Niezależnie od swojej przyczyny, każda przerwa w zasilaniu uświadamia nam, że jesteśmy niemal całkowicie uzależnieni od energii elektrycznej. O ile w typowym mieszkaniu z reguły jest ona uciążliwą niedogodnością, o tyle w inteligentnym domu, w którym wieloma procesami i funkcjami zawiaduje automatyka, taka sytuacja może być bardzo poważnym problemem niosącym sporo zagrożeń. Zasilanie awaryjne w postaci urządzeń zwanych UPS to konieczne zabezpieczenie przed konsekwencjami braku zasilania sieciowego, szczególnie w domach z systemami BMS.

Istota bezprzerwowego zasilania czyli rodzaje i zasada działania urządzeń UPS

Bezprzerwowe zasilanie od zawsze kojarzy się ze strategicznymi budynkami, takimi jak lotniska, szpitale czy elektrownie, do których ostatnio dołączyły też serwerownie czy centra obróbki danych. Takie gwarantowane zasilanie wiąże się z dostarczeniem niejako zastępczej energii elektrycznej, pobieranej z akumulatora, w sytuacjach, gdy to podstawowe, sieciowe zasilanie, z jakiegoś powodu nie funkcjonuje. Przyczyny mogą być różnorakie: burze, gradobicia, śnieżyce, mocny wiatr, awaria w elektrowni – wszystkie one skutkować mogą odcięciem nas od energii elektrycznej, która powinna w sposób nieprzerwany podtrzymywać pracę mnóstwa urządzeń. I nie chodzi tu o światło w domu czy biurze – to najmniejszy problem. Gra o stałe utrzymanie zasilania energią elektryczną, to gra o utrzymanie zautomatyzowanych procesów w nowoczesnych budynkach, o funkcjonowanie wind i elektrycznie zasilanego ogrzewania, o możność kontrolowania zabezpieczonych drzwi i bramek w różnych obiektach, o dostawę wody bieżącej, o utrzymanie właściwej temperatury i danych w centrach i serwerowniach, o zabezpieczenie naszych komputerów i danych których jeszcze nie zapisaliśmy i których nie możemy utracić, a także o rozkodowanie lub rozregulowanie systemów, które muszą działać w określony sposób według zaprogramowanych przez nas algorytmów, a nie w sposób dowolny. Czasem jest to też gra o bezpieczeństwo ludzi, a czasem po prostu o duże pieniądze, które można utracić w wyniku szkody. To właśnie dlatego coraz częściej przy projektowaniu zautomatyzowanych obiektów, system zasilania gwarantowanego jest uwzględniany już na samym początku. Istotą systemów opartych na zasilaczach UPS jest nie tylko zagwarantowanie energii w momencie gdy w sieci nie ma zasilania, nie tylko podtrzymywanie przez jakiś czas pracy najważniejszych urządzeń, np. komputerów, tak byśmy zdążyli dokończyć rozpoczętą w nich pracę i bezpiecznie zapisać dane. Znacznie ważniejszą rolą tych systemów stało się w ostatnich latach zabezpieczanie podłączonych do nich urządzeń przed zakłóceniami w sieci, takimi jak m.in. nagłe skoki napięcia prądu. Nowoczesne urządzenia UPS dbają dziś przede wszystkim o jakość zasilania. Ta funkcja stała się w pewnym sensie kluczowa i wydaje się, że bardziej nadaje obecny kierunek rozwoju tych urządzeń.

Systemy UPS (skrót od angielskiego terminu Uninterruptible Power Supply, oznaczającego tyle co „bezprzerwowe dostarczanie zasilania”) budowane są z różnych urządzeń i składać się na nie mogą zarówno duże szafy z bardzo zaawansowanymi modułami, jak też podstawowe i niewielkie zasilacze, najczęściej chroniące w biurach lub mieszkaniach wrażliwy sprzęt elektroniczny (AGD, RTV, PC, router). Chcąc dobrać właściwy typ zasilaczy we właściwej, optymalnej konfiguracji, trzeba najpierw przyswoić nieco wiedzy o podstawowych rodzajach zasilaczy UPS i tym, co je różni. Dopiero wtedy można przejść do etapu, na którym szacujemy wielkość obiektu, a raczej ilość chronionych urządzeń oraz określamy ich łączny pobór energii, zakładając lekki, powiedzmy 25% naddatek dla bezpieczeństwa.

