電梯電子裝置的電磁兼容環(huán)境適應(yīng)性測試分析

摘

要：電梯的運行環(huán)境及電磁干擾對電梯電子裝置的正常運行影響很大，進(jìn)而會影響電梯的安全運行。鑒于此，介紹了電梯領(lǐng)域電磁兼容的基本概念、電磁兼容現(xiàn)象、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，對電梯電磁兼容三要素——騷擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備做了詳細(xì)解讀，并對電磁兼容測試的試驗重點要求進(jìn)行了闡述，最后提出了一些解決電梯電磁兼容問題的措施方法，可為進(jìn)一步提高電梯安全運行性能、對電梯電磁兼容領(lǐng)域進(jìn)行深入研究提供借鑒。關(guān)鍵詞：電梯系統(tǒng)；電磁兼容；三要素；試驗測試0引言“出門第一步、回家最后一程”，電梯已然成為與人們生活密切相關(guān)的必備交通工具。截至2021年底，全國電梯保有量達(dá)879.98萬臺，且以每年10%的速度在增長?！皵?shù)量大、頻率高、人員廣”是電梯典型的三大特點，其生產(chǎn)、使用過程中的安全性不容忽視，因此，近年來，政府嚴(yán)格加強電梯質(zhì)量安全監(jiān)督工作，以抓好“電梯安全”這根生命線。目前，電梯的控制技術(shù)不斷發(fā)展革新，由最初的繼電器控制逐步發(fā)展為PLC控制、單片機(jī)控制，再到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的一體化微機(jī)控制，加上智能傳感器及智能檢測設(shè)備的使用，讓電梯控制裝置的體積越來越小，控制柜越來越整潔簡化，智能化程度及可靠性不斷提高，當(dāng)然其抗電磁干擾的能力也相對變?nèi)?。為了保證電梯的運行控制安全及控制精確度，對大量使用集成電路進(jìn)行控制的電梯，考慮電梯投入運行使用的自然環(huán)境及電磁兼容問題顯得尤為重要，應(yīng)對復(fù)雜、惡劣的使用環(huán)境，應(yīng)不斷加強電梯控制系統(tǒng)、電子裝置的環(huán)境適應(yīng)性及電磁兼容技術(shù)方面的深入研究。1電梯電磁兼容基礎(chǔ)1.1基本概念EMI（ElectroMagneticInterference）指電磁干擾度，即電氣產(chǎn)品在正常運行下，不向外發(fā)射超過標(biāo)準(zhǔn)給定限值的電磁干擾。EMS（ElectroMagneticSusceptibility）指電磁敏感度，也叫電磁抗干擾度，指電磁能量造成性能下降的容易程度，即電氣產(chǎn)品應(yīng)具有抵抗給定電磁干擾的能力，并且保留一定的抗干擾度余量。EMC（ElectroMagneticCompatibility）指電磁兼容性，意指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作且不對環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力，如圖1所示。對電梯產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容性能的研究就是為了測試電梯產(chǎn)品的電磁干擾的發(fā)射強度和抵抗外界干擾的能力強弱。電磁兼容是一個近幾年迅速發(fā)展起來的新興綜合類學(xué)科，其根源在于研究電磁波，當(dāng)然要想深入研究電磁兼容，研究者必須具備電學(xué)、電磁學(xué)、數(shù)學(xué)、微波技術(shù)、無線傳輸、通信學(xué)、材料學(xué)、控制理論、機(jī)械制造與工藝、生物學(xué)、社會科學(xué)、測量與計量技術(shù)等眾多學(xué)科的學(xué)習(xí)與研究能力，才能盡可能全面地認(rèn)識和分析電磁兼容問題。