O que fazem afinal os harmónicos ao tempo de atividade do centros de dados

Por Jason Axelson, especialista em qualidade da energia na Fluke

O tempo de atividade é vital para os centros de dados, dos quais os clientes dependem para garantir 100% de disponibilidade. As perturbações nas instalações têm consequências extremas, incluindo penalizações dispendiosas decorrentes do incumprimento de acordos de nível de serviço (SLA). Embora os centros de dados estejam repletos de máquinas e sistemas complexos, a causa mais frequente das perturbações não é o hardware ou o software. Pelo contrário, a principal causa das perturbações nas instalações são os problemas de energia, que representam mais de 40% das perturbações nos centros de dados.

Os centros de dados executam cargas de energia não lineares 24 horas por dia, sete dias por semana, alimentando servidores, fontes de alimentação ininterruptas (UPS) e variadores de frequência (VFD). A flutuação da procura pode causar correntes harmónicas prejudiciais, que muitas vezes passam despercebidas até que haja sobreaquecimento, paragens ou degradação do equipamento. 

O que são, afinal, os harmónicos?

Nos sistemas elétricos, os harmónicos são formas de onda de tensão ou corrente a frequências que são múltiplos inteiros da frequência fundamental (60 Hz na América do Norte, 50 Hz na Europa). Por exemplo, na América do Norte, o segundo harmónico é de 120 Hz, o terceiro é de 180 Hz, e assim sucessivamente. 

Os harmónicos nos centros de dados são causados por cargas não lineares que distorcem a forma de onda sinusoidal ideal. A distorção harmónica total (THD) quantifica o quanto uma forma de onda se altera em relação à sua forma ideal devido aos harmónicos. É um indicador fundamental de problemas de qualidade da energia, sendo que valores mais elevados sinalizam distorções mais graves. 

Como os harmónicos afetam o tempo de atividade dos centros de dados

Os harmónicos e a energia do centro de dados não combinam. Se não forem controlados, podem comprometer a fiabilidade, reduzir a eficiência e pôr em perigo sistemas críticos. Níveis elevados de distorção harmónica total nos centros de dados podem degradar o desempenho e a vida útil dos equipamentos, levando a períodos de inatividade causados por:

• Condutores neutros sobrecarregados: os harmónicos provenientes de cargas não lineares podem provocar sobrecarga no condutor neutro, levando ao sobreaquecimento e aumentando o risco de incêndio ou danos no isolamento.
• Sobreaquecimento de transformadores ou sistemas UPS: os harmónicos aumentam as temperaturas de funcionamento nos transformadores e sistemas UPS, acelerando o desgaste e podendo levar a avarias inesperadas.
• Disparo incómodo de disjuntores: as formas de onda de corrente distorcidas podem fazer com que os disjuntores disparem desnecessariamente, interrompendo o fornecimento de energia a sistemas críticos sem que haja uma falha real.
• Eficiência reduzida: os harmónicos reduzem o fator de potência e aumentam o desperdício de energia, o que leva a custos de energia mais elevados e a perdas de energia desnecessárias.
• Avaria ou instabilidade de equipamentos eletrónicos: a distorção de tensão causada pelos harmónicos pode danificar componentes eletrónicos sensíveis, levando a falhas, reinicializações ou comportamento errático do sistema.

A curto prazo, os harmónicos nos centros de dados podem causar interrupções de energia dispendiosas. Os efeitos nocivos a longo prazo dos harmónicos dos centros de dados sobre os equipamentos de TI são frequentemente invisíveis até que o dano já tenha ocorrido.

Onde os harmónicos se escondem nos centros de dados

Existem quatro causas principais para os harmónicos nos centros de dados:

1. Saída das UPS: as UPS utilizam frequentemente tecnologia baseada em inversores para fornecer energia CA. Estes inversores funcionam a altas frequências para simular uma onda sinusoidal, mas a saída pode conter uma distorção harmónica significativa, especialmente se não for devidamente filtrada. A distorção pode afetar os equipamentos a jusante ou interagir com outras cargas não lineares, agravando os problemas de harmónicos.
2. Unidades de distribuição de energia (PDU): embora as PDU das instalações em si não criem harmónicos, servem como pontos de agregação para muitas cargas não lineares, como servidores, routers e dispositivos de armazenamento. O efeito cumulativo destas cargas gera corrente distorcida na PDU, o que pode refletir os harmónicos de volta para o sistema de distribuição e amplificar a distorção harmónica total no centro de dados.
3. Sistemas de refrigeração: as unidades de ar condicionado (CRAC) e as unidades de tratamento de ar para salas de computadores (CRAH) utilizam geralmente VFD para controlar a velocidade dos motores e melhorar a eficiência energética, movimentando líquidos pelas instalações para controlar as temperaturas. Os VFD são conhecidos por gerar harmónicos, uma vez que convertem CA em CC, e vice-versa, utilizando comutação de alta velocidade. Este processo distorce as formas de onda de corrente e pode injetar uma quantidade significativa de harmónicos no sistema elétrico, causando a acumulação de calor e danos nos equipamentos.
4. Iluminação LED e cargas de TI mais recentes: a iluminação LED e os equipamentos de TI modernos utilizam frequentemente fontes de alimentação comutadas (SMPS), que consomem corrente em impulsos curtos e intensos, em vez de ondas sinusoidais suaves. Estes impulsos introduzem harmónicos de alta frequência no sistema e, embora os dispositivos individuais possam ter uma potência baixa, a sua utilização generalizada num centro de dados pode levar a uma distorção agregada considerável.

