示波器在電梯視頻監(jiān)控干擾中的應(yīng)用

鄧忠英

（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州 511430）

隨著電梯成為人們?nèi)粘３鲂械谋貍浣煌üぞ撸藗儗?duì)于乘梯安全的關(guān)注度也在不斷提高。而物業(yè)為了及時(shí)應(yīng)對(duì)電梯轎廂內(nèi)的突發(fā)事件，在電梯采購時(shí)，基本都要求具備電梯視頻監(jiān)控功能。北京、上海等一些大城市已經(jīng)將電梯監(jiān)控納入住宅小區(qū)安全技術(shù)規(guī)范要求內(nèi)，推薦各住宅小區(qū)電梯安裝監(jiān)控設(shè)備。

視頻監(jiān)控與電梯雖同屬于智能樓宇的組成部分，卻是兩個(gè)完全不同的系統(tǒng)。視屏監(jiān)控是屬于弱電范疇，通常屬于大樓弱電系統(tǒng)綜合布線設(shè)計(jì)。而電梯屬于特種設(shè)備，屬于強(qiáng)電范疇，是獨(dú)立于大樓供配電的系統(tǒng)。且電梯是運(yùn)行部件，要將視頻監(jiān)控與電梯進(jìn)行結(jié)合，也是一個(gè)涉及布線、抗干擾處理等的系統(tǒng)工程。

正因?yàn)橐曨l監(jiān)控與電梯是兩個(gè)不同的系統(tǒng)，因此兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合后，經(jīng)常會(huì)遇到轎廂視頻受干擾等問題的發(fā)生。因此電梯視頻監(jiān)控干擾是目前各大電梯廠家面臨需要解決的問題。

1 國標(biāo)要求

目前視頻監(jiān)控分為模擬圖像和數(shù)字圖像兩種，而電梯轎廂視頻監(jiān)視一般采用的是模擬視頻圖像。國標(biāo)《GB50198-11民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中對(duì)閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、工程施工以及工程驗(yàn)收作了相應(yīng)的要求，同時(shí)規(guī)定了模擬視頻圖象質(zhì)量主觀評(píng)級(jí)，要求監(jiān)控主觀評(píng)分不應(yīng)低于4級(jí)，相關(guān)說明如表1。

表1 五級(jí)損傷制評(píng)分分級(jí)[1]

2 常見電梯視頻干擾

電梯視屏干擾通常存在以下幾種：橫紋干擾、雪花干擾、網(wǎng)紋干擾、重影，而其中尤以橫紋干擾最為常見。電梯視屏監(jiān)控干擾還往往存在以下幾點(diǎn)特征：

（1）電梯靜止時(shí)，監(jiān)控屏上不存在或存在輕微干擾；

（2）當(dāng)電梯啟動(dòng)、停止時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重干擾：

（3）當(dāng)電梯運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，仍然有網(wǎng)紋干擾，但情況比電梯啟動(dòng)、停止時(shí)好。

本論文主要分析如何應(yīng)用示波器分析電梯視頻干擾中的如圖1所示的橫紋干擾產(chǎn)生的原因及部件，從而針對(duì)原因?qū)ΠY下藥，采取有效的應(yīng)對(duì)措施，消除干擾。

3 視頻圖像干擾分析

3.1 示波器分析應(yīng)用

使用示波器在現(xiàn)場采集到的電梯處于靜止?fàn)顟B(tài)下的視頻圖像信號(hào)波形如下圖所示，采集的類型是視頻，同步信號(hào)為場同步信號(hào)，周期為32 s。

從圖2中可看到，現(xiàn)場示波器所采集到的波形與分析所得相同，確實(shí)為場同步信號(hào)波形。以下是采集到的波形分別是：電梯停止—→電梯啟動(dòng)瞬間—→電梯正常運(yùn)行—→電梯停止瞬間。

從現(xiàn)場采集到的波形如圖3所示，電梯視頻圖像干擾分兩種情況：（1）電梯啟動(dòng)及停止過程；（2）電梯勻速運(yùn)行過程。以上量中情況視頻波形中都夾雜著大量的干擾波形，造成了視頻波形嚴(yán)重變形，對(duì)于電梯啟動(dòng)停止過程的示波器圖像呈雜亂無章的，而從電梯正常運(yùn)行過程中采集到的波形可以看到，干擾波形也是成周期得出現(xiàn)的，因此通過對(duì)勻速運(yùn)行的圖像波形計(jì)算得到干擾波形的周期和頻率：

從電梯運(yùn)行中的波形圖放大可知波形每格約為5 s（波形周期為32 s，波形約占6.5格，因此每格為32/6.5=4.9 s，與全圖像信號(hào)圖1中的圖像信號(hào)脈沖4.7 s吻合，再次驗(yàn)證所采集的信號(hào)為圖像信號(hào)），每個(gè)干擾波形大概占有2格，因此干擾波形周期C干=10μs，f干=1/C干=0.1 MHz。而每個(gè)行掃描頻率f行=15 625 Hz。因此f干/f行=0.1 MHz/15 625 Hz=6.4。即初步判斷干擾波是視頻波形的高次諧波，約為6.4次諧波。

