起重機(jī)電磁兼容性綜述

胡靜波 王會(huì)方

【摘要】隨著起重機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其電磁兼容性越來越受到重視，本文在介紹起重機(jī)電磁兼容性基本概念和重要性的基礎(chǔ)上，對我國起重機(jī)電磁兼容性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出了起重機(jī)中常見的電磁干擾源及其產(chǎn)生原因，最后給出了抗電磁干擾措施在起重機(jī)上的應(yīng)用，為起重機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)和測試提供依據(jù)和參考。

【關(guān)鍵詞】起重機(jī);電磁兼容性;電磁干擾

Abstract：With the development of technology on crane，the EMC of crane is paid more and more attention.Firstly，the basic concepts and importance of EMC of crane is introduced.Then，the research status on EMC of crane in our country is analysed，and the common electromagnetic interference sources and their causes in crane are pointed out.Finally，the measures of preventing electromagnetic interference of crane are proposed，which can provide the basis and the reference for the EMC design and test of crane.

Keywords：Crane;EMC;Electromagnetic Interference

1.起重機(jī)電磁兼容性簡介

電磁兼容性（EMC）的含義并非指電與磁之間的兼容，在《電工術(shù)語電磁兼容》（GB/T 4365-2003）中對電磁兼容性的定義為“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”?？梢?，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備或系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值，即電磁發(fā)射（EMI）;另一方面是指設(shè)備或系統(tǒng)對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感度（EMS）[1]。因此，起重機(jī)的電磁兼容性即指在運(yùn)行過程中起重機(jī)上各種電子、電氣設(shè)備的正常工作不會(huì)影響到其他電子電器設(shè)備的正常工作，并且在受到其他電子電器設(shè)備影響時(shí)，也能正常工作，同時(shí)整個(gè)起重機(jī)既具有抵抗外來的干擾的能力，又不會(huì)向環(huán)境及環(huán)境中的其他設(shè)備施放超過允許范圍的干擾。

在起重機(jī)電磁兼容性的概念中，最重要定義包括干擾水平、干擾限值、抗擾度水平和抗擾度限值四個(gè)。在實(shí)際情況中，這四個(gè)參數(shù)都是一些變量。干擾水平是指用特定方法測得的由某一電磁干擾源發(fā)出的電磁干擾的強(qiáng)弱，在起重機(jī)中某些干擾源可能只在特定的頻率下會(huì)發(fā)射出強(qiáng)干擾，而其他頻率干擾很低。干擾限值是指允許電磁干擾源發(fā)出的最大干擾水平，對于起重機(jī)的不同使用環(huán)境，允許的最大干擾水平往往不同。抗擾度水平是指將電磁干擾施加于被干擾設(shè)備時(shí)，被干擾設(shè)備仍能正常工作時(shí)所承受的最大電磁干擾水平，在起重機(jī)中某些被干擾設(shè)備會(huì)對特定頻率的電磁干擾十分敏感，而對于其他頻率則表現(xiàn)出良好的抗干擾能力。抗擾度限值是指被干擾設(shè)備所應(yīng)具有的最小抗擾度水平，對于不同類型起重機(jī)，其允許的最小抗擾度數(shù)值不同[2]。

過去，電磁兼容性只在軍事領(lǐng)域得到較為充分的研究，在其他民用通用電子設(shè)備領(lǐng)域，對電磁兼容性的研究并不嚴(yán)謹(jǐn)。但隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字電子設(shè)備的頻率越來越高，其電磁兼容性問題也變得越來越重要。許多國家開始意識(shí)到通用電子設(shè)備電磁兼容性的問題，開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和測試，并頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和法令，規(guī)定只有滿足要求的設(shè)備才可以銷售和使用。如89/336/EEC指令在1989年由歐共體頒布，其中明確規(guī)定自1996年1月1日起，投放在歐洲市場的所有電子、電器產(chǎn)品必須通過EMC檢測。在2004年歐盟又將89/336/EEC指令修訂為2004/108/EC指令，以進(jìn)一步提高歐洲市場的電器和電子產(chǎn)品準(zhǔn)入要求[3]。

