起重机电气系统电磁兼容性研究方法概述

胡静波 冯月贵 王会方 韩郡业

（南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 210017）

起重机电气系统电磁兼容性研究方法概述

胡静波 冯月贵 王会方 韩郡业

（南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 210017）

起重机电气系统电磁兼容性是影响整机安全的重要因素之一，本文首先对国内已有的起重机电磁兼容性研究方法进行了论述，并分析和指出了这些方法存在的问题和不足，接着从特征数据库建立、干扰源数据分析、仿真预测技术、测试技术和干扰抑制方法等五个方面详细论述了开展起重机电气系统电磁兼容性定量研究的具体方法，最后从干扰源分析、数据处理、标准制定和抑制干扰等方面论述了电磁兼容性定量研究方法的具体实现路径。

起重机 电磁兼容性 定量研究 测试技术Comprehensive Reviews on Research Methods

起重机是一种垂直提升和水平搬运重物的机电设备，是机电类特种设备的一种。行业的发展，对起重机的要求也向着大型化、高速化、智能化的方向发展，同时对其运行安全性的要求越来越严格。起重机的电气控制系统近年来已从原先的继电器—接触器电路逐步向结合了高效数字信号处理和无线通讯等技术的数字集成控制系统发展。电磁兼容性是电气控制系统安全性中最重要的一个因素。起重机电气控制系统的电磁兼容性可分为起重机本体和周边环境两个层次。对起重机本体而言，一方面要求在起重机的使用过程中机上的各类电子、电气设备的正常工作不会产生不良的互相影响；另一方面要求机上的电子设备即使受到其他电子电气设备影响时，也能正常工作。对起重机周边环境而言，要求起重机在正常工作时，机上的电子设备不会向环境及环境中的其他设备施放超过允许范围的干扰[1]。

1 已有的起重机电磁兼容性研究方法

通用电子设备的电磁兼容安全性开始并未受到重视，相关研究和技术要求并不十分严谨。对电子设备电磁兼容性的充分研究开始于军事领域，并逐步向民用通用型电子设备领域过渡。在国外，较早时期已颁布了一系列的法令和标准，其中对通用型电子设备的电磁兼容性做出规定，如1989年由欧共体颁布的89 /336/EEC指令等[2]。在国内，直到上世纪八十年代才逐步开始电子设备电磁兼容安全性的理论研究，第一部相对完整的规范性文件为《飞机设备电磁兼容性要求和测试方法》，该规范由原航空工业部颁布。此后，在通用型电子设备领域和小型用电设备领域，我国逐步开展了电磁兼容性的研究，并先后制定了近百个相关的技术规范和标准。但在大型机械设备领域，尤其是起重机械领域，一直没有开展系统的研究，多年来并无与之相关的标准颁布实施。工程机械领域的电磁兼容标准《工业机械电气设备内带供电单元的建设机械电磁兼容要求》直到2012年才正式颁布。在该标准中规定了移动式起重机、混凝土泵车、环卫车等采用内带供电单元形式的工程机械电磁兼容性性能评价所必需的技术要求，以及满足标准的试验方法和准则[3]。但对于在数量上占大多数的桥门式起重机和塔式起重机而言，电气控制系统的电磁兼容性测试并不能完全依据该标准的要求和规定。

随着电控系统在起重机整机中重要程度的增加，近年来国内已有不少研究人员对其电磁兼容性开展了一系列的研究和测试工作。在文献[4]中，当一台12.5t抓斗起重机在静载试验中出现溜钩事故后，研究人员分析了该起重机所处的使用环境，并从起重机周边的监控设备、生产控制设备的互相干扰等角度，分析了事故发生的原因。并提出了在起重机变频器输入输出端设置滤波器，使用隔离线路，调对干扰源进行屏蔽和改进接地方式等措施，在改造后该起重机恢复了正常工作。在文献[5]中，研究人员针对一台绝缘加料桥式起重机无法正常工作的情况，分析了其使用环境的特殊性，对该车间内配电电网的三相电压不平衡、环境强磁场、和整流设备等进行了定性分析，同时提出了采用增加输出滤波器、改善电机接地、加装直流电抗器等措施，以提高整机的电磁兼容性，最终使起重机变频系统恢复正常运行。在文献[6]中，某起重机电气系统出现故障，研究人员分析故障发生的原因是常用电气元件引起的干扰和受到的外界干扰，同时进一步分析了起重机在电气设计、安装和调试过程中产生干扰的具体原因。在文献[7]中，某台起重机电控系统中的变频器产生了较大的干扰，研究人员通过分析，说明了该变频调速方式干扰产生的原因及其传播的途径，并着重说明了变频器工作时产生的高次谐波对起重机上各类电子装置产生的干扰方式，以及外界干扰对该类型变频器工作的影响。

