起重機電氣系統電磁兼容性研究方法概述

胡靜波 馮月貴 王會方 韓郡業

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210017）

起重機電氣系統電磁兼容性研究方法概述

胡靜波 馮月貴 王會方 韓郡業

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210017）

起重機電氣系統電磁兼容性是影響整機安全的重要因素之一，本文首先對國內已有的起重機電磁兼容性研究方法進行了論述，并分析和指出了這些方法存在的問題和不足，接著從特征數據庫建立、干擾源數據分析、仿真預測技術、測試技術和干擾抑制方法等五個方面詳細論述了開展起重機電氣系統電磁兼容性定量研究的具體方法，最后從干擾源分析、數據處理、標準制定和抑制干擾等方面論述了電磁兼容性定量研究方法的具體實現路徑。

起重機 電磁兼容性 定量研究 測試技術Comprehensive Reviews on Research Methods

起重機是一種垂直提升和水平搬運重物的機電設備，是機電類特種設備的一種。行業的發展，對起重機的要求也向著大型化、高速化、智能化的方向發展，同時對其運行安全性的要求越來越嚴格。起重機的電氣控制系統近年來已從原先的繼電器—接觸器電路逐步向結合了高效數字信號處理和無線通訊等技術的數字集成控制系統發展。電磁兼容性是電氣控制系統安全性中最重要的一個因素。起重機電氣控制系統的電磁兼容性可分為起重機本體和周邊環境兩個層次。對起重機本體而言，一方面要求在起重機的使用過程中機上的各類電子、電氣設備的正常工作不會產生不良的互相影響；另一方面要求機上的電子設備即使受到其他電子電氣設備影響時，也能正常工作。對起重機周邊環境而言，要求起重機在正常工作時，機上的電子設備不會向環境及環境中的其他設備施放超過允許范圍的干擾[1]。

1 已有的起重機電磁兼容性研究方法

通用電子設備的電磁兼容安全性開始并未受到重視，相關研究和技術要求并不十分嚴謹。對電子設備電磁兼容性的充分研究開始于軍事領域，并逐步向民用通用型電子設備領域過渡。在國外，較早時期已頒布了一系列的法令和標準，其中對通用型電子設備的電磁兼容性做出規定，如1989年由歐共體頒布的89 /336/EEC指令等[2]。在國內，直到上世紀八十年代才逐步開始電子設備電磁兼容安全性的理論研究，第一部相對完整的規范性文件為《飛機設備電磁兼容性要求和測試方法》，該規范由原航空工業部頒布。此后，在通用型電子設備領域和小型用電設備領域，我國逐步開展了電磁兼容性的研究，并先后制定了近百個相關的技術規范和標準。但在大型機械設備領域，尤其是起重機械領域，一直沒有開展系統的研究，多年來并無與之相關的標準頒布實施。工程機械領域的電磁兼容標準《工業機械電氣設備內帶供電單元的建設機械電磁兼容要求》直到2012年才正式頒布。在該標準中規定了移動式起重機、混凝土泵車、環衛車等采用內帶供電單元形式的工程機械電磁兼容性性能評價所必需的技術要求，以及滿足標準的試驗方法和準則[3]。但對于在數量上占大多數的橋門式起重機和塔式起重機而言，電氣控制系統的電磁兼容性測試并不能完全依據該標準的要求和規定。

隨著電控系統在起重機整機中重要程度的增加，近年來國內已有不少研究人員對其電磁兼容性開展了一系列的研究和測試工作。在文獻[4]中，當一臺12.5t抓斗起重機在靜載試驗中出現溜鉤事故后，研究人員分析了該起重機所處的使用環境，并從起重機周邊的監控設備、生產控制設備的互相干擾等角度，分析了事故發生的原因。并提出了在起重機變頻器輸入輸出端設置濾波器，使用隔離線路，調對干擾源進行屏蔽和改進接地方式等措施，在改造后該起重機恢復了正常工作。在文獻[5]中，研究人員針對一臺絕緣加料橋式起重機無法正常工作的情況，分析了其使用環境的特殊性，對該車間內配電電網的三相電壓不平衡、環境強磁場、和整流設備等進行了定性分析，同時提出了采用增加輸出濾波器、改善電機接地、加裝直流電抗器等措施，以提高整機的電磁兼容性，最終使起重機變頻系統恢復正常運行。在文獻[6]中，某起重機電氣系統出現故障，研究人員分析故障發生的原因是常用電氣元件引起的干擾和受到的外界干擾，同時進一步分析了起重機在電氣設計、安裝和調試過程中產生干擾的具體原因。在文獻[7]中，某臺起重機電控系統中的變頻器產生了較大的干擾，研究人員通過分析，說明了該變頻調速方式干擾產生的原因及其傳播的途徑，并著重說明了變頻器工作時產生的高次諧波對起重機上各類電子裝置產生的干擾方式，以及外界干擾對該類型變頻器工作的影響。