在我國，電磁兼容性理論和相關(guān)研究起步較晚，直到上世紀(jì)八十年代初才系統(tǒng)地組織研究并制訂了國家級(jí)和行業(yè)級(jí)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。其中第一部較完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為航空工業(yè)部1981年頒布的HB 5662-81《飛機(jī)設(shè)備電磁兼容性要求和測試方法》。目前已制定了100多個(gè)和電磁兼容性要求相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)。但是在大型機(jī)械領(lǐng)域，電磁兼容性的研究一直相對滯后。近年來，隨著包括起重機(jī)在內(nèi)的大型機(jī)械產(chǎn)品因電磁兼容問題導(dǎo)致的事故和故障頻發(fā)，國內(nèi)在相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)針對性不足的問題越來越突出，電磁兼容技術(shù)已成為制約行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。針對這一現(xiàn)象，相關(guān)部門和研究機(jī)構(gòu)已加快相關(guān)研究，包括國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“工程機(jī)械電氣系統(tǒng)電磁兼容關(guān)鍵技術(shù)研究”等在內(nèi)的一些列課題已對大型機(jī)械產(chǎn)品的電磁兼容性問題展開了針對性的研究。

2.起重機(jī)電磁兼容性研究現(xiàn)狀

我國起重機(jī)行業(yè)對電磁兼容性的研究尚處于起步階段。

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

作為機(jī)電類特種設(shè)備三大類之一的電梯，早在2009年已經(jīng)頒布了GB/T 24808-2009《電磁兼容電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)抗擾度》，其中規(guī)定了將要永久地安裝在建筑物中的電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的裝置抗擾度性能標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)強(qiáng)度，包括與其電磁兼容環(huán)境相關(guān)的基本安全要求。而與起重機(jī)直接有關(guān)的電磁兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有。

在作為直接指導(dǎo)和規(guī)范特種設(shè)備制造、安裝、檢測和檢驗(yàn)的相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范（TSG）中并沒有直接涉及到電磁兼容性的條款。在GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中也未直接涉及電磁兼容性的設(shè)計(jì)要求。

在與起重機(jī)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，涉及到電磁兼容性的內(nèi)容較少。其中在GB 6067-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程》和GB 5226.2-2002《機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第32部分：起重機(jī)械技術(shù)條件》中做出了相同的規(guī)定：“電氣設(shè)備不應(yīng)產(chǎn)生高于其預(yù)定使用場合相適的電磁騷擾等級(jí)。此外，電氣設(shè)備還應(yīng)具有足夠的抗電磁騷擾能力，使其在預(yù)期環(huán)境中能正常工作?！钡菢?biāo)準(zhǔn)中并未對起重機(jī)的電磁兼容性的具體要求做詳細(xì)規(guī)定。

在某些應(yīng)用于起重機(jī)中的裝置的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，如GB 12602-2009《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置》中，規(guī)定了該類型產(chǎn)品的抗干擾性，規(guī)定了使用交流電源的裝置應(yīng)具有抗干擾措施，并且用兩個(gè)列表的方式給出了該類型裝置應(yīng)通過的浪涌抗擾度試驗(yàn)要求。但其中的要求來源于通用的電子產(chǎn)品要求，并沒有針對起重機(jī)的特殊性進(jìn)行規(guī)定。

工程機(jī)械領(lǐng)域的首個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28554-2012《工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備內(nèi)帶供電單元的建設(shè)機(jī)械電磁兼容要求》中系統(tǒng)的規(guī)定了移動(dòng)式起重機(jī)、混凝土泵車、環(huán)衛(wèi)車等采用內(nèi)帶供電單元形式的工程機(jī)械電磁兼容性性能評(píng)價(jià)所必需的技術(shù)要求，以及滿足標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法和準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，標(biāo)志著一直以來工程機(jī)械產(chǎn)品出口認(rèn)證時(shí)電磁兼容測試全部依靠歐美標(biāo)準(zhǔn)的狀況被打破。但該標(biāo)準(zhǔn)的要求和規(guī)定僅適用于移動(dòng)式起重機(jī)，對于數(shù)量上占大多數(shù)的橋式、門式、塔式和門座等類型的起重機(jī)僅能作為參考依據(jù)。

