrednio do szafy serwerowej umożliwia zastosowanie tańszych kabli i innych elementów, a jednocześnie zapewnia większą moc. Ważne jest jednak, by regularnie kontrolować obciążenie każdego obwodu, by nie przekraczać jego wydajności.
Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak działa zasilanie 3-fazowe i jakie korzyści przynosi, odwiedź stronę: https://www.vertiv.com/en-us/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
