示波器在电梯视频监控干扰中的应用

2015-05-15邓忠英

机电工程技术 2015年4期

邓忠英

（日立电梯（中国）有限公司，广东广州 511430）

随着电梯成为人们日常出行的必备交通工具，人们对于乘梯安全的关注度也在不断提高。而物业为了及时应对电梯轿厢内的突发事件，在电梯采购时，基本都要求具备电梯视频监控功能。北京、上海等一些大城市已经将电梯监控纳入住宅小区安全技术规范要求内，推荐各住宅小区电梯安装监控设备。

视频监控与电梯虽同属于智能楼宇的组成部分，却是两个完全不同的系统。视屏监控是属于弱电范畴，通常属于大楼弱电系统综合布线设计。而电梯属于特种设备，属于强电范畴，是独立于大楼供配电的系统。且电梯是运行部件，要将视频监控与电梯进行结合，也是一个涉及布线、抗干扰处理等的系统工程。

正因为视频监控与电梯是两个不同的系统，因此两个系统结合后，经常会遇到轿厢视频受干扰等问题的发生。因此电梯视频监控干扰是目前各大电梯厂家面临需要解决的问题。

1 国标要求

目前视频监控分为模拟图像和数字图像两种，而电梯轿厢视频监视一般采用的是模拟视频图像。国标《GB50198-11民用闭路监视电视系统工程技术规范》中对闭路监视电视系统的工程设计、工程施工以及工程验收作了相应的要求，同时规定了模拟视频图象质量主观评级，要求监控主观评分不应低于4级，相关说明如表1。

表1 五级损伤制评分分级[1]

2 常见电梯视频干扰

电梯视屏干扰通常存在以下几种：横纹干扰、雪花干扰、网纹干扰、重影，而其中尤以横纹干扰最为常见。电梯视屏监控干扰还往往存在以下几点特征：

（1）电梯静止时，监控屏上不存在或存在轻微干扰；

（2）当电梯启动、停止时，出现严重干扰：

（3）当电梯运行稳定时，仍然有网纹干扰，但情况比电梯启动、停止时好。

本论文主要分析如何应用示波器分析电梯视频干扰中的如图1所示的横纹干扰产生的原因及部件，从而针对原因对症下药，采取有效的应对措施，消除干扰。

3 视频图像干扰分析

3.1 示波器分析应用

使用示波器在现场采集到的电梯处于静止状态下的视频图像信号波形如下图所示，采集的类型是视频，同步信号为场同步信号，周期为32 s。

从图2中可看到，现场示波器所采集到的波形与分析所得相同，确实为场同步信号波形。以下是采集到的波形分别是：电梯停止—→电梯启动瞬间—→电梯正常运行—→电梯停止瞬间。

从现场采集到的波形如图3所示，电梯视频图像干扰分两种情况：（1）电梯启动及停止过程；（2）电梯匀速运行过程。以上量中情况视频波形中都夹杂着大量的干扰波形，造成了视频波形严重变形，对于电梯启动停止过程的示波器图像呈杂乱无章的，而从电梯正常运行过程中采集到的波形可以看到，干扰波形也是成周期得出现的，因此通过对匀速运行的图像波形计算得到干扰波形的周期和频率：

从电梯运行中的波形图放大可知波形每格约为5 s（波形周期为32 s，波形约占6.5格，因此每格为32/6.5=4.9 s，与全图像信号图1中的图像信号脉冲4.7 s吻合，再次验证所采集的信号为图像信号），每个干扰波形大概占有2格，因此干扰波形周期C干=10μs，f干=1/C干=0.1 MHz。而每个行扫描频率f行=15 625 Hz。因此f干/f行=0.1 MHz/15 625 Hz=6.4。即初步判断干扰波是视频波形的高次谐波，约为6.4次谐波。

再从图4可以看到，一个图像上有规则的干扰斜纹14～15条，因为每帧代表一幅图，而每帧周期围C帧=0.04 s，f帧=25 Hz，那么上图中每个干扰的周期为C干=C帧/14，f干=1/C帧=350 Hz，因此C干/50 Hz=7，与上述示波器分析基本吻合（示波器干扰波形周期是一个大概数），干扰对于市电是一个高次谐波。

3.2 干扰原因分析

通过以上分析，初步确认视频干扰主要来自高次谐波干扰。

（1）电梯哪些部件会产生高次谐波呢？

（2）高次谐波干扰通过什么途径干扰图像信号呢？

图3 电梯运行过程示波器采集的视屏图像

高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非性线元件及负载产生的。如：电容性负载、感性负载及开关变流设备，诸如计算机及外设、电动机、整流装置等。为了改善电梯启动舒适感，电梯电机通常采用交流伺服电动机，通过变频器改变启动电压频率，从而灵活控制电机平滑转动，提高转速。而变频器的工作原理是将三相电源转换成直流电源，再逆变成所需要的各种频率的电源，在这个整流逆变过程，会产生大量的谐波。

通过对电梯控制柜内各部件进行研究，发现电梯变频器这个大的整流装置。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380 V/50 Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3 kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15 kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备[2]。其中尤以5、7次谐波分量最大，其中五次谐波可以达到基波的40%，7次谐波可以达到基波的30%。因此初步判断：电梯运行过程中受到的干扰主要来自电梯变频器。

图4 横纹干扰图像

3.3 解决措施

变频器干扰的途径主要有辐射和传导干扰两种，那么电梯变频器产生的高频干扰是通过什么途径引入干扰的呢？

根据国标《GB50198－11》标准，强弱电必须分开敷设，如果确实不能区分时，必须对信号传输电缆穿金属软管作屏蔽。因此电梯机房内部布线在设计时已经考虑了抗辐射干扰设计，因此在机房内所有布线都通过金属线槽进行布线，且严格按照强弱电分开布线的原则。同时，电梯控制柜设计已经考虑了屏蔽EMI辐射，控制柜本身就是一个完整的屏蔽体，因此通过辐射途径导致视频监控干扰的已经比较小。

从电梯主回路原理图（图5）中可以看出，总电源经过空气开关和缺相保护开关之后，直接进入了INV（变频器），通过整流逆变之后，直接进入了电梯主机。由于没有做任何的隔离措施，变频器工作产生的高频干扰就有可能通过电源线回馈回总电源，直接从设备电源中引入了干扰。

从电源侧的传导干扰只能从源头进行改善，在源头将干扰谐波进行过滤，因此可以考虑从变频器输入侧串入380 V滤波器，隔离总电源与变频器之间的高次谐波，从而防止干扰回馈回电源处。具体改善如图6所示。

经过上述改善后，监控中心图像效果已经得到改善，并达到了国标要求的4级以上，如图7所示。

4 结束语

视频干扰是一个复杂的系统工程，其干扰是多种多样的，本文只是列举了其中最常见的一种，对其采用示波器进行协助分析。示波器的应用，对于快速准确找到干扰源起到关键的作用。该方法同样适用于其他系统或其他种类的视频干扰分析中。

图5 电梯主回路图

图6 增加滤波器原理图

视频干扰的解决方法也是多样的，解决方法的采用因环境而异，有时不能简单通过一个方法消除干扰，而是需要多个措施结合使用才能达到最佳的效果。事后的问题应对，往往需要增加大量的工作，并不是最优的方案，是迫不得已的选择，预防才是最好的方法。因此严格按照《GB50198-11民用闭路监视电视系统工程技术规范》布线要求进行施工，避免视频信号在传输过程受到干扰，同时在与各系统配合设计时充分考虑系统之间的相互干扰，才是最好的解决方案。