从以上研究人员对起重机电控系统电磁兼容性的研究方法中可以看出，大部分是当单台起重机电控系统出现故障或隐患后，针对该起重机所出现问题进行了分析，缺乏对通用型起重机电控系统电磁兼容性的分析。在具体的分析和研究环节中，大部分是从通用型电子设备的电磁兼容性原理的角度入手进行的定性分析，缺乏针对起重机电控系统特定的定量分析和研究。在改进措施的实施中，也只是依据电子设备通用的电磁兼容性改进方法提出了在起重机上应当采取的相应措施，但缺乏对这些措施实施效果的定量分析。

2 起重机电磁兼容性定量研究方法内容

针对当前对起重机电控系统电磁兼容性研究的不足，结合起重机的产品特点和使用性能，可进行有针对性的定量研究和分析，具体来说包括以下内容。

2.1 干扰源分析、特性采集和特征数据库的建立

对任何类型设备电气系统的电磁兼容性研究，首要的是了解和掌握其干扰源特性。首先必须直接对起重机电气系统进行测试，对其特性数据进行采集，建立相应的特征数据库。通过分析电气系统的特点，从电磁干扰源、干扰传播途径和敏感设备三要素入手，结合起重机上各类电器元件的特性，确定起重机电气系统内部的典型干扰源。针对各干扰源，在起重机不同工况、不同端口、采取相应的测试方法，获得干扰源特性测试数据。同时建立包括测试仪器、试验参数、背景电磁环境等在内的起重机电气系统电磁兼容数据库，为进一步的深入研究奠定基础。

2.2 干扰源测试数据分析和处理技术的研究

电磁兼容性研究中需要的数据源不能包含过多的随机误差和背景噪音，因此在现场采集中获得的原始波形数据不能直接用于起重机电磁兼容性的研究，需要对采集的数据进行滤波等后处理，在此类后处理中可同时获得有效的干扰源波形评价和骚扰特性指标。这就需要对干扰源数据分析技术进行深入研究，采用假设检验、参数估计或回归分析等分析手段，矢量匹配法等分析方法，通过现场测试的阻抗特性曲线获得骚扰源阻抗特性。从而获得起重机电气系统中水平较高的干扰源及其特征参数。

2.3 电磁干扰仿真预测技术研究

在获得起重机整机和关键部件的电磁兼容特性数据后，为进一步分析干扰源产生机理，需要结合实测数据，建立干扰系统的仿真模型。建立基于等效电路法的典型干扰源仿真模型，可采用相关的三维电磁场仿真软件，在建模时应当综合考虑起重机本体结构、线束布线位置及线缆特征，建立起重机整机的线束仿真模型。进行传导骚扰传播途径的仿真模型建立，同时研究各类时域分析方法在传输线仿真上的应用[8]。

2.4 电磁兼容性测试技术研究

对起重机电磁骚扰源及其作用方法、影响因素研究的基础上，结合现场情况，比较现有测试方法和依据标准的不足，在对大量的起重机电气系统的实际测试、分析和比较中，逐步形成起重机电气系统主要部件、关键设备以及整机的标准化电磁兼容性测试方法和关键部件的电磁抗扰度指标体系。