1.2電梯電磁兼容現(xiàn)象電梯的電磁兼容現(xiàn)象在電梯投入使用后的各種場合都會發(fā)生，主要有：（1）電梯運行中不能正常平層或平層位置不準(zhǔn)確；（2）電梯運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)非正常斷電；（3）電梯轎廂設(shè)置的驅(qū)動門機(jī)不能正常實現(xiàn)轎門的開啟和關(guān)閉或關(guān)門不到位就報故障電梯不運行等現(xiàn)象；（4）電梯層站位置的召喚呼梯系統(tǒng)、轎廂內(nèi)的選層系統(tǒng)控制紊亂，導(dǎo)致電梯無法正常響應(yīng)乘客的電梯使用需求或電梯不能正確停在乘客目的樓層位置；（5）電梯系統(tǒng)中設(shè)置有眾多安全保護(hù)裝置和安全電路等，安全保護(hù)電路異常失效；（6）內(nèi)置的自動應(yīng)急救援系統(tǒng)失靈，無法實現(xiàn)自動正常的應(yīng)急救援或電梯不能停在正確的平層位置；（7）緊急救援通話系統(tǒng)無法接通或通話質(zhì)量不清晰，導(dǎo)致救援不及時；（8）電梯安裝后對其他樓宇控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致其發(fā)生非正常故障。根據(jù)研究，電梯的電磁兼容部件主要分布在機(jī)房、井道、電梯轎廂位置，如：（1）電梯的控制柜、控制屏、緊急和測試操作屏裝置，其設(shè)置有變頻器、控制器、電子器件、電氣元件等；（2）驅(qū)動主機(jī)，其設(shè)置有永磁同步電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、電磁制動器、故障監(jiān)測開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等；（3）主開關(guān)；（4）位于電梯層站處的呼梯按鈕、樓層指示器等；（5）電梯轎廂的門控裝置，主要有門電機(jī)、門控制器、門保護(hù)裝置等；（6）轎廂按鈕、指示器、操作盒、顯示屏、物聯(lián)網(wǎng)終端等；（7）動力電線及控制電線，包括電源線、隨行電纜、附屬電纜等；（8）位置感應(yīng)器、紅外感應(yīng)裝置等；（9）照明系統(tǒng)；（10）空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)；（11）光幕、安全觸板裝置。1.3電梯電磁干擾的危害電梯電磁干擾的危害主要體現(xiàn)在兩方面：一是對電梯使用人員的人身傷害，長時間處在電磁輻射環(huán)境內(nèi)會對身體健康造成一定影響；二是對電梯設(shè)備本體安全及運行性能造成影響，使電梯不能準(zhǔn)確響應(yīng)使用者的需求，自身發(fā)出的控制信號也無法及時正確地去執(zhí)行，電梯開關(guān)門異常、制動器帶閘運行、接觸器吸合異常、不能保證停層準(zhǔn)確度和保持精度，經(jīng)常性出現(xiàn)故障困人現(xiàn)象，造成電梯使用人員恐慌。受到電磁干擾的電梯故障頻發(fā)，多表現(xiàn)為偶發(fā)性故障，且部分會在一定時間間隔后自動恢復(fù)正常運行，維保人員缺乏此方面的技術(shù)力量，也就無法找到問題根源，浪費人力、物力、財力資源。當(dāng)然，電梯作為一種機(jī)電設(shè)備，不可避免地會對周圍環(huán)境中的設(shè)備、電子產(chǎn)品造成電磁干擾，這就需要在設(shè)計階段著重考慮其使用環(huán)境，進(jìn)行相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計。隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展及人們需求的提高，為了保證控制、通信的正常，部分設(shè)計會考慮以增加發(fā)射功率的方式保證無線通信的信噪比，進(jìn)而會造成更大的電磁污染危害。1.4電梯電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀我國電磁兼容研究的正式開展最早起始于20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)80年代初電磁兼容技術(shù)才開始發(fā)展。