從以上研究人員對起重機電控系統電磁兼容性的研究方法中可以看出，大部分是當單臺起重機電控系統出現故障或隱患后，針對該起重機所出現問題進行了分析，缺乏對通用型起重機電控系統電磁兼容性的分析。在具體的分析和研究環節中，大部分是從通用型電子設備的電磁兼容性原理的角度入手進行的定性分析，缺乏針對起重機電控系統特定的定量分析和研究。在改進措施的實施中，也只是依據電子設備通用的電磁兼容性改進方法提出了在起重機上應當采取的相應措施，但缺乏對這些措施實施效果的定量分析。

2 起重機電磁兼容性定量研究方法內容

針對當前對起重機電控系統電磁兼容性研究的不足，結合起重機的產品特點和使用性能，可進行有針對性的定量研究和分析，具體來說包括以下內容。

2.1 干擾源分析、特性采集和特征數據庫的建立

對任何類型設備電氣系統的電磁兼容性研究，首要的是了解和掌握其干擾源特性。首先必須直接對起重機電氣系統進行測試，對其特性數據進行采集，建立相應的特征數據庫。通過分析電氣系統的特點，從電磁干擾源、干擾傳播途徑和敏感設備三要素入手，結合起重機上各類電器元件的特性，確定起重機電氣系統內部的典型干擾源。針對各干擾源，在起重機不同工況、不同端口、采取相應的測試方法，獲得干擾源特性測試數據。同時建立包括測試儀器、試驗參數、背景電磁環境等在內的起重機電氣系統電磁兼容數據庫，為進一步的深入研究奠定基礎。

2.2 干擾源測試數據分析和處理技術的研究

電磁兼容性研究中需要的數據源不能包含過多的隨機誤差和背景噪音，因此在現場采集中獲得的原始波形數據不能直接用于起重機電磁兼容性的研究，需要對采集的數據進行濾波等后處理，在此類后處理中可同時獲得有效的干擾源波形評價和騷擾特性指標。這就需要對干擾源數據分析技術進行深入研究，采用假設檢驗、參數估計或回歸分析等分析手段，矢量匹配法等分析方法，通過現場測試的阻抗特性曲線獲得騷擾源阻抗特性。從而獲得起重機電氣系統中水平較高的干擾源及其特征參數。

2.3 電磁干擾仿真預測技術研究

在獲得起重機整機和關鍵部件的電磁兼容特性數據后，為進一步分析干擾源產生機理，需要結合實測數據，建立干擾系統的仿真模型。建立基于等效電路法的典型干擾源仿真模型，可采用相關的三維電磁場仿真軟件，在建模時應當綜合考慮起重機本體結構、線束布線位置及線纜特征，建立起重機整機的線束仿真模型。進行傳導騷擾傳播途徑的仿真模型建立，同時研究各類時域分析方法在傳輸線仿真上的應用[8]。

2.4 電磁兼容性測試技術研究

對起重機電磁騷擾源及其作用方法、影響因素研究的基礎上，結合現場情況，比較現有測試方法和依據標準的不足，在對大量的起重機電氣系統的實際測試、分析和比較中，逐步形成起重機電氣系統主要部件、關鍵設備以及整機的標準化電磁兼容性測試方法和關鍵部件的電磁抗擾度指標體系。

2.5 傳導干擾抑制方法研究

對起重機電氣系統傳導干擾進行現場測試、機理分析和建模仿真的最終目的系統具有良好的工作性能，達到穩定、安全的工作狀態，最直接的方法就是采取一定的抑制傳導干擾產生和傳播的方法。可從降低干擾源干擾強度和干擾耦合傳播途徑優化兩個方面入手，針對特點起重機的干擾源原理、耦合途徑和干擾源分布等情況，分別利用常規的和新的電磁干擾抑制方法和手段進行研究和試驗，以達到抑制原有電氣系統電磁干擾的目的。

