电梯电磁兼容(EMC)测试与设计

电梯电磁兼容（EMC）测试与设计
作者：王粉玲
来源：《数字技术与应用》2014年第04期
摘要：随着电梯电气控制系统的复杂化，小型化，特别是变频调速和微机控制的大量使用，电梯的电磁兼容性日益受到人们的重视。

本文将从电磁兼容测试出发，结合电磁兼容理论分析，探讨电梯电磁兼容设计的基本方法和原则，为电梯的电磁兼容测试和设计提供一些参考。

关键词：电梯电磁兼容 EMC测试 EMC设计频谱分析接地
中图分类号：TM937 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）04-0071-03
1 前言
电磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。

电磁兼容性实际上要求设备或系统满足三个方面的要求：
（1）不对其他系统产生干扰。

（2）对其他系统的发射不敏感。

（3）不对自身产生干扰。

电梯控制柜和门系统中存在大量电气电子设备，特别是其中的变频器、开关电源等产生大量的谐波和电磁辐射，极易干扰电梯主控板、光幕等敏感电气部件。

电磁干扰一方面污染电网和空间环境，另一方面也经常导致电梯误动作，运行故障，甚至造成安全事故。

因此，电梯电磁兼容性已经日益受到业内人士及政府部门的重视，相关标准也陆续发布。

本文将从电磁兼容测试出发，结合理论分析，探讨电梯电磁兼容设计的基本方法和原则，为电梯的电磁兼容测试和设计提供一些参考。

2 电梯电磁兼容相关标准、规范
随着电力电子技术在电梯动力装置的广泛应用，例如可控硅直流拖动系统、交流调压拖动系统、交流变频拖动系统等，其在完成电能形式变换和功率传送的同时，不可避免的会产生非正弦波，通过电源线或以电磁辐射进行传导，造成电网电压波形畸变，还会对附近的电气设备产生干扰。

另一方面，现代电梯普遍应用了计算机控制和微电子技术，相对于传统的继电器控制系统更容易受到干扰。

因此，限制电气设备通过电源或电磁辐射的干扰（EMI）以及提高自身抵御外界电磁干扰（EMS）的能力成为电梯产品的一项新要求。

电梯安装国家标准GB7588-2003在13.1.1.3中首次提出“电磁兼容性宜符合EN12015和EN12016的要求。

”虽然只是推荐性要求，但这一方面说明电梯相关部门已经开始重视电梯的电磁兼容性，另一方面也能看出国标的一个发展趋势。

EN12015和EN12016是欧洲的两个关于电梯电磁兼容性标准，全称是：《EN12015电磁兼容性用于电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准辐射》；《EN12016电磁兼容性用于电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准抗干扰性》。

其中详细规定了电梯EMC的测试项目、测试方法和测试结果的评价等。

CE认证的LIFT指令也要求电梯除满足EMC指令外还需满足EN12015和EN12016的相关要求。

此外，《TSG T700X-2012附件35电磁兼容性型式试验细则》中详细规定了电梯、自动扶梯和自动人行道电磁兼容性（EMC）型式试验的测试场地与环境，样品要求，型号覆盖说明，测试项目，测试方法，评价标准等。

而《GB-T 24808-2009电磁兼容电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准抗扰度》和《GB-T 24807-2009电磁兼容电梯、自动扶梯和人行道的产品系列标准发射》中，也都推荐性的规定了电梯电磁兼容测试的基本内容，再此不在赘述。

3 电梯电磁兼容性的测试
3.1 电磁兼容测试简介
电磁兼容涉及电磁能量的产生、传输和接收。

这三个方面构成了EMC的基本框架。

源产生发射，传输或耦合路径将发射的能量传递到接收器，发射的能量在接收器中被处理，产生所期望的或意外的动作，当在接收器中产生的是意外的动作时，我们就说发生了干扰。

电磁兼容的理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、电路基础、信号分析等学科与技术，其应用范围又几乎涉及到所有用电领域。

