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电梯系统中变频器对旋转编码器信号的干扰分析以及解决措施

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  摘要:变频器在电梯调速系统中广泛应用,但变频器对电梯系统弱信号特别是编码器的脉冲信号的干扰也显得越来越明显。本文通过认真分析变频器对编码器信号干扰途径,总结提出了抑制变频器对编码器脉冲信号干扰的有效措施。

  关键词:变频器干扰 编码器脉冲信号 传导干扰 辐射干扰 耦合干扰

  如今,变频调速系统凭借其显著的节能、平滑精确调速和软启动等优点已经成为了电梯调速系统的主流技术。变频器在电梯系统中很常见,几乎成了电梯控制柜中的“标配件”,不管变频器是以独立部件出现还是与电梯控制板一起以一体机形式出现。然而,在变频调速系统中,在享受着其带来的优点同时,也受到其带来的干扰影响。

  变频器干扰主要原因是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件,其产生的谐波对电网将产生传导干扰,引起电网电压畸变,影响电网的供电质量;其次是变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件,在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰,影响周边电器的正常工作。而在电梯系统中,变频器干扰对弱信号的检测和传输极为不利,编码器信号是极为容易受到干扰的弱信号,编码器信号受干扰后,轻则会造成错层、平层不准确、无故停梯、电梯运行时剧烈震荡等故障,严重时会使系统检测不到编码器信号,导致系统紊乱,电梯无法工作。

变频器对编码器信号的干扰途径

     通过电源线传导干扰

     变频器的干扰噪声通过输入电源线传导到电网中,干扰同一网络上的编码器。图1-a是笔者在变频器没有启动前测得变频器输入电源的波形,是一标准50Hz正弦波;而图1-b是变频器工作时,在变频器输入端测得的电源波形,很明显,图1-b波形中除了50Hz信号,还叠加了很多高次谐波的干扰。从两个波形图对比可得知,变频器工作时,噪声干扰会沿着输入电源线传导到其他设备。

        

  图1-a  变频器启动前输入电源波形          图1-b  变频器启动后输入电源波形

  通过辐射干扰

   变频器的输入和输出电流中都有频率较高的谐波成分,高次谐波所产生的电磁场具有辐射功能,编码器线路因接收到辐射电磁波而受到干扰。噪声频率越高,辐射能力越强,但传播距离短;而噪声频率越低,辐射能力较弱,但传播距离越远。图2-a和图2-b波形信号是笔者做的实验对比,图2-a是编码器传输线离变频器很远时且信号线采用屏蔽措施后(可以认为编码器没有受到辐射干扰)所测得的波形,图2-b是编码器传输线离变频器很近时,并而没有采取屏蔽措施(可以认为编码器信号受到了辐射干扰)所测得的信号波形。从对比得知,编码器信号在受到辐射干扰后的波形严重失真,影响PLC或者CPU对脉冲的计数准确性。

        

      图2-a 编码器正常信号                       图2-a 受辐射干扰的编码器信号

  通过耦合干扰

  当变频器的输入输出电缆与编码器电缆离得很近,而且长距离平行敷设,变频器的高次谐波信号将通过电缆的分布电容耦合到编码器的线路当中,对编码器的信号造成干扰。图3-a和图3-b是笔者做对比试验测得的信号波形

        

  图3-a 正常波形                 图3-b 编码器信号受到耦合噪声干扰波形

  其中图3-a是正常的信号波形,图3-b是把编码器的传输电缆(非屏蔽电缆)与变频器的输出电缆扎在一起,平行布线所测得的信号波形。从对比结果得知,图3-b信号是受到了变频器输出电缆噪声的耦合干扰,从波形图来看,与前面所提的辐射噪声干扰不一样,该干扰主要是低频耦合噪声。

  解决变频器对编码器信号干扰的措施

  1、 降低干扰源的强度

  干扰很大程度上是由于变频器内部高速IGBT的开关造成的,降低IGBT的开关频率能大大降低干扰源的强度。一般变频器都有载波频率设置,为了降低干扰,推荐把载波频率设置成最低(2KHz)。不推荐载波频率低于2K Hz,,若载波频率低于2K Hz,电机噪音很很大,而且变频器噪声反而会增大。降低载波频率后,无论是传导干扰、辐射干扰还是耦合干扰都可以大大降低,因此这是最有效的降低干扰的方式之一。

  2 、采取屏蔽措施

      编码器的传输电缆采用屏蔽电缆,变频器的输入输出动力电缆也采用屏蔽电缆。采用屏蔽措施后,可以大大降低辐射干扰和耦合干扰。采取屏蔽措施是抑制干扰的有效措施之一。

     3、加装滤波器

     因为变频器的干扰噪声会沿输入电缆传导到编码器,在变频器输入侧加装滤波器可以抑制变频器对电源的干扰,也就是切断了传导干扰的传播路径。变频器加装输出滤波器可以降低输出电缆的耦合噪声,对电机而言,也可以减少损耗和降低振动。

      4、动力线和弱信号线分开敷设

      变频器的动力电缆和编码器的传输电缆分开敷设,尽量拉开距离。这样做的好处是可以降低耦合噪声。

      5、弱信号系统采用隔离电源

      编码器的电源尽量采用带有隔离功能的线性电源,尽量不要用一般的开关电源。带有隔离功能的线性电源可以切断变频器的传导干扰,为编码器提供高质量的电源,而一般开关电源没有隔离功能,而且电源纹波比较大。

      6、编码器信号采用差分传输

       在强干扰场合,尽量选用差分输出的编码器,对比单端输出信号而言,差分输出信号具有更强的抗干扰能力和更远的传输距离。

      7、电容滤波

      在编码器信号的进入PLC或者微机板的IO口前采用一个小电容(几百到一千皮法)并联在信号线与地线之间,可以降低高频干扰。

       8、软件滤波

      在PLC软件或CPU软件对脉冲进行计数时,采用适当的滤波算法进行去干扰也是一种可行的办法。

      总结

      电梯控制系统中,编码器作为闭环控制的一个反馈关节,其信号质量影响到电梯的加减速控制、平层精度、舒适感等众多功能。然而,编码器信号又是弱信号,容易受到变频器噪声的干扰,因此,认真分析变频器对编码器的干扰及采取合理措施抑制干扰使电梯可靠正常工作是十分必要的。

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