3 起重機電磁兼容性定量研究方法實施路徑

可采用如圖1所示的路徑進行起重機電磁兼容性定量研究。

首先，對起重機的干擾源進行分析，從電磁干擾源、干擾傳播途徑和敏感設備三個角度入手，結合起重機上各類電器元件的特性，對典型干擾源進行分類。針對不同干擾源的特征，參考現有的電氣設備電磁兼容測試標準測試起重機不同工況下的特性數據，建立起重機電氣系統電磁兼容數據庫。

其次，深入研究各類數據后處理方法，對測試獲得的大量數據進行研究和分析，獲得有效的干擾源波形評價和騷擾特性指標。同時研究線性耦合阻抗分析技術以及獲得騷擾源阻抗特性的分析方法，最終獲取起重機電氣系統中水平較高的干擾源及其特征參數。

圖1 研究技術路線

再次，研究仿真預測技術在起重機電磁干擾上的應用，建立基于等效電路法的典型干擾源仿真模型；建立包含起重機本體結構、線束布線位置及線纜特征在內的整機線束模型仿真；建立傳導騷擾傳播途徑仿真模型，最終完成起重機整機的電磁兼容仿真平臺設計。

在以上測試和研究的基礎上，研究現有測試方法和依據標準的不足，逐步形成起重機電氣系統主要部件、關鍵設備以及整機的標準化電磁兼容性測試新方法和關鍵部件的電磁抗擾度新指標體系。

最后，從降低干擾源干擾強度和優化干擾耦合傳播途徑兩個角度對起重機電氣系統傳導干擾抑制方法進行研究，形成適用于起重機的電磁干擾抑制方法，達到抑制起重機原有電氣系統電磁干擾的目的，以保障起重機電氣系統的安全性。

4 結論

通過對起重機電磁兼容性的研究和重視，可降低電磁干擾造成的事故隱患，減少電磁干擾帶來的危害，推動起重機行業的技術進步，更好的保障起重機使用安全性。同時，對起重機使用企業來說，通過對起重機電磁兼容性的檢驗檢測和預測可降低起重機電氣故障發生率，減少事故隱患，保證企業生產效率的同時降低起重機維修成本。

目前我國起重機械行業內對電氣系統電磁兼容性的認識已越來越重視，但大部分起重機整機和電氣系統生產廠商還沒有完善的電磁兼容測試設備和測試手段。為推動起重機行業的技術進步，應更加重視起重機電磁兼容性的研究，通過分析和測試，加快標準化測試方法的應用和相關法規標準的制定。

[1] 胡靜波，王會方．起重機電磁兼容性綜述[J]．電子世界，2014(7)：200-201.

[2] 溫志英，張鋒杰，鹿文軍，等．注塑機電磁兼容測試的分析與研究[J]．工程塑料應用，2008，36（5）：64-67.

[3] GB/T 28554—2012 工業機械電氣設備內帶供電單元的建設機械電磁兼容要求[S].

[4] 程紅星，劉敬東．抗干擾技術在起重機上的應用[J]．起重運輸機械，2010（5）：93-95.

[5] 韋宗林，梁杰金．橋式起重機變頻控制系統的電磁兼容性分析和解決方案[J]．起重運輸機械，2011（1）：22-25.

[6] 任峰．起重機電氣系統的抗干擾保護[J]．重工與起重技術，2009（1）：22-24.

[7] 王松雷，高聰敏．變頻調速對起重機的影響及對策[J]. 建筑機械，2010（5）：70-73+89.

[8] 于曉穎．汽車起重機電磁兼容性分析與實驗研究[D]. 長春：吉林大學，2014：45-48.

for EMC of Crane Electrical System

Hu Jingbo Feng Yuegui Wang Huifang Han Junye
(Nanjing Special Equipment Inspection Institute Nanjing 210017)

EMC of crane electrical system is one of the important factors those affect the safety of the whole machine. First of all, current research methods on EMC of crane electrical system were introduced and the inadequacies of research were pointed out. Then the methods of quantitative study on EMC of crane electrical system were discussed in detail from characteristic database establishment, interference source data analysis, simulation technology, testing technique and interference suppression method. Finally, the specific route of study on EMC of crane electrical system was analyzed and explained in the article from interference source analysis, data processing, standard setting and suppression of interference.

Crane EMC Quantitative study Test technique

X941

B

1673-257X(2016)11-0010-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.003

胡靜波(1980～)，男，碩士，工程師，從事特種設備安全技術研發工作。

2016-03-15）