由于其理论基础宽、工程实践综合性强、物理现象复杂，所以在观察与判断物理现象或解决实际问题时，实验与测量具有重要的意义。

对于最后的成功验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈的依赖于测量。

因此，只有了解电梯电磁兼容测试方法，才能更好的进行电梯电磁兼容设计。

EMC设计与EMC测试是相辅相成的。

EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量。

只有在产品的EMC设计和研制的全过程中，进行EMC的相容性预测和评估，才能及早发现可能存在的电磁干扰，进而采取必要的抑制和防护措施，从而确保系统的电磁兼容性。

否则，产品定型或系统建成后再发现不兼容的问题，则需在人力、物力上花更大的代价去修改设计或采用补救的措施。

然而，就算如此也往往难以彻底的解决问题，而给系统的使用带来许多麻烦。

EMC测试对测试仪器和实验场地的要求极高，测量仪器以频域为基础，试验场地是进行EMC测试的先决条件，也是衡量EMC工作水平的重要因素。

EMC检测受场地的影响很大，尤其以电磁辐射发射、辐射接收与辐射敏感度的测试对场地的要求最为严格，通常要求在暗室、屏蔽室等中进行。

3.2 电梯电磁兼容测试的特点
（1）电梯负载大。

电梯作为垂直交通工具，其工作负载极大，可达数十千瓦，考虑到型号覆盖时必须选型号系列中最大功率的型号进行测试。

因此，对实验设备的要求极高。

一般高层电梯功率可达30千瓦以上，高速，超高速电梯的功率更大。

很难在测试中模拟如此大的负载，因此实际测试中一般都是空载运行。

（2）电梯体积大，相关零部件多。

电梯整梯包括曳引系统，门系统，控制系统等8大系统，体积大，零部件多，很难将整梯整体安装在暗室中进行测试。

（3）电气部件分布较分散。

电梯电气部件分散在机房、井道、轿厢等个系统中。

这也给测试中的部件布置，布线造成困难。

幸运的是，这些分散的零部件相对集中的分布在控制柜、门系统中，这又为测试提供了一定的方便。

3.3 电梯电磁兼容测试的硬件准备
由于电梯体积较大，不可能把整部梯放入试验室测试，可以将电梯、自动扶梯和自动人行道的机械部分去掉，然后拆分成不同的组成部分（装置组合）或整个系统进行测试，一般分为机房控制柜部分，轿厢门系统和井道部分。

（1）控制柜。

控制柜有分体式和一体式两种，控制柜中包含了电梯的大部分电气部件，包括变频器，主板，开关电源、滤波器等。

其中变频器、开关电源等是重要的电磁传导、辐射源，主板是最重要的传导、辐射敏感部件，而滤波器则是最重要的传导干扰预制器件。

因此控制柜是电梯最主要的电磁兼容设备，也是电磁兼容测试的重点。

（2）电缆。

另一个对电磁兼容性有较大影响的是电缆，电缆是传导干扰的耦合路径，能吸收和发射辐射干扰，电缆的长度也将极大的影响电梯的电磁兼容性。

EMC测试要求样梯在模型运行工况下进行测试，这就要求所有涉及部件需按电气原理图进行连线，因此所涉及部件间的连接电缆都必须按实际规格准备。

电缆的长度小于5米的，取实际长度；电缆长度大于5米的最小取5米。

此外，应特别注意随行电缆，随行电缆的挠度较差，应尽量长些，以方便现场布线
（3）门系统。

门系统包括门机控制器，门机马达，门机架子和光幕等。

门机控制器经常也是一个变频器，是另一个重要的干扰源，门机马达和门机架子作为负载主要用于模拟实际运行工况，门机架子可用小比例的门机架子；光幕一般无需安装在门机架子上，只需相对平铺在底板上可正常对射即可。

（4）曳引机。

曳引机是控制柜的负载，为保证测试结果的可覆盖性，同时为加长电梯模拟运行中的加、减速过程，应尽量按匹配的最大功率进行选择。

（5）其它。

电梯外招板、楼层板、检修箱等其它部件都应按实梯进行接线。

首次测试一般完全按照实梯进行配置，在实际测试中若出现不满足要求的情况时，测试机构对可能的原因进行分析后，会给出增加、更换零部件等建议。

修改后再次进行测试，直到样梯通过测试为止。

因此，应准备相应备件以方便现场直接更换。

经常可能用到的备件包括滤波器、开关电源、磁环、屏蔽线、光幕等。

3.4 电梯电磁兼容测试项目及注意事项
电梯电磁兼容测试一般包括干扰测试和抗干扰测试，干扰测试包括辐射发射试验，传导发射试验和谐波电流发射试验；抗干扰试验包括电快速瞬变脉冲群抗扰度实验，电压暂降、跌落及短时中断实验，浪涌（冲击）抗扰度实验，静电放电抗扰度实验，射频电磁场辐射抗扰度试验和射频场感应的传导抗扰度试验。

电磁兼容测试的具体方法在《TSG T700X-2012》、《GB-T 24808-2009》和《GB-T 24807-2009》中有详细的规定，且EMC测试一般都由专业测试人员进行，EMC测试的具体测试方法本文不再赘述。