由此可見，我國到目前為止仍然沒有專門的針對起重機(jī)的電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 起重機(jī)電磁兼容現(xiàn)象分析

雖然目前在國內(nèi)，還沒有相關(guān)機(jī)構(gòu)對起重機(jī)電磁兼容性進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，但由于設(shè)備電磁兼容性的重要性已越來越凸顯，已有相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員對起重機(jī)的電磁兼容性進(jìn)行了一定研究。

在文獻(xiàn)[4]中對變頻起重機(jī)電磁兼容問題進(jìn)行了定性的分析，指出了在起重機(jī)上可能存在的干擾源，介紹了在變頻起重機(jī)中應(yīng)通過減少系統(tǒng)的諧波電流，降低系統(tǒng)諧波的干擾強(qiáng)度，盡量少用低電平器件，應(yīng)采用有效的接地和屏蔽措施等方法進(jìn)行電磁兼容性問題的優(yōu)化。

在文獻(xiàn)[5]中以QE（25+25）t絕緣加料橋式起重機(jī)為分析對象，考慮其使用環(huán)境電解鋁車間的特殊性，定性的分析了配電電網(wǎng)三相電壓不平衡、變頻器諧波、整流設(shè)備（下轉(zhuǎn)封三）（上接第200頁）和環(huán)境強(qiáng)磁場等對變頻控制系統(tǒng)電磁兼容性的影響。對提高控制系統(tǒng)電磁兼容性的措施進(jìn)行了分析，通過對起重機(jī)采用加裝直流電抗器，配置輸出濾波器，改善電機(jī)接地方式等措施，使起重機(jī)變頻系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

在文獻(xiàn)[6]中以某垃圾電廠的12.5t抓斗起重機(jī)為分析對象，針對該起重機(jī)在靜載試驗(yàn)中出現(xiàn)的溜鉤事故，從垃圾電廠的惡劣使用環(huán)境和廠區(qū)原有監(jiān)控設(shè)備、生產(chǎn)控制設(shè)備的互相干擾等角度對事故的發(fā)生原因進(jìn)行分析。通過對起重機(jī)采取線路隔離，變頻器輸入輸出端設(shè)置濾波器，調(diào)整載波頻率，屏蔽干擾源和改進(jìn)接地方式等措施進(jìn)行改造，保證了該起重機(jī)的正常工作。

在文獻(xiàn)[7]中介紹了變頻調(diào)速干擾產(chǎn)生的原因及其傳播的途徑，分別介紹了變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的高次諧波對起重機(jī)上電源、變壓器、電機(jī)、保護(hù)電器、開關(guān)設(shè)備、控制系統(tǒng)和測量裝置等的干擾，以及外界干擾對變頻器工作的影響。最后文中從隔離、濾波、屏蔽、接地和安裝等角度分析和給出了變頻起重機(jī)中抑制自身干擾和抗干擾的措施。

在文獻(xiàn)[8]中針對起重機(jī)電氣系統(tǒng)中常用電氣元件引起的干擾和受到的外界干擾問題，分析了起重機(jī)在電氣設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試過程中產(chǎn)生干擾的具體原因。最后文中具體分析和給出了起重機(jī)中布線、變頻器、PLC系統(tǒng)等的抗干擾保護(hù)的具體措施。