再從圖4可以看到，一個(gè)圖像上有規(guī)則的干擾斜紋14～15條，因?yàn)槊繋硪环鶊D，而每幀周期圍C幀=0.04 s，f幀=25 Hz，那么上圖中每個(gè)干擾的周期為C干=C幀/14，f干=1/C幀=350 Hz，因此C干/50 Hz=7，與上述示波器分析基本吻合（示波器干擾波形周期是一個(gè)大概數(shù)），干擾對(duì)于市電是一個(gè)高次諧波。

3.2 干擾原因分析

通過以上分析，初步確認(rèn)視頻干擾主要來自高次諧波干擾。

（1）電梯哪些部件會(huì)產(chǎn)生高次諧波呢？

（2）高次諧波干擾通過什么途徑干擾圖像信號(hào)呢？

圖3 電梯運(yùn)行過程示波器采集的視屏圖像

高次諧波產(chǎn)生的原因主要是由于電力系統(tǒng)中存在非性線元件及負(fù)載產(chǎn)生的。如：電容性負(fù)載、感性負(fù)載及開關(guān)變流設(shè)備，諸如計(jì)算機(jī)及外設(shè)、電動(dòng)機(jī)、整流裝置等。為了改善電梯啟動(dòng)舒適感，電梯電機(jī)通常采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，通過變頻器改變啟動(dòng)電壓頻率，從而靈活控制電機(jī)平滑轉(zhuǎn)動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速。而變頻器的工作原理是將三相電源轉(zhuǎn)換成直流電源，再逆變成所需要的各種頻率的電源，在這個(gè)整流逆變過程，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。

通過對(duì)電梯控制柜內(nèi)各部件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電梯變頻器這個(gè)大的整流裝置。變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380 V/50 Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3 kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達(dá)15 kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備[2]。其中尤以5、7次諧波分量最大，其中五次諧波可以達(dá)到基波的40%，7次諧波可以達(dá)到基波的30%。因此初步判斷：電梯運(yùn)行過程中受到的干擾主要來自電梯變頻器。

圖4 橫紋干擾圖像

3.3 解決措施

變頻器干擾的途徑主要有輻射和傳導(dǎo)干擾兩種，那么電梯變頻器產(chǎn)生的高頻干擾是通過什么途徑引入干擾的呢？

根據(jù)國標(biāo)《GB50198－11》標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)弱電必須分開敷設(shè)，如果確實(shí)不能區(qū)分時(shí)，必須對(duì)信號(hào)傳輸電纜穿金屬軟管作屏蔽。因此電梯機(jī)房內(nèi)部布線在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了抗輻射干擾設(shè)計(jì)，因此在機(jī)房內(nèi)所有布線都通過金屬線槽進(jìn)行布線，且嚴(yán)格按照強(qiáng)弱電分開布線的原則。同時(shí)，電梯控制柜設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了屏蔽EMI輻射，控制柜本身就是一個(gè)完整的屏蔽體，因此通過輻射途徑導(dǎo)致視頻監(jiān)控干擾的已經(jīng)比較小。

從電梯主回路原理圖（圖5）中可以看出，總電源經(jīng)過空氣開關(guān)和缺相保護(hù)開關(guān)之后，直接進(jìn)入了INV（變頻器），通過整流逆變之后，直接進(jìn)入了電梯主機(jī)。由于沒有做任何的隔離措施，變頻器工作產(chǎn)生的高頻干擾就有可能通過電源線回饋回總電源，直接從設(shè)備電源中引入了干擾。

從電源側(cè)的傳導(dǎo)干擾只能從源頭進(jìn)行改善，在源頭將干擾諧波進(jìn)行過濾，因此可以考慮從變頻器輸入側(cè)串入380 V濾波器，隔離總電源與變頻器之間的高次諧波，從而防止干擾回饋回電源處。具體改善如圖6所示。

經(jīng)過上述改善后，監(jiān)控中心圖像效果已經(jīng)得到改善，并達(dá)到了國標(biāo)要求的4級(jí)以上，如圖7所示。

4 結(jié)束語

視頻干擾是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其干擾是多種多樣的，本文只是列舉了其中最常見的一種，對(duì)其采用示波器進(jìn)行協(xié)助分析。示波器的應(yīng)用，對(duì)于快速準(zhǔn)確找到干擾源起到關(guān)鍵的作用。該方法同樣適用于其他系統(tǒng)或其他種類的視頻干擾分析中。

圖5 電梯主回路圖

圖6 增加濾波器原理圖

視頻干擾的解決方法也是多樣的，解決方法的采用因環(huán)境而異，有時(shí)不能簡單通過一個(gè)方法消除干擾，而是需要多個(gè)措施結(jié)合使用才能達(dá)到最佳的效果。事后的問題應(yīng)對(duì)，往往需要增加大量的工作，并不是最優(yōu)的方案，是迫不得已的選擇，預(yù)防才是最好的方法。因此嚴(yán)格按照《GB50198-11民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》布線要求進(jìn)行施工，避免視頻信號(hào)在傳輸過程受到干擾，同時(shí)在與各系統(tǒng)配合設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)之間的相互干擾，才是最好的解決方案。

圖7 改善前后對(duì)比

［1］GB50198-11.民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］張?zhí)m，劉建霞.變頻器諧波干擾與抑制［J］.中國科技信息，2005（16）：68，74.