电梯系统的接地和抗干扰技术处理

关键词：埋入装设接地大地

通常所指说的接地, 就是将电气设备、装置等的某部分与大地之间做良好的电气连接。埋入大地中且直接与大地充分接触的金属导体, 称之为接地体或接地极。人为装设的专门用于接地的接地体, 称为人工接地体。兼作接地体用并直接与大地充分接触的各种金属构件及建筑物的钢筋混凝土基础等, 称为自然接地体。连接接地体与电气设备、装置等的金属导体, 称为接地线。接地线和接地体合称为接地装置。

电气上的“地”, 是指电位等于零的地方。电气设备的接地部分, 如接地的外壳和接地体等, 与零电位的“大地”之间的电位差, 称为接地部分的对地电压。当电气设备发生接地故障时, 就有电流通过接地体向大地作半球形散开, 这一电流称之为接地电流。接地电流向大地散流过程中遇到的电阻, 称为接地电阻。

电梯控制系统是一个比较复杂的弱电控制系统, 随着电力电子装置在电梯控制中的广泛应用, 其抗干扰和各种接地保护措施也日益显得重要。在电梯控制系统中, 接地保护主要包括信号接地保护、安全接地保护和防雷击接地保护等。

1 电梯控制系统主要干扰源及危害

近年来大功率电力电子装置被广泛应用于电梯控制系统, 通常这些装置的波形是斩波形, 最常见的是PWM波形, 这使其输入和输出含有高次谐波, 这些来自变频器内部的开关噪声脉冲可通过电梯的信号线、动力线和地线系统入侵;由于这些大功率器件运行于高载波频率方式下, 因此还可以在空中传播, 若其它电子设备与之装在同一柜内, 由于其相对距离在噪声的辐射范围内, 且布线相对较近, 这些噪声就将对其它电子设备的运行产生干扰。

电梯控制系统还有来自外部电网的干扰, 电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频系统, 电网中存在大量谐波源和非线性负载, 使得电网电压、电流产生波形畸变, 变频器的供电电源的干扰若不加处理, 电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器, 其主要类型包括:过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、电压跌落、尖峰电压脉冲和射频干扰等。电机的电枢传输线与其他传输线如抱闸制动电源传输线之间的电容性耦合和电感性耦合也容易成为干扰源。

这些噪声给电梯控制系统的电子部件、敏感组件造成干扰, 致使接触器、继电器、直流电源等设备过热、噪声和振动, 影响它们的使用寿命和工作可靠性;当干扰信号电平高于某一电子器件的门坎电压时, 就可能导致器件的误触发;严重时可击穿烧毁电子器件使电梯不能正常服务。

2 抗干扰措施

2.1 干扰的三种基本模式

第一类为电容性 (电场) 干扰, 起因于电路间电场的相互作用, 有时也称静电干扰。第二类为电感性 (磁场) 干扰, 起因于电路间磁场的相互作用, 有时也称电磁干扰。第三类为电场和磁场的混合作用的干扰, 最适合称为电磁干扰。屏蔽线的接地有三种情况, 即:单端接地方式、两端接地方式、屏蔽层悬浮。

(1) 单端接地方式:假设信号电流I1从芯线流入屏蔽线, 流过负载电阻RL之后, 再通过屏蔽层返回信号源。因为I1与I2大小相等方向相反, 所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。

(2) 两端接地方式:由于屏蔽层上流过的电流是I2与地环电流Ig的迭加, 所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此, 它抑制磁场耦合干扰的能力也比单端接地方式差。单端接地方式与两端接地方式都有屏蔽电场耦合干扰作用。

(3) 屏蔽层悬浮:只有屏蔽电场耦合干扰能力, 而无抑制磁场耦合干扰能力。

2.2 电梯控制系统抗干扰技术

(1) 在硬件抗干扰措施中, 采用合适的隔离、接地和屏蔽方式是有效降低电磁干扰的基本方法, 在抗干扰接地处理时, 要注重避开地环电流的干扰和降低公共地线阻抗的耦合干扰, “一点接地”有效地避开了地环电流;而在“一点接地”前提下, 并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施;它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。

电梯主控系统变频装置和电柜控制系统中为抑制电磁干扰, 系统设计时可采用以下措施。

(1) 对于通过电源线传播的传导干扰, 可采用隔离滤波变压器, 对高频成分形成隔离;在直流回路串接直流电抗器, 以提高对谐波成分的阻抗;在变频器输入端串入线路滤波器。

(2) 优化变频器本身防护机构和电机电缆的布线, 尽量缩短布线距离, 并将导线对绞以减少阻抗;选用铁壳金属封闭结构的变频器并将壳体可靠接地, 将输入输出电缆放置于保护管中敷设并将保护管的外壳接地;在变频器输出端设输出电抗器和输出滤波器。

在抑制电梯控制系统外部干扰源时, 为抑制电网电压波形的畸变可有多种措施。

(1) 在各电机交流进线主回路串入电抗器, 通过增设电抗器, 可以减少脉冲状电流波形的峰值, 达到改善电流波形的目的。电抗器的选择以电压降在负载额定电压的2%~5%为宜, 例如, 电压降为5%的电抗器, 可降低约30%的高次谐波含有率。

(2) 在一次和二次回路中接入LC或RC滤波器, 通过削波和油电感电容组成的高次谐波谐振电路达到吸收谐波的目的。

(3) 尽量采用有功率因数校正的整流电路, 这种控制方式的电路与PWM控制方式的逆变电路结构相同, 并能控制变频器的输入电流波形近似为正弦波, 其产生的高次谐波成分比较小。

(2) 在电梯控制系统中的其他易于意外带电和造成干扰的地方, 通常是将各电气部件的裸露金属部分通过接地装置与大地做可靠的“电气连接”。在这些部件的接地处理时, 要选用并联接地的方式, 并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关, 互相之间不会造成耦合干扰。在选用接地线时, 需要考虑尽量降低接地线的阻值, 使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。在同一系统的不同部件中, 可以适当使用串联接地, 在串联接地方式中, 各电路各有一个电流I1、I2、I3等流向接地点。由于地线存在电阻, 因此, 每个串联接点的电位不再是零, 于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用, 应当尽力减小公共地线的阻抗, 使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是:最怕干扰的电路的地应最接近公共地, 而最不怕干扰的电路的地可以稍远离公共地。

(3) 在电梯控制系统的数据传输、通讯中, 有效降低电磁干扰的方法是屏蔽。屏蔽是将金属物件置于空间的两个区域中, 以控制某一区域的电场或磁场不任意散播到另一区域中。金属屏蔽物可以用来覆盖干扰源, 使其电磁场不至于外泄。金属屏蔽物也可以用于防止干扰源干扰到某一特定的区域。电梯控制系统日益趋向智能化的, 所以集成电路应用也是必然的, 微机处理系统更是提高了效率, 在这些数据交换和通讯中, 如何才能保证准确而不被干扰?屏蔽接地处理是解决问题的关键。

(4) 软件抗干扰技术也灵活地应用于电梯的各个控制程序当中, 工程中常用看门狗定时复位技术 (Watchdog) , 若主程序在看门狗程序设定时间内未能给出刷新看门狗定时器的信号, 则看门狗中断将使系统复位;软件防抖动则常用于电梯中的各种按键检测程序中, 另外在控制程序的非正常运行程序区设置软件“陷阱”、设置自检程序等方法也常用于电梯控制系统, 这些软件的看干扰技术与硬件技术一起为电梯的稳定运行构成了一道屏障。