2.5 传导干扰抑制方法研究

对起重机电气系统传导干扰进行现场测试、机理分析和建模仿真的最终目的系统具有良好的工作性能，达到稳定、安全的工作状态，最直接的方法就是采取一定的抑制传导干扰产生和传播的方法。可从降低干扰源干扰强度和干扰耦合传播途径优化两个方面入手，针对特点起重机的干扰源原理、耦合途径和干扰源分布等情况，分别利用常规的和新的电磁干扰抑制方法和手段进行研究和试验，以达到抑制原有电气系统电磁干扰的目的。

3 起重机电磁兼容性定量研究方法实施路径

可采用如图1所示的路径进行起重机电磁兼容性定量研究。

首先，对起重机的干扰源进行分析，从电磁干扰源、干扰传播途径和敏感设备三个角度入手，结合起重机上各类电器元件的特性，对典型干扰源进行分类。针对不同干扰源的特征，参考现有的电气设备电磁兼容测试标准测试起重机不同工况下的特性数据，建立起重机电气系统电磁兼容数据库。

其次，深入研究各类数据后处理方法，对测试获得的大量数据进行研究和分析，获得有效的干扰源波形评价和骚扰特性指标。同时研究线性耦合阻抗分析技术以及获得骚扰源阻抗特性的分析方法，最终获取起重机电气系统中水平较高的干扰源及其特征参数。

图1 研究技术路线

再次，研究仿真预测技术在起重机电磁干扰上的应用，建立基于等效电路法的典型干扰源仿真模型；建立包含起重机本体结构、线束布线位置及线缆特征在内的整机线束模型仿真；建立传导骚扰传播途径仿真模型，最终完成起重机整机的电磁兼容仿真平台设计。

在以上测试和研究的基础上，研究现有测试方法和依据标准的不足，逐步形成起重机电气系统主要部件、关键设备以及整机的标准化电磁兼容性测试新方法和关键部件的电磁抗扰度新指标体系。

最后，从降低干扰源干扰强度和优化干扰耦合传播途径两个角度对起重机电气系统传导干扰抑制方法进行研究，形成适用于起重机的电磁干扰抑制方法，达到抑制起重机原有电气系统电磁干扰的目的，以保障起重机电气系统的安全性。

4 结论

通过对起重机电磁兼容性的研究和重视，可降低电磁干扰造成的事故隐患，减少电磁干扰带来的危害，推动起重机行业的技术进步，更好的保障起重机使用安全性。同时，对起重机使用企业来说，通过对起重机电磁兼容性的检验检测和预测可降低起重机电气故障发生率，减少事故隐患，保证企业生产效率的同时降低起重机维修成本。

目前我国起重机械行业内对电气系统电磁兼容性的认识已越来越重视，但大部分起重机整机和电气系统生产厂商还没有完善的电磁兼容测试设备和测试手段。为推动起重机行业的技术进步，应更加重视起重机电磁兼容性的研究，通过分析和测试，加快标准化测试方法的应用和相关法规标准的制定。

[1] 胡静波，王会方．起重机电磁兼容性综述[J]．电子世界，2014(7)：200-201.

[2] 温志英，张锋杰，鹿文军，等．注塑机电磁兼容测试的分析与研究[J]．工程塑料应用，2008，36（5）：64-67.

[3] GB/T 28554—2012 工业机械电气设备内带供电单元的建设机械电磁兼容要求[S].

[4] 程红星，刘敬东．抗干扰技术在起重机上的应用[J]．起重运输机械，2010（5）：93-95.

[5] 韦宗林，梁杰金．桥式起重机变频控制系统的电磁兼容性分析和解决方案[J]．起重运输机械，2011（1）：22-25.

[6] 任峰．起重机电气系统的抗干扰保护[J]．重工与起重技术，2009（1）：22-24.

[7] 王松雷，高聪敏．变频调速对起重机的影响及对策[J]. 建筑机械，2010（5）：70-73+89.

[8] 于晓颖．汽车起重机电磁兼容性分析与实验研究[D]. 长春：吉林大学，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

胡静波(1980～)，男，硕士，工程师，从事特种设备安全技术研发工作。

2016-03-15）