电梯电子装置的电磁兼容环境适应性测试分析

引言

"出门第一步、回家最后一程",电梯已然成为与人们生活密切相关的必备交通工具。截至2021年底,全国电梯保有量达879.98万台,且以每年10%的速度在增长。"数量大、频率高、人员广"是电梯典型的三大特点,其生产、使用过程中的安全性不容忽视,因此,近年来,政府严格加强电梯质量安全监督工作,以抓好"电梯安全"这根生命线。

目前,电梯的控制技术不断发展革新,由最初的继电器控制逐步发展为PLC控制、单片机控制,再到现在普遍应用的一体化微机控制,加上智能传感器及智能检测设备的使用,让电梯控制装置的体积越来越小,控制柜越来越整洁简化,智能化程度及可靠性不断提高,当然其抗电磁干扰的能力也相对变弱。

为了保证电梯的运行控制安全及控制精确度,对大量使用集成电路进行控制的电梯,考虑电梯投入运行使用的自然环境及电磁兼容问题显得尤为重要,应对复杂、恶劣的使用环境,应不断加强电梯控制系统、电子装置的环境适应性及电磁兼容技术方面的深入研究。

1电梯电磁兼容基础

1.1基本概念

EMI(ElectroMagneticInterference)指电磁干扰度,即电气产品在正常运行下,不向外发射超过标准给定限值的电磁干扰。

EMS(E1ectroMagneticSuSceptibi1ity)指电磁敏感度,也叫电磁抗干扰度,指电磁能量造成性能下降的容易程度,即电气产品应具有抵抗给定电磁干扰的能力,并且保留一定的抗干扰度余量。

EMC(E1ectroMagneticCompatibi1ity)指电磁兼容性,意指设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力,如图1所示。

图1 EMC、EM1与EMS

对电梯产品进行电磁兼容性能的研究就是为了测试电梯产品的电磁干扰的发射强度和抵抗外界干扰的能力强弱。

电磁兼容是一个近几年迅速发展起来的新兴综合类学科,其根源在于研究电磁波,当然要想深入研究电磁兼容,研究者必须具备电学、电磁学、数学、微波技术、无线传输、通信学、材料学、控制理论、机械制造与工艺、生物学、社会科学、测量与计量技术等众多学科的学习与研究能力,才能尽可能全面地认识和分析电磁兼容问题。

1.2电梯电磁兼容现象

电梯的电磁兼容现象在电梯投入使用后的各种场合都会发生,主要有:

(1)电梯运行中不能正常平层或平层位置不准确:

(2)电梯运行过程中经常出现非正常断电:

(3)电梯轿厢设置的驱动门机不能正常实现轿门的开启和关闭或关门不到位就报故障电梯不运行等现象：

（4)电梯层站位置的召唤呼梯系统、轿厢内的选层系统控制紊乱,导致电梯无法正常响应乘客的电梯使用需求或电梯不能正确停在乘客目的楼层位置：

（5)电梯系统中设置有众多安全保护装置和安全电路等,安全保护电路异常失效：

（6)内置的自动应急救援系统失灵,无法实现自动正常的应急救援或电梯不能停在正确的平层位置：

（7)紧急救援通话系统无法接通或通话质量不清晰,导致救援不及时：

（8)电梯安装后对其他楼宇控制系统产生干扰,导致其发生非正常故障。

根据研究,电梯的电磁兼容部件主要分布在机房、井道、电梯轿厢位置,如:

（1)电梯的控制柜、控制屏、紧急和测试操作屏装置,其设置有变频器、控制器、电子器件、电气元件等：

（2)驱动主机,其设置有永磁同步电动机、交流异步电动机、电磁制动器、故障监测开关、旋转编码器等：

（3)主开关：

（4)位于电梯层站处的呼梯按钮、楼层指示器等：

（5)电梯轿厢的门控装置,主要有门电机、门控制器、门保护装置等：

（6)轿厢按钮、指示器、操作盒、显示屏、物联网终端等：

（7)动力电线及控制电线,包括电源线、随行电缆、附属电缆等：

（8)位置感应器、红外感应装置等：

（9)照明系统：

（10)空调、通风系统：

（11)光幕、安全触板装置。

1.3电梯电磁干扰的危害

电梯电磁干扰的危害主要体现在两方面:一是对电梯使用人员的人身伤害,长时间处在电磁辐射环境内会对身体健康造成一定影响(二是对电梯设备本体安全及运行性能造成影响,使电梯不能准确响应使用者的需求,自身发出的控制信号也无法及时正确地去执行,电梯开关门异常、制动器带闸运行、接触器吸合异常、不能保证停层准确度和保持精度,经常性出现故障困人现象,造成电梯使用人员恐慌。受到电磁干扰的电梯故障频发,多表现为偶发性故障,且部分会在一定时间间隔后自动恢复正常运行,维保人员缺乏此方面的技术力量,也就无法找到问题根源,浪费人力、物力、财力资源。

当然,电梯作为一种机电设备,不可避免地会对周围环境中的设备、电子产品造成电磁干扰,这就需要在设计阶段着重考虑其使用环境,进行相应的电磁兼容设计。

随着产品技术的发展及人们需求的提高,为了保证控制、通信的正常,部分设计会考虑以增加发射功率的方式保证无线通信的信噪比,进而会造成更大的电磁污染危害。

1.4电梯电磁兼容标准现状

我国电磁兼容研究的正式开展最早起始于20世纪60年代,20世纪80年代初电磁兼容技术才开始发展。在电梯领域,直到最近十几年,国内业界才逐渐意识到电磁兼容技术的重要性。

电磁兼容的标准主要分为基础应用类标准、通用类标准、产品类标准和专用产品标准。基础应用类标准主要规定了符合电磁兼容的最基本要求和规则,适用于所有涉及电磁兼容的设备、产品,但是不对具体的发射阈值和抗扰度进行规定,是电磁兼容标准的基础(通用类标准则给出特定环境下最低要求和测试程序方法。各类标准组成一个金字塔结构,自上而下数量越来越多,要求越来越细,也更加具体。

据统计,现行电磁兼容方面的国家标准数量有187项、行业标准85项、地方标准4项,涉及医药卫生、环保、健康和安全、计量、机械制造、能源、电气工程、车辆工程、航空航天、工业机器人、建筑材料等各个行业领域。

目前,电梯专用的电磁兼容相关法规标准有[1-3]:《电梯型式试验规则》)TSGT7007一2022))2022年7月1日实施)(GB/T7588一2020系列标准及《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》)GB16899一2011)对电梯的电磁兼容性方面有推荐性要求(《电梯、自动扶梯和自动人行道的电磁兼容发射》)GB/T24807一2021))2022年7月1日实施)和《电梯、自动扶梯和自动人行道的电磁兼容抗扰度》)GB/T24808一2022))2022年10月1日实施),两项标准均经过一次修订。

按照电梯安全技术规范的要求,要对电梯含有电子元件的安全电路和可编程电子安全相关系统的外壳端口、信号和控制线端口、直流电源输入/输出端口、交流电源输入/输出端口、可编程系统启用后的实现等进行电磁兼容抗扰度测试,且均应达到性能标准D级的要求,也就是其按照设计连续运行,除了非因故障进入安全模式,不允许有任何性能降低和功能损失。

2电梯电磁兼容三要素分析

在应用大量电子装置的电梯控制系统中,形成电磁干扰的三个基本要素是释放电磁干扰的骚扰源、对骚扰源比较敏感的敏感设备以及在骚扰源和敏感设备之间建立的传导和辐射通道,相对关系如图2所示。在考虑电梯系统的电磁兼容问题时,只要采取措施确定、削弱、降低、破坏三要素其中任一要素的作用就可以克服电磁干扰。

2.1骚扰源

环境中能够称为骚扰源的因素有很多,按照骚扰来源分类,主要有自然骚扰和人为骚扰。FM广播、蓝牙、wi-Fi、移动通信等无线通信设备,微波炉、电磁炉、无线感应充电等工业设备的人为干扰源,甚至雷电、静电、宇宙噪声等自然干扰源都可以称为骚扰源。在电梯系统组成部分中,其自身也有产生干扰的骚扰源存在,比如电动机、电磁制动器、变压器、开关电源、变频控制器、接触器、继电器、控制板中的电容电感等容性和感性元件等,都会产生电磁干扰。