在電梯領(lǐng)域，直到最近十幾年，國內(nèi)業(yè)界才逐漸意識到電磁兼容技術(shù)的重要性。電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)主要分為基礎(chǔ)應(yīng)用類標(biāo)準(zhǔn)、通用類標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)和專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)應(yīng)用類標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了符合電磁兼容的最基本要求和規(guī)則，適用于所有涉及電磁兼容的設(shè)備、產(chǎn)品，但是不對具體的發(fā)射閾值和抗擾度進(jìn)行規(guī)定，是電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)；通用類標(biāo)準(zhǔn)則給出特定環(huán)境下最低要求和測試程序方法。各類標(biāo)準(zhǔn)組成一個金字塔結(jié)構(gòu)，自上而下數(shù)量越來越多，要求越來越細(xì)，也更加具體。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)行電磁兼容方面的國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量有187項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)85項、地方標(biāo)準(zhǔn)4項，涉及醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、健康和安全、計量、機(jī)械制造、能源、電氣工程、車輛工程、航空航天、工業(yè)機(jī)器人、建筑材料等各個行業(yè)領(lǐng)域。目前，電梯專用的電磁兼容相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)有[1-3]：《電梯型式試驗規(guī)則》（TSGT7007—2022）（2022年7月1日實施）；GB/T7588—2020系列標(biāo)準(zhǔn)及《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB16899—2011）對電梯的電磁兼容性方面有推薦性要求；《電梯、自動扶梯和自動人行道的電磁兼容發(fā)射》（GB/T24807—2021）（2022年7月1日實施）和《電梯、自動扶梯和自動人行道的電磁兼容抗擾度》（GB/T24808—2022）（2022年10月1日實施），兩項標(biāo)準(zhǔn)均經(jīng)過一次修訂。按照電梯安全技術(shù)規(guī)范的要求，要對電梯含有電子元件的安全電路和可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的外殼端口、信號和控制線端口、直流電源輸入/輸出端口、交流電源輸入/輸出端口、可編程系統(tǒng)啟用后的實現(xiàn)等進(jìn)行電磁兼容抗擾度測試，且均應(yīng)達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)D級的要求，也就是其按照設(shè)計連續(xù)運行，除了非因故障進(jìn)入安全模式，不允許有任何性能降低和功能損失。2電梯電磁兼容三要素分析在應(yīng)用大量電子裝置的電梯控制系統(tǒng)中，形成電磁干擾的三個基本要素是釋放電磁干擾的騷擾源、對騷擾源比較敏感的敏感設(shè)備以及在騷擾源和敏感設(shè)備之間建立的傳導(dǎo)和輻射通道，相對關(guān)系如圖2所示。