從以上研究成果中可以看到，目前研究人員只是定性的給出了起重機(jī)騷擾源的特性，卻并沒有對起重機(jī)的騷擾源特性進(jìn)行定量的分析。在改進(jìn)措施中，也只是依據(jù)電子設(shè)備通用的電磁兼容性改進(jìn)方法對起重機(jī)采取了相應(yīng)的措施，但并沒有對這些措施進(jìn)行定量的分析。同時(shí)在相關(guān)的文獻(xiàn)中，并沒有對起重機(jī)電磁兼容性具體指標(biāo)的分析和規(guī)定。

由此可見，目前我國對起重機(jī)電磁兼容性尚未形成系統(tǒng)性的定量研究。

3.起重機(jī)的電磁干擾源

根據(jù)設(shè)備和系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)干擾源的組成[9]和起重機(jī)電控系統(tǒng)的特殊性可知，起重機(jī)的干擾源主要來自內(nèi)部和外部，按照干擾源的類型主要分為變頻器高次諧波干擾源、觸點(diǎn)放電干擾源、感性負(fù)載瞬變干擾源、靜電干擾源、電磁耦合干擾源和其他特殊干擾源。

變頻器高次諧波干擾源：變頻器的整流電路中采用大電容作為濾波器，在變頻器工作時(shí)，其輸入端的整流電路的阻抗不是一個(gè)定值，其阻抗隨著外加電壓的變化而變化，因此導(dǎo)致輸入變頻器的電壓波形基本為正弦波性，而輸入電流為脈沖式的充電電流，其中含有豐富的諧波。這種高次諧波通過線路傳導(dǎo)和輻射兩種方式會(huì)對起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)、變壓器、線路、電容器、繼電器以及線路等產(chǎn)生較大的危害。

觸點(diǎn)放電干擾源：在起重機(jī)電控系統(tǒng)中分布有各種觸點(diǎn)，比如繼電器觸點(diǎn)、接觸器觸點(diǎn)、線路開關(guān)觸點(diǎn)、電機(jī)電刷觸點(diǎn)等。這些觸點(diǎn)的作用是通斷電流，在觸點(diǎn)打開瞬間和閉合瞬間都會(huì)產(chǎn)生不同程度的火花放電現(xiàn)象和高頻振蕩現(xiàn)象。雖然這種放電現(xiàn)象具有的能量較小，但放電瞬間的密集能量也可能會(huì)對控制系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。這類火花放電和高頻振蕩會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生輻射干擾，同時(shí)可能通過電源線或信號(hào)線對其他電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。

感性負(fù)載瞬變干擾源：在某些類型起重機(jī)的控制系統(tǒng)中會(huì)存在感性負(fù)載，如制動(dòng)單元的感性電阻、電抗器和電磁閥等，這類元件的線圈在開路瞬間，會(huì)產(chǎn)生一種瞬變脈沖。這種脈沖不但具有浪涌性質(zhì)，而且具有豐富的諧波。這類寬頻幅、大能量的瞬變干擾源會(huì)引起PLC等電子控制系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，也會(huì)導(dǎo)致敏感器件的損壞。

靜電干擾源：在起重機(jī)運(yùn)行過程中，大小車車輪與軌道的摩擦、鋼絲繩與滑輪的摩擦、軸承與軸的摩擦、起重機(jī)機(jī)體與空氣的摩擦、操作人員衣服與坐墊之間的摩擦等都可能會(huì)形成靜電干擾源。通常來說，靜電的電量都很小，但是其電壓往往比較高。靜電電壓會(huì)產(chǎn)生靜電放電，放電電流必然會(huì)形成傳導(dǎo)干擾，而放電火花又可能形成輻射干擾。

電磁耦合干擾源：在起重機(jī)控制系統(tǒng)中大量存在束扎在一起的無屏蔽導(dǎo)線，較長的無屏蔽配線會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)耦合和電容耦合。這種電磁耦合干擾的電壓幅值往往會(huì)達(dá)到比較高的程度，持續(xù)時(shí)間較長，這種干擾對起重機(jī)上的電子儀器會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

