電梯電子裝置的電磁兼容環(huán)境適應(yīng)性測試分析

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。"數(shù)量大、頻率高、人員廣"是電梯典型的三大特點(diǎn),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(qiáng)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)酢?

為了保證電梯的運(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)行下,不向外發(fā)射超過標(biāo)準(zhǔn)給定限值的電磁干擾。

EMS(E1ectroMagneticSuSceptibi1ity)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(E1ectroMagneticCompatibi1ity)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。

圖1 EMC、EM1與EMS

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(qiáng)度和抵抗外界干擾的能力強(qiáng)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(jì)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(yùn)行中不能正常平層或平層位置不準(zhǔn)確:

(2)電梯運(yùn)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(shí)現(xiàn)轎門的開啟和關(guān)閉或關(guān)門不到位就報(bào)故障電梯不運(yùn)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(shí)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(shí)：

（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(shí)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(yùn)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(shí)正確地去執(zhí)行,電梯開關(guān)門異常、制動器帶閘運(yùn)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(shí)間間隔后自動恢復(fù)正常運(yùn)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(fèi)人力、物力、財(cái)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(jì)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(jì)。

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(jì)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)。基礎(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(jì),現(xiàn)行電磁兼容方面的國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量有187項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)85項(xiàng)、地方標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng),涉及醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、健康和安全、計(jì)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(yàn)規(guī)則》)TSGT7007一2022))2022年7月1日實(shí)施)(GB/T7588一2020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》)GB16899一2011)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/T24807一2021))2022年7月1日實(shí)施)和《電梯、自動扶梯和自動人行道的電磁兼容抗擾度》)GB/T24808一2022))2022年10月1日實(shí)施),兩項(xiàng)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(shí)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(jì)連續(xù)運(yùn)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(shí),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?yàn)榫€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。

圖3 電磁兼容耦合路徑

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(yàn)測試

根據(jù)定義,電梯電磁兼容試驗(yàn)分為發(fā)射試驗(yàn)和抗擾度試驗(yàn)兩個方面。

3.1發(fā)射試驗(yàn)

發(fā)射試驗(yàn)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l000V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(yàn)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(jì)不符合GB/T24808一2022中浪涌抗擾度試驗(yàn)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(jì)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(jì),落實(shí)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(yùn)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(jì)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?yàn)殇X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(jì)時(shí)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。

圖6 雙絞屏蔽電纜

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(jì)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(jià)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(shí)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(yùn)行環(huán)境對于電梯的運(yùn)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(qiáng)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(yùn)行有影響,如果存在影響,則需要采取進(jìn)一步的屏蔽措施等。

在電梯機(jī)房應(yīng)告知使用單位不允許設(shè)置通信用的信號放大裝置以及其他設(shè)備用的信號電纜等,如圖9所示。機(jī)房一般位于電梯井道的頂部,因此也需要做好避雷措施。

圖9 機(jī)房放置的與電梯運(yùn)行無關(guān)的通信信號放大器

在電梯井道或機(jī)房位置設(shè)置的電纜、通信信號線纜等應(yīng)盡量設(shè)置在金屬管槽中,并做好相應(yīng)的接地措施,確保所有線纜和線槽的外露可導(dǎo)電部分能獨(dú)立接入接地端子。

對于新制造的電梯建議邀請專業(yè)的技術(shù)機(jī)構(gòu)依據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的測試方法進(jìn)行相關(guān)電磁兼容的認(rèn)證試驗(yàn)測試,推動電磁兼容設(shè)計(jì)的規(guī)范化。

5結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,電梯信息化、自動化、智能化程度越來越高,其所依附的建筑物的環(huán)境復(fù)雜程度也在提高,人們?yōu)榱俗非笫孢m感和安全感,對電梯的安全運(yùn)行也提出了更高的要求,其中電梯的電磁兼容現(xiàn)象是不得不引起重視的一個方面。

在電梯的設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、修理和使用過程中,必須將電磁兼容性考慮在內(nèi),考慮一切對電梯本體的變更設(shè)計(jì)是否對電梯及其周圍物體造成影響。對電梯技術(shù)領(lǐng)域的電磁兼容問題進(jìn)行深入研究,提高電梯系統(tǒng)的抗干擾能力是電梯設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用全過程都需要考慮的問題,對于保障電梯及其周圍電子產(chǎn)品的安全有效運(yùn)行非常重要。同時(shí),還要根據(jù)實(shí)際情況尋求有關(guān)政府部門的幫助,提出共同保護(hù)電磁環(huán)境不受污染的建議。

由于電梯領(lǐng)域的電磁兼容研究起步較晚,相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系還未完善建立,因此筆者建議,應(yīng)加強(qiáng)對該領(lǐng)域的深入研究,針對電梯這一特定的設(shè)備,根據(jù)其使用環(huán)境特點(diǎn)設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求,以保障電梯的安全運(yùn)行。