在考慮電梯系統(tǒng)的電磁兼容問題時，只要采取措施確定、削弱、降低、破壞三要素其中任一要素的作用就可以克服電磁干擾。2.1騷擾源環(huán)境中能夠稱為騷擾源的因素有很多，按照騷擾來源分類，主要有自然騷擾和人為騷擾。FM廣播、藍(lán)牙、Wi-Fi、移動通信等無線通信設(shè)備，微波爐、電磁爐、無線感應(yīng)充電等工業(yè)設(shè)備的人為干擾源，甚至雷電、靜電、宇宙噪聲等自然干擾源都可以稱為騷擾源。在電梯系統(tǒng)組成部分中，其自身也有產(chǎn)生干擾的騷擾源存在，比如電動機(jī)、電磁制動器、變壓器、開關(guān)電源、變頻控制器、接觸器、繼電器、控制板中的電容電感等容性和感性元件等，都會產(chǎn)生電磁干擾。2.2耦合路徑耦合路徑也就是系統(tǒng)中傳遞干擾的通路或媒介，按照傳播途徑主要分為兩種：導(dǎo)體傳播的傳導(dǎo)騷擾、空間傳播的輻射騷擾，如圖3所示。傳導(dǎo)騷擾要求在騷擾源與敏感設(shè)備間有完整的電路連接，即有金屬導(dǎo)體作為媒質(zhì)，在較低的頻段內(nèi)，電磁騷擾主要是通過傳導(dǎo)的方式影響周圍的設(shè)備；在高頻段因為線纜的集膚效應(yīng)，線損增大，騷擾的影響減小。輻射騷擾是通過周圍媒介射頻能量以電磁波的形式向周圍發(fā)射，這種方式一般是通過設(shè)備外殼或連接線向外發(fā)射，可在真空中進(jìn)行。2.3敏感（源）設(shè)備在電梯系統(tǒng)中安裝使用的電子元器件都有可能成為被騷擾的潛在目標(biāo)對象。當(dāng)然，每一個潛在的敏感設(shè)備器件只有當(dāng)前述的騷擾源發(fā)出的騷擾真正超過其敏感閾值且對騷擾做出反應(yīng)，才能稱作受到了騷擾。值得一提的是，許多器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)可以既是電磁騷擾源又是敏感設(shè)備。3電梯電子裝置電磁兼容試驗測試根據(jù)定義，電梯電磁兼容試驗分為發(fā)射試驗和抗擾度試驗兩個方面。3.1發(fā)射試驗發(fā)射試驗包括輻射和傳導(dǎo)的射頻發(fā)射、電壓的波動和閃爍、脈沖噪聲、主電源電流諧波。在裝置或裝置組合的每個外殼端口（輻射）測量的電磁發(fā)射水平不應(yīng)超過表1規(guī)定的限值。對于電壓有效值1000V以下的裝置或裝置組合，在其每個交流主電源端口測量的電磁發(fā)射水平不應(yīng)超過表2規(guī)定的限制。3.2抗擾度測試電梯電磁兼容抗擾度試驗包括：靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、射頻磁感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、電壓暫降和中斷抗擾度。浪涌產(chǎn)生的原因：開關(guān)操作（例如電容器組的切換、晶閘管的通斷、設(shè)備和系統(tǒng)對地短路和電弧故障等）或雷擊（包括避雷器動作）可以在電網(wǎng)或通信線上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓或過電流。浪涌的危害主要分成兩種：災(zāi)難性的危害和積累性的危害。電梯遭受雷擊浪涌損壞的主要原因：（1）電梯所安裝的建筑物的防雷系統(tǒng)不符合建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，或防雷系統(tǒng)損壞。（2）電梯設(shè)計不符合GB/T24808—2022中浪涌抗擾度試驗的有關(guān)規(guī)定，這也是新版國標(biāo)GB/T7588.1中提高了抗擾度有關(guān)要求的原因之一。（3）電梯加裝了相關(guān)浪涌沖擊防護(hù)器件，但由于選用器件產(chǎn)品質(zhì)量或規(guī)格與設(shè)計要求不符，無法達(dá)到應(yīng)有的電磁兼容防護(hù)效果。因此，應(yīng)該做好電梯自身防浪涌設(shè)計，落實到位，有備無患。