Z punktu widzenia technologii rynek rozróżnia trzy poniższe typy zasilaczy UPS:

• VFD zwane OFF-LINE: ich elektronika obserwuje napięcie sieciowe i podaje je bezpośrednio na wyjście UPS-a bez ingerencji w jego parametry (napięcie i częstotliwość), jednocześnie pilnując ładowania akumulatora. Gdy zasilanie zanika, UPS przechodzi na zasilanie akumulatorowe i załącza falownik, który podaje napięcie na wyjście urządzenia. Przejście na zasilanie z akumulatora odbywa się w tych zasilaczach z minimalnym opóźnieniem (2-4 ms), zaś zasilanie sieciowe podawane na wyjściu nie jest – jak już to zostało wspomniane - po drodze automatycznie regulowane, lecz podawane jest takie, jakie jest na wejściu, wraz z wszelkimi ewentualnymi zakłóceniami.
• VI zwane ON-LINE typu SINGLE CONVERSION: podczas normalnego zasilania sieciowego ich falownik permanentnie stabilizuje napięcie na wyjściu i kontroluje ładowanie akumulatora. Gdy zasilanie sieciowe nie mieści się ze swymi parametrami w dopuszczalnych granicach napięcia lub gdy całkowicie zanika, wówczas zasilanie odbiorników przejmują akumulatory wraz z falownikiem, przy czym układ w momencie powrotu napięcia w sieci bezprzerwowo przechodzi na podawanie na wyjściu zasilania sieciowego które na powrót przechodzi przez proces stabilizacji jego napięcia.
• VFI zwane ON-LINE typu DOUBLE CONVERSION: podczas normalnego zasilania sieciowego prostownik zasila falownik oraz akumulatory. W momencie zaniku energii w sieci, przejście na zasilanie akumulatorowe (jak i powrót na sieciowe) odbywa się bez jakiegokolwiek opóźnienia (bez najmniejszej przerwy), a na wyjściu podawane jest stabilne zasilanie z akumulatorów.

Przed czym zabezpieczają nas zasilacze UPS

Pierwsza myśl o podstawowym zadaniu UPS-ów biegnie zawsze w kierunku sytuacji, w których to pojawia się całkowity zanik napięcia, przy czym może być on krótkotrwały (do kilkunastu minut) jak i długotrwały (do kilku – kilkunastu godzin). O ile w pierwszym przypadku UPS-y zawsze radzą sobie same dzięki zapasowi energii zgromadzonej w ich akumulatorach, o tyle w drugim przypadku w końcu musi dojść do ich wyczerpania. Dobrze zabezpieczony inteligentny dom w takich sytuacjach może dalej funkcjonować dzięki agregatowi, który również musi posiadać własny zasilacz UPS podłączony w systemie ON-LINE. Chodzi tu o to, by zasilacz taki podtrzymywał dostawę prądu przez czas potrzebny do uruchomienia agregatu, a następnie stabilizował parametry prądu wytwarzanego przez agregat.

UPS-y chronią przyłączone do nich urządzenia przed odchyleniami i wahaniami napięcia prądu. Powodują je m.in. nasze urządzenia o wysokim poborze mocy, z czajnikami, pralkami, farelkami czy kuchenkami mikrofalowymi na czele. To ważne zadanie tych zasilaczy, gdyż jeśli napięcie prądu zasilania odbiega od normy (230 V) o 15% lub więcej, wówczas spora część urządzeń może ulec uszkodzeniu lub wyłączyć się i spowodować unieruchomienie części elementów instalacji automatyki domowej.
Trzecim znaczącym zadaniem UPS-ów jest chronienie urządzeń przed tzw. przepięciami, czyli krótkimi, lecz gwałtownymi wzrostami napięcia, które zdarzają się gdy np. w zakładzie energetycznym dochodzi do awarii. Delikatna elektronika, taka jak komputery PC, dyski zewnętrzne, serwery itp. mogą w pierwszej kolejności paść ofiarami takich przepięć, dlatego istotne jest by zastosowane zasilacze UPS chroniły je poprzez swoje filtry.