2.2耦合路径

耦合路径也就是系统中传递干扰的通路或媒介,按照传播途径主要分为两种:导体传播的传导骚扰、空间传播的辐射骚扰,如图3所示。传导骚扰要求在骚扰源与敏感设备间有完整的电路连接,即有金属导体作为媒质,在较低的频段内,电磁骚扰主要是通过传导的方式影响周围的设备:在高频段因为线缆的集肤效应,线损增大,骚扰的影响减小。辐射骚扰是通过周围媒介射频能量以电磁波的形式向周围发射,这种方式一般是通过设备外壳或连接线向外发射,可在真空中进行。

图3 电磁兼容耦合路径

2.3敏感(源)设备

在电梯系统中安装使用的电子元器件都有可能成为被骚扰的潜在目标对象。当然,每一个潜在的敏感设备器件只有当前述的骚扰源发出的骚扰真正超过其敏感阈值且对骚扰做出反应,才能称作受到了骚扰。

值得一提的是,许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。

3电梯电子装置电磁兼容试验测试

根据定义,电梯电磁兼容试验分为发射试验和抗扰度试验两个方面。

3.1发射试验

发射试验包括辐射和传导的射频发射、电压的波动和闪烁、脉冲噪声、主电源电流谐波。

在装置或装置组合的每个外壳端口(辐射)测量的电磁发射水平不应超过表1规定的限值。

对于电压有效值l000V以下的装置或装置组合,在其每个交流主电源端口测量的电磁发射水平不应超过表2规定的限制。

3.2抗扰度测试

电梯电磁兼容抗扰度试验包括:静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、射频磁感应的传导抗扰度、电压暂降和中断抗扰度。

浪涌产生的原因:开关操作(例如电容器组的切换、晶闸管的通断、设备和系统对地短路和电弧故障等)或雷击(包括避雷器动作)可以在电网或通信线上产生暂态过电压或过电流。浪涌的危害主要分成两种:灾难性的危害和积累性的危害。

电梯遭受雷击浪涌损坏的主要原因:

(1)电梯所安装的建筑物的防雷系统不符合建筑物防雷标准的有关规定,或防雷系统损坏。

(2)电梯设计不符合GB/T24808一2022中浪涌抗扰度试验的有关规定,这也是新版国标GB/T7588.1中提高了抗扰度有关要求的原因之一。

(3)电梯加装了相关浪涌冲击防护器件,但由于选用器件产品质量或规格与设计要求不符,无法达到应有的电磁兼容防护效果。

因此,应该做好电梯自身防浪涌设计,落实到位,有备无患。结合电梯所在的建筑物,将电梯纳入整个建筑物的防雷体系中,形成多层次防护,逐级削弱浪涌冲击,从而提高电梯的浪涌抗扰度。图4所示为在电源端加装的浪涌保护器。

4电梯电子装置电磁兼容改进建议

电梯产品的电磁兼容问题,除了考虑自身产品及产品内置元器件的基本性能和功能满足要求外,还必须考虑其运行环境的不同或投入使用后环境的变化对电梯产品的影响,尤其是涉及的电磁环境。

对电梯电磁兼容的改进措施主要从抑制骚扰源、切断骚扰耦合途径、提高敏感设备的抗扰度三个方面进行考虑[4-7],即分析电磁骚扰源、耦合路径和敏感设备,并采取有效的技术手段。电梯电磁兼容的改善贯穿电梯的全生命周期,当然,在电梯的设计阶段采取合理的防干扰措施有效性最高,需要的成本也最低,如图5所示。

工程中经常用到的一个重要措施就是屏蔽,其原理是利用设置的屏蔽物或屏蔽空间来抑制或减少电磁能量相互传递输出,既限制屏蔽物内的电磁能辐射泄漏出屏蔽空间,又对屏蔽物以外的电磁辐射渗入屏蔽物以内起到一个隔离的作用。从控制柜柜体材料的角度考虑,因为铝材质、钢材质导电率比较高,尤其是钢的相对导磁率达到了145,因此其屏蔽效果比较好。对于柜体内安装的变频器、控制器等元器件要合理布局,尽量将元器件分为高频部件和低频部件,设置区域,利用金属板进行分割,并将金属部件外壳全部进行有效接地处理。控制柜的功能性开口要尽量少并且其尺寸要小,要检查控制柜门锁的有效性,确保控制柜门保持在关闭状态。