結(jié)合電梯所在的建筑物，將電梯納入整個建筑物的防雷體系中，形成多層次防護(hù)，逐級削弱浪涌沖擊，從而提高電梯的浪涌抗擾度。圖4所示為在電源端加裝的浪涌保護(hù)器。4電梯電子裝置電磁兼容改進(jìn)建議電梯產(chǎn)品的電磁兼容問題，除了考慮自身產(chǎn)品及產(chǎn)品內(nèi)置元器件的基本性能和功能滿足要求外，還必須考慮其運行環(huán)境的不同或投入使用后環(huán)境的變化對電梯產(chǎn)品的影響，尤其是涉及的電磁環(huán)境。對電梯電磁兼容的改進(jìn)措施主要從抑制騷擾源、切斷騷擾耦合途徑、提高敏感設(shè)備的抗擾度三個方面進(jìn)行考慮[4-7]，即分析電磁騷擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備，并采取有效的技術(shù)手段。電梯電磁兼容的改善貫穿電梯的全生命周期，當(dāng)然，在電梯的設(shè)計階段采取合理的防干擾措施有效性最高，需要的成本也最低，如圖5所示。工程中經(jīng)常用到的一個重要措施就是屏蔽，其原理是利用設(shè)置的屏蔽物或屏蔽空間來抑制或減少電磁能量相互傳遞輸出，既限制屏蔽物內(nèi)的電磁能輻射泄漏出屏蔽空間，又對屏蔽物以外的電磁輻射滲入屏蔽物以內(nèi)起到一個隔離的作用。從控制柜柜體材料的角度考慮，因為鋁材質(zhì)、鋼材質(zhì)導(dǎo)電率比較高，尤其是鋼的相對導(dǎo)磁率達(dá)到了145，因此其屏蔽效果比較好。對于柜體內(nèi)安裝的變頻器、控制器等元器件要合理布局，盡量將元器件分為高頻部件和低頻部件，設(shè)置區(qū)域，利用金屬板進(jìn)行分割，并將金屬部件外殼全部進(jìn)行有效接地處理?？刂乒竦墓δ苄蚤_口要盡量少并且其尺寸要小，要檢查控制柜門鎖的有效性，確保控制柜門保持在關(guān)閉狀態(tài)。電梯控制板上的元器件在布局設(shè)計時應(yīng)充分縮短相互之間引線的接線距離，并對電源線、數(shù)字信號和模擬信號進(jìn)行區(qū)分布置，減少相互之間的信號耦合。對于線纜的選擇，盡量選用雙絞線、屏蔽線以減少磁場耦合干擾，如圖6所示，在空間允許的前提下，盡量擴(kuò)大布線之間的距離，對于采用屏蔽層的電纜必須做好接地處理。對于需要接地的設(shè)備、線管線槽等要經(jīng)常性檢查其接地的有效性，如圖7所示，保證接觸良好，盡量減少接地阻抗，增大接地面積。接地線盡量選用直徑較粗的線纜，并縮短接地線的長度，采用距離其最近的接地平面。對于接地體要定期檢查其安裝牢固程度，不能松動或接觸不良，以免接地電阻變大。在電梯設(shè)備上加裝濾波器、磁環(huán)等也是有效和常見的電磁兼容設(shè)計手段。磁環(huán)用于吸收系統(tǒng)中多余的能量，并對多余的無價值的干擾進(jìn)行過濾，從而避免了電梯在使用過程中受到來自其他設(shè)備的不同頻段的電磁干擾影響。濾波就是對不需要的傳導(dǎo)性電磁干擾進(jìn)行抑制，濾波器實際上是一種過濾裝置，通常是由電感器、電容器、電阻器組成的濾波電路，將電梯系統(tǒng)不希望的頻率有效濾除。通常在主開關(guān)進(jìn)線端、變頻器輸出側(cè)加裝磁環(huán)，能較好地解決電磁干擾問題，如圖8所示。當(dāng)然，根據(jù)線纜所連接的位置的不同、頻率的不同，可以更進(jìn)一步地精細(xì)化選擇磁環(huán)的型式，比如非晶磁環(huán)、錳鋅磁環(huán)、鎳鋅磁環(huán)。此外，電梯的安裝運行環(huán)境對于電梯的運行也至關(guān)重要，電梯的安裝是在井道內(nèi)，必須做到電梯的井道專用，不能用于電梯以外的其他用途，比如建筑物樓宇的監(jiān)控裝置、動力電源，以及用于增強電梯轎廂移動信號的信號放大裝置等，都不得設(shè)置在井道內(nèi)。對于電梯轎廂，使用單位習(xí)慣加裝一些智能監(jiān)控裝置、廣告電子屏等，建議加裝前咨詢專業(yè)的技術(shù)機(jī)構(gòu)鑒定該類設(shè)備的電磁發(fā)射裕量是否超標(biāo)，是否對電梯安全運行有影響，如果存在影響，則需要