Najistotniejsze cechy nowoczesnych UPS-ów dla inteligentnych domów

Zasilacze UPS dla domów z systemami BMS nie mogą być wybierane w sposób dowolny. Muszą się cechować kilkoma istotnymi parametrami, ale przede wszystkim ich moc podawana na wyjściu (moc znamionowa, zawsze mniejsza niż moc pobierana przy obciążeniu) musi odpowiadać, a w zasadzie nieco przewyższać maksymalne wyliczone dla obiektu zapotrzebowanie. Możliwości zasilacza UPS muszą też być skorelowane z ilością chronionych urządzeń oraz ich pozycją w hierarchii ważności oraz fizycznym rozmieszczeniem. Należy bowiem pamiętać, że w domach z wieloma systemami automatyki, zapotrzebowanie na energię jest z reguły wysokie zaś urządzeń wymagających ochrony przed brakiem zasilania jest dużo lub wręcz bardzo dużo – po kilka w każdym pomieszczeniu. W prostszych przypadkach specjaliści proponują systemy rozproszone, czyli zasilacze UPS o małej mocy zasilania, które zasilają małe grupki urządzeń, na przykład po jednym zasilaczu na każde pomieszczenie. Taki układ często stanowi wystarczające zabezpieczenie, lecz jego wadą jest bardzo prosta, nieraz zbyt prosta funkcjonalność małych UPS-ów, które z reguły nie są wyposażane w tak wiele funkcji i technicznych usprawnień, co zasilacze centralne dużej mocy. Dlatego domy z systemami BMS z reguły zabezpiecza się bardziej zaawansowanymi jednostkami, których moc, funkcjonalności i możliwości komunikacyjne stoją na wysokim poziomie.Inna sprawa, że UPS-y dla inteligentnych domów powinny umieć sprostać zadaniom opisanym w poprzednim rozdziale, a więc powinny radzić sobie z krótkotrwałymi, jak i długotrwałymi zanikami napięcia (z tymi drugimi w jak najdłuższym przedziale czasowym), z odchyleniami i wahaniami napięcia prądu oraz z przepięciami. A to w dużej mierze eliminuje urządzenia małe o podstawowej, minimalnej funkcjonalności. Do tego dochodzi jeszcze jeden ważny argument: w inteligentnych domach kwestia szybkiego zapisania danych w komputerze lub podtrzymania łączności z internetem (router), gdy dojdzie do zaniku prądu w sieci, to najmniejszy problem. Zasilanie budynku musi być podtrzymane przez kilka godzin, a nie kilkanaście czy kilkadziesiąt minut, ponieważ nie można dopuścić do wyłączenia sterowników i automatyki kotłów C.O. lub zatrzymania pompy wodnej (szczególnie w mroźne dni). Podobnie jest z innymi systemami, na pewno nie tak kluczowymi jak system grzewczy, ale jednak ważnymi dla domowników. Systemy takie jak alarmowy, system sterowania klimatyzacją, monitoringiem, techniką solarną (panele, kolektory) czy oświetleniem z czujnikami ruchu, powinny działać w sposób nieprzerwany przez długi czas, podczas gdy cała okolica jest bez prądu. I jest to oczywiście możliwe, gdyż dedykowane dla domów UPS-y często można rozszerzyć o dodatkowe, zewnętrzne akumulatory pozwalające na przedłużenie ich pracy – wliczając w to również akumulatory samochodowe. System wówczas powinien zadziałać niezawodnie, pod warunkiem, że uwzględniona zostanie jeszcze jedna kwestia, która czasem umyka właścicielom domów, próbującym samodzielnie skonfigurować bezprzerwowe zasilanie gwarantowane. Inteligentne domy wyposaża się dziś standardowo w specjalne rozdzielnice prądu, których działanie jest ważne dla poprawnego funkcjonowania całego budynku. To właśnie te urządzenia odpowiadają za właściwe zarządzanie dystrybucją energii elektrycznej i znajdują się na samym wejściu do instalacji budynku. Jeśli cała automatyka domowa ma być zabezpieczona, zasilanie gwarantowane musi obejmować również takie rozdzielnice. Ich pominięcie w systemie może – mimo załączenia się zasilania gwarantowanego – unieruchomić całą domową automatykę, w tym tak ważne jej elementy, jak wspomniana już pompa wymuszająca obieg w instalacji wodnej, sterownik kotła grzewczego, brama wjazdowa przed domem, czujniki ruchu i cały system alarmowy. Jest więc oczywiste, że inwestycja w systemy UPS z jednoczesnym pominięciem rozdzielnicy, to przysłowiowy strzał w kolano. Nowoczesne jednostki dostarczające zasilanie gwarantowane w inteligentnych domach powinny stabilizować napięcie nie tylko wtedy, gdy dostarczają do podłączonych urządzeń prąd pobierany ze swoich akumulatorów, ale również wtedy, gdy zasilanie sieciowe jest dostępne. Chodzi tu o kształtowanie wykresu napięcia wyjściowego tak, by miał kształt jak najbliższy sinusoidzie. Stosujemy dziś coraz więcej urządzeń wrażliwych na jakość prądu, nie akceptujących napięcia o wykresie zbliżającym się to kształtu prostokątnego, wymagających wysokojakościowego zasilania z wykresem w postaci idealnej sinusoidy. Odpowiednio dobrane zasilacze UPS są rozwiązaniem zabezpieczającym żywotność tych wrażliwych urządzeń.