不过考虑到实际测试中，产品EMC性能能够在测试中一次通过的少之又少，经常都要通过对在测试过程中发现的问题不断的改进，直到最终设计完成。

EMC大多反映在系统的频域特性中，EMC所关注的电磁频率极宽，范围覆盖从工频（50Hz）到1GHz，其中有三个敏感带。

（1）低频段。

从工频（50Hz）到2KHz，一般从主电源电路耦合进出，表现为谐波形式，最大到工频的40阶谐波（2KHz）。

这一频段的干扰一般认为处于电抗器的滤波范围，添加电抗器将能极大的提高产品在该频段的EMC性能。

但应考虑电抗器与负载的匹配。

（2）中频段。

从0.15～30MHz，该频段电磁波波长小，易于从电缆中进行传播，且其在电缆中传播过程中也可以从线缆中辐射进空间。

这一频段的干扰一般认为处于电源滤波器的的滤波范围，添加电源滤波器将能极大的提高产品在该频段的EMC性能。

但滤波器的选型应与电源和负载匹配，测试中可备多个滤波器，通过不断匹配寻找到最优的滤波器。

（3）高频段。

30M～1GHz，该频段电磁波波长大，易于直接向空间辐射。

但其辐射往往又会被电缆吸收。

添加电抗器和电源滤波器在提高低频段和中频段EMC性能的同时都会同时提高高频段的EMC性能，也可以通过添加磁环等来提高相关性能。

此外，应特别注意那些干扰发射源，特别是高频开关器件（开关电源或其组件等），对这些零部件都应认真仔细的进行选择。

4 电梯电磁兼容设计
研究表明，在产品开发过程中，越早的开始考虑产品电磁兼容性，产品花费在电磁兼容性上的支出将越少，我们不能等到产品定型，测试，甚至是使用后再考虑这些问题。

在产品定型后如果发现EMC性能不满足要求再来更改设计将严重拉长产品开发周期，增加开发费用，因此，必须在产品设计开始阶段就开始考虑EMC问题。

EMC设计的因变量多，设计复杂，篇幅所限，本文将只给出电梯EMC设计中需要遵循的基本原则。

（1）从设计出发。

提高电梯EMC性能最有效的方法就是在产品设计初期就重视EMC的设计。

这就要求工程师在产品设计初期就摒弃一些根深蒂固的观念。

首先，EMC往往考虑高频的电磁能量，在低频中使用的电路规律往往不再有效，应考虑高频信号传输中的集肤效应、阻抗匹配、信号返回路径设计等在低频或直流电气设计中无关紧要的因素。

其次，应时刻注意电子元器件永远工作在非理想状态，导线必须要考虑其电感、电容和损耗，功率器件可能工作于非线性区域，方波上升沿越短其高频辐射越大，而这些都是EMC发射过大的重要因素。

（2）阻抗匹配。

根据传输线原理，当信号在传播中遇到阻抗不连续（如从传输线进入负载）即会产生反射波，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状，造成信号的缺失或失真，影响信号的正常传输。

反射系数：当负载阻抗RL等于传输线特性阻抗ZC时，Γ=0，负载不产生反射信号。

可以看出信号从传输线进入负载时不发生反射的条件是负载电阻等于传输线特性阻抗。

因此，应该在电路板信号传输和系统通信走线（CAN通信等）时保证系统的阻抗匹配。

（3）有效的屏蔽。

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。

屏蔽体对来自外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量、反射能量和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，电梯控制柜设计中经常会采用分体式设计，将干扰源（变频器）与敏感电气部件分开布置，可以达到很好的效果，采用一体式设计时也经常使用金属隔板将各部隔开。

然而屏蔽并不总是有效的，屏蔽层表面的开孔（走线孔，通风口等）、不合理的走线和使用不好的屏蔽材料等都将可能使屏蔽失效，不合理的接地也将使屏蔽电缆的屏蔽效果降低，甚至会增加干扰。

（4）正确的接地。

在电路设计中一般认为接地是提供电位参考点，为电磁干扰提供泄放通道，然而在高频电路设计中这种说法是不准确的。

要建立分布参数的概念，高频信号传输时，金属导线都要看成是由电阻、电感构成的器件。

在加上分布电容的存在，与接地引线构成电气谐振回路。

接地电流流经接地线时，会产主传输线效应和天线效应，当线条长度为1/4波长时，可以表现出很高的阻抗，反而成为向外辐射的天线。

此外，接地板上充满高频电流和干扰场形成的涡流。

（5）滤波技术。

实际上如果在电源端不添加滤波器的话，几乎没有任何电子产品能符合传导发射规定的要求。

一些产品可能看上去没有滤波器，实际上在其电源输入端都有由电容和电感组合而成的滤波器。

此外，电梯中经常使用独立的滤波设备来提高系统电磁兼容性。

常用的包括电抗器和滤波器，电抗器包括直流电抗器和交流电抗器，用于滤除谐波干扰，平滑波形，抑制启动电流波动；滤波器有输入侧滤波器和输出侧滤波器，用于降低传导发射和传导抗扰度。

5 结语
本文在对电磁兼容相关标准进行分析的基础上，阐述了电梯电磁兼容测试的测试特点，硬件准备，注意事项；在电磁兼容基本原理分析的基础上进一步研究了测试过程中提高电梯电磁兼容性的方法。

最后探讨了电梯检测兼容设计的基本原则和方法，对电梯电磁兼容性的测试和设计有一定的指导意义。

电磁兼容性的提高，一方面降低了对公共电网和邻近空间的电磁污染，另一方面提高了电梯系统自身的抗干扰能力，有效降低电梯故障率，使电梯能够更安全、稳定的运行。

参考文献
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