Reduzir os harmónicos no seu centro de dados é fundamental para garantir a fiabilidade elétrica, e os harmónicos podem ser atenuados por soluções como os filtros de harmónicos. Mas, primeiro, precisa das ferramentas certas para identificar os harmónicos.

Como identificar os harmónicos antes que prejudiquem o tempo de atividade

Os harmónicos são geralmente um problema invisível até causarem danos no equipamento ou tempo de inatividade, mas a monitorização como parte do seu programa de manutenção preventiva pode permitir-lhe identificar harmónicos prejudiciais e tomar medidas para os mitigar antes que causem mais danos. A qualidade da energia e o tempo de atividade estão intimamente ligados, e os efeitos dos harmónicos nos equipamentos informáticos podem ter consequências graves ao longo do tempo.

Os analisadores da qualidade da energia, como o Fluke 1777, são ferramentas essenciais para medir e monitorizar os harmónicos. Estes analisadores fornecem informações detalhadas, incluindo a medição e monitorização da tensão, corrente, THD e harmónicos de uma ordem específica (como 3.ª, 5.ª, etc.) presentes no seu sistema. Ao monitorizar estes dados ao longo do tempo, pode identificar tendências problemáticas antes que estas causem sobreaquecimento, disparo de disjuntores, instabilidade ou danos nos equipamentos.

Os harmónicos mudam ao longo do tempo, dependendo da carga consumida, pelo que é fundamental começar por definir uma linha de referência para a qualidade da energia de entrada. A energia de entrada deve estar em conformidade com normas como a IEEE 519, e a utilização de um analisador como o Fluke 1777 para medições no PCC pode captar e gerar relatórios de acordo com estas normas, facilitando a comunicação com a empresa de eletricidade responsável. 

Gostaria de saber como configurar e utilizar estas ferramentas nas suas instalações? Leia este artigo Como monitorizar harmónicos num sistema de energia de centro de dados a seguir.

Quando resolver problemas e o que fazer a esse respeito

Mesmo sem ferramentas especializadas, os harmónicos deixam frequentemente pistas. Calor excessivo em painéis elétricos ou transformadores, disparos frequentes de disjuntores e queda do fator de potência são sinais de que chegou a altura de resolver problemas e reduzir os harmónicos no seu centro de dados.

A resolução de problemas começa com a identificação da origem, seja uma UPS, um VFD ou um aglomerado de cargas de TI de alta densidade. A partir daí, medidas como o equilíbrio de cargas entre fases, o redireccionamento de dispositivos não lineares ou a instalação de filtros de harmónicos podem reduzir significativamente a distorção harmónica nos centros de dados e restaurar a estabilidade do sistema.

Precisa de mais detalhes sobre como resolver problemas de harmónicos em centros de dados? Leia este artigo Como resolver problemas de distorção harmónica em centros de dados a seguir.

O tempo de atividade é o estado de saúde do sistema elétrico

As ferramentas Fluke oferecem a visibilidade que outras não conseguem. Com o analisador da qualidade da energia Fluke 1777 e o registador de energia avançado Fluke 1738, pode fazer da monitorização de harmónicos uma rotina da sua estratégia de manutenção, em vez de apenas uma solução reativa. Estas ferramentas não são apenas agradáveis de ter; são um investimento sensato que ajuda a evitar os custos muito mais elevados de interrupções não planeadas e falhas de equipamentos.

Acerca do autor

Jason é um especialista da Fluke dedicado à qualidade da energia, verificadores elétricos e aplicações de produtos. Com uma vasta experiência no apoio a clientes e parceiros de distribuição, ajuda os profissionais a selecionar, operar e resolver problemas numa vasta gama de ferramentas de diagnóstico, incluindo analisadores da qualidade da energia, verificadores de baterias, câmaras acústicas e câmaras termográficas. Jason ministra regularmente sessões de formação baseadas em aplicações, utilizando o seu conhecimento prático para preencher a lacuna entre os desafios técnicos e as soluções práticas em diversos setores. Ligue-se ao Jason no LinkedIn.