Istotną i pożądaną w jednobryłowych UPS-ach dla domów cechą jest wymienialność akumulatora bez potrzeby wzywania serwisu. Zasilacze kupuje się na lata, zaś ich akumulatory z czasem ulegają stopniowej degradacji, polegającej na zmniejszonej pojemności i coraz krótszym czasie rozładowania. Opcja samodzielnej wymiany dokupionego akumulatora to wyeliminowanie kłopotu w postaci konieczności kontaktowania się z serwisem oraz w wielu przypadkach wyeliminowanie konieczności zakupu nowego zasilacza UPS. Żeby jednak móc w dowolnej chwili skontrolować stan akumulatora i przekonać się czy już czas na jego wymianę, potrzebne jest odpowiednie oprogramowanie, towarzyszące z reguły modelom z wyższej półki jakościowej i cenowej. Dedykowane aplikacje instalowane na urządzeniach mobilnych lub na komputerach PC, pozwalają w najnowocześniejszych UPS-ach nie tylko skontrolować aktualny stan baterii, lub oszacować czas autonomicznej pracy, ale też prześledzić krzywą wybranych parametrów w określonym odcinku czasu. Dzięki temu łatwo wychwycić np. spadającą przez ostatnie 6 miesięcy pojemność akumulatora, co sygnalizuje schyłkowy czas żywotności tego podzespołu. Jednak by taka wymiana danych z UPS-em była możliwa, potrzebne są odpowiednie protokoły komunikacyjne, takie jak Modbus czy Profibus, zaś samo urządzenie musi być wyposażone w porty szeregowe RS-232 lub RS-485. Często też UPS-y stają się elementami lokalnej sieci WiFi, z własnym adresem IP. Dziś oczekuje się, że wymiana danych z zasilaczem powinna odbywać się zarówno z poziomu domowego PC lub urządzenia mobilnego, jak też poprzez internet i odpowiedni adres http/https.