其他特殊干擾源：在起重機(jī)系統(tǒng)中可能存在的其他特殊干擾源主要包括：使用遙控設(shè)備時(shí)的無線電遙控信號(hào);起重機(jī)上照明燈電擊瞬間產(chǎn)生的射頻噪聲;采用發(fā)電機(jī)供電時(shí)發(fā)電機(jī)組拋負(fù)載瞬變干擾;外部大功率設(shè)備的強(qiáng)磁場的互感耦合;外部高電壓通過絕緣漏電產(chǎn)生的干擾等。

4.起重機(jī)抗電磁干擾措施

起重機(jī)工作在一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境中，不僅起重機(jī)上有各類電子電氣設(shè)備，起重機(jī)外也有可能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。由于起重機(jī)電磁干擾途徑的多樣性和機(jī)上設(shè)備電磁敏感度的差異性，決定了必須首先分析起重機(jī)上各種電磁干擾源的特性和技術(shù)參數(shù)，并且確定各自的干擾路徑和耦合方式，最后再根據(jù)具體情況采取有效的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。通常來說，完全消除電磁干擾是不可能的，起重機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)的改進(jìn)通?？梢詮钠帘巍V波和接地三個(gè)角度采取措施[10]。

4.1 屏蔽

通過屏蔽能有效抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的措施后不僅可以限制設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁越出區(qū)域，又可防止外部的輻射電磁進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。具體來說，就是用屏蔽體將起重機(jī)中的元器件、電子裝置、變頻器、變壓器、電纜或整個(gè)控制柜等可能的干擾源包圍起來，防止其干擾電磁場向外擴(kuò)散或受到外界電磁場影響。在屏蔽設(shè)計(jì)還同時(shí)包括合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如設(shè)備槽體之間的連接縫隙、電纜進(jìn)出線的孔等都可能造成電磁波的泄露，影響到整機(jī)的電磁兼容性安全。

4.2 濾波

濾波可以將各種信號(hào)按照頻率特性分類并控制他們的方向，采用濾波技術(shù)無論對于抑制干擾源和消除干擾耦合，或是對于增強(qiáng)接受設(shè)備的抗干擾能力都是有利的措施[11]。對于起重機(jī)上使用的變頻器需要在其輸入和輸出端都采用濾波措施，一般在輸入端可以外接交流電抗器或安裝諧波濾波器，在輸出端設(shè)置濾波器。線路中的重要電子設(shè)備，也可以在其電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以減小傳導(dǎo)干擾。

4.3 接地

在起重機(jī)上，接地包括保護(hù)接地、工作接地和EMC接地三類，正確的接地既可以抑制外部電磁干擾對裝置的影響，又可以抑制裝置向外發(fā)出的干擾。按照相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求，起重機(jī)上所有電氣設(shè)備正常不帶電的金屬外殼應(yīng)有可靠的接地連接，這種保護(hù)接地可以在金屬外殼上形成一個(gè)大的屏蔽罩，能有效減少射頻干擾。EMC接地在起重機(jī)上主要是指電纜的屏蔽層接地、變壓器鐵芯及其金屬隔離層和穿線金屬管槽等的接地。

5.結(jié)束語

目前，國內(nèi)起重機(jī)行業(yè)已越來越重視起重機(jī)電磁兼容性，但大部分起重機(jī)整機(jī)制造企業(yè)和起重機(jī)上電子電氣裝置生產(chǎn)廠家尚不具備電磁兼容測試設(shè)備和方法，對起重機(jī)電磁兼容性的研究絕大部分仍停留在定性的階段。為了更好的保障起重機(jī)使用安全性，減少電磁干擾帶來的危害，推動(dòng)起重機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)該加大對起重機(jī)電磁兼容性的定量研究和測試方法研究。在此基礎(chǔ)上應(yīng)加快起重機(jī)電磁兼容性相關(guān)法規(guī)規(guī)范的制定，測試手段的應(yīng)用和改進(jìn)措施的研究。

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作者簡介：胡靜波（1980—），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事機(jī)電類特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測技術(shù)研究工作。