电梯控制板上的元器件在布局设计时应充分缩短相互之间引线的接线距离,并对电源线、数字信号和模拟信号进行区分布置,减少相互之间的信号耦合。

对于线缆的选择,尽量选用双绞线、屏蔽线以减少磁场耦合干扰,如图6所示,在空间允许的前提下,尽量扩大布线之间的距离,对于采用屏蔽层的电缆必须做好接地处理。

图6 双绞屏蔽电缆

对于需要接地的设备、线管线槽等要经常性检查其接地的有效性,如图7所示,保证接触良好,尽量减少接地阻抗,增大接地面积。接地线尽量选用直径较粗的线缆,并缩短接地线的长度,采用距离其最近的接地平面。对于接地体要定期检查其安装牢固程度,不能松动或接触不良,以免接地电阻变大。

在电梯设备上加装滤波器、磁环等也是有效和常见的电磁兼容设计手段。磁环用于吸收系统中多余的能量,并对多余的无价值的干扰进行过滤,从而避免了电梯在使用过程中受到来自其他设备的不同频段的电磁干扰影响。滤波就是对不需要的传导性电磁干扰进行抑制,滤波器实际上是一种过滤装置,通常是由电感器、电容器、电阻器组成的滤波电路,将电梯系统不希望的频率有效滤除。通常在主开关进线端、变频器输出侧加装磁环,能较好地解决电磁干扰问题,如图8所示。当然,根据线缆所连接的位置的不同、频率的不同,可以更进一步地精细化选择磁环的型式,比如非晶磁环、锰锌磁环、镍锌磁环。

此外,电梯的安装运行环境对于电梯的运行也至关重要,电梯的安装是在井道内,必须做到电梯的井道专用,不能用于电梯以外的其他用途,比如建筑物楼宇的监控装置、动力电源,以及用于增强电梯轿厢移动信号的信号放大装置等,都不得设置在井道内。

对于电梯轿厢,使用单位习惯加装一些智能监控装置、广告电子屏等,建议加装前咨询专业的技术机构鉴定该类设备的电磁发射裕量是否超标,是否对电梯安全运行有影响,如果存在影响,则需要采取进一步的屏蔽措施等。

在电梯机房应告知使用单位不允许设置通信用的信号放大装置以及其他设备用的信号电缆等,如图9所示。机房一般位于电梯井道的顶部,因此也需要做好避雷措施。

图9 机房放置的与电梯运行无关的通信信号放大器

在电梯井道或机房位置设置的电缆、通信信号线缆等应尽量设置在金属管槽中,并做好相应的接地措施,确保所有线缆和线槽的外露可导电部分能独立接入接地端子。

对于新制造的电梯建议邀请专业的技术机构依据电磁兼容标准和规范规定的测试方法进行相关电磁兼容的认证试验测试,推动电磁兼容设计的规范化。

5结语

随着技术的不断发展进步,电梯信息化、自动化、智能化程度越来越高,其所依附的建筑物的环境复杂程度也在提高,人们为了追求舒适感和安全感,对电梯的安全运行也提出了更高的要求,其中电梯的电磁兼容现象是不得不引起重视的一个方面。

在电梯的设计、制造、安装、改造、修理和使用过程中,必须将电磁兼容性考虑在内,考虑一切对电梯本体的变更设计是否对电梯及其周围物体造成影响。对电梯技术领域的电磁兼容问题进行深入研究,提高电梯系统的抗干扰能力是电梯设计、制造、安装、使用全过程都需要考虑的问题,对于保障电梯及其周围电子产品的安全有效运行非常重要。同时,还要根据实际情况寻求有关政府部门的帮助,提出共同保护电磁环境不受污染的建议。

由于电梯领域的电磁兼容研究起步较晚,相应的法规标准体系还未完善建立,因此笔者建议,应加强对该领域的深入研究,针对电梯这一特定的设备,根据其使用环境特点设定相应的标准要求,以保障电梯的安全运行。