Od kilku lat nowoczesne UPS-y cechują się dodatkową funkcjonalnością, która dla wielu jest już fanaberią, ale też dla coraz większego grona ich użytkowników oczywistą koniecznością. Mowa tu o gniazdach USB, które pozwolą nam naładować tablet czy smartfona. Wbrew pozorom to spore udogodnienie, gdyż podczas wielogodzinnego zaniku zasilania w sieci nasze telefony mogą się rozładować i wówczas nie mogąc ich podładować tracimy kontakt z rodziną, lub – co gorsza – nie możemy w przypadku sytuacji awaryjnej wezwać pomocy. Choć rynek oferuje jednobryłowe, nowoczesne UPS-y o dużej mocy, dedykowane m.in. inteligentnym domom, to jednak najlepszą i najbezpieczniejszą opcją będzie wybór UPS-a w systemie modułowym. Rozwiązanie to już od kilkunastu lat wchodzi mocno na rynek polski i choć nie jest tanie, posiada ogrom zalet i przewag nad UPS-ami jednobryłowymi, których nie da się rozbudować w razie zwiększenia się zapotrzebowania domu na energię podtrzymującą jego funkcjonowanie. Jak nazwa mówi, istota konstrukcji modułowej zawiera się w tym, że na system składają się pojedyncze zasilacze UPS (zwane tu modułami), wyposażone we własne układy prostownika, falownika, ładowarki akumulatora oraz własny układ by-pass, układ sterowania i panel kontrolny. Wszystkie moduły umieszczone są w jednej wspólnej obudowie (zwanej szafą) w układzie pionowym, poprzez wsunięcie ich jeden nad drugim w przeznaczone dla nich wnęki wyposażone w gniazda przyłączeniowe. Jest to tzw. montaż na gorąco – nie ma tu mowy o podłączaniu jakichkolwiek kabli, nie ma mowy o wyłączaniu pozostałych czynnych modułów na czas wmontowania nowego modułu. Montaż, jak i demontaż wykonuje się jednym ruchem w dowolnym momencie: poprzez wsunięcie lub wysunięcie modułu, bez żadnych konsekwencji dla reszty systemu, m.in. dlatego, że każdy z modułów współpracuje z własnym akumulatorem. Dodatkową dogodnością jest fakt, iż interfejsy komunikacyjne, dodatkowe gniazda USB itp., są przeniesione do samej szafy, która ponadto wyposażona powinna być w serwisowy by- -pass dla całego systemu.

Systemy modułowe pozwalają na zachowanie elastyczności i w razie potrzeby dokupowanie kolejnych modułów, ponieważ szafy zawsze posiadają dodatkowe wolne wnęki. To właśnie dlatego warto je rozważyć, projektując dom inteligentny, w którym z czasem zapotrzebowanie na energię zapewne wzrośnie. Rozbudowa systemu sprowadza się wówczas do wsunięcia kolejnego modułu w wolną wnękę. Rzutuje to również na dyspozycyjność systemu w sytuacji, gdy któryś z modułów ulega awarii – czas naprawy staje się czasem wymiany uszkodzonego modułu na nowy i sprawny. Z systemami modułowymi wiąże się też idea nadmiarowości, która w przypadku inteligentnych domów ma mocne uzasadnienie . Takie systemy redundantne (nadmiarowe) tworzy się poprzez konfigurację kilku modułów podstawowych (funkcyjnych) z choć jednym modułem nadmiarowym. Polega to na tym, że jeśli któryś z modułów funkcyjnych ulegnie awarii, wówczas reszta przejmuje jego zadania. Dzięki temu system nie odczuwa skutków awarii jednego modułu, a wszystkie urządzenia podpięte do systemu są w niezmienionym stopniu zabezpieczone. Podsumowanie Jest rzeczą naturalną, że właściciele tzw. inteligentnych domów chcą je zabezpieczać przed skutkami zaniku prądu w sieci. To kwestia nie tylko wygody, ale też bezpieczeństwa. By zmniejszyć koszty eksploatacji i zarazem korzystać z wysokiej i zaawansowanej funkcjonalności nowoczesnych systemów UPS, z reguły kierują swoją uwagę w stronę dużych, centralnych jednostek (10 kVA lub więcej), które wpina się obowiązkowo bezpośrednio do instalacji elektrycznej. Coraz częściej są to też opisane wyżej konstrukcje modułowe, których serwisowanie nie wymaga nawet wyłączania systemu z zasilania. Nie są to tanie produkty, gdyż ceny takich zasilaczy zaczynają się od około 7 tysięcy złotych w przypadku pojedynczych zasilaczy, a górna granica jest bardzo wysoko, jednak inwestycja w bezpieczeństwo całego domu jest tego warta. Oczywiście można spotkać na rynku modele dużo tańsze, jednak z reguły nie są to produkty renomowanych wytwórców i niestety ich serwis i konserwacja mogą się okazać bardzo problematyczne. Inną kwestią jest to, czy rzeczywiście trzymają zadeklarowane w specyfikacji parametry – niezależne testy już nie raz wykazały rozbieżność między specyfikacjami nie markowych UPS-ów a ich rzeczywistymi osiągami.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: AB S.A., Action S.A., Dacpol Sp. z o.o., Eaton Power Quality S.A., Comex S.A. oraz EVER Sp. z o.o.

---