CN104584356B - 用于单相电机和三相电机的开关设备 - Google Patents

用于单相电机和三相电机的开关设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于单相电机(16)和三相电机(14)的开关设备(4)，其中，该开关设备(4)具有处理单元(6)和第一、第二和第三电流路径(1，3)，其中，第一和第三电流路径(1，3)分别包括电流互感器(5)，其中所述处理单元(6)能借助电流互感器(5)检测第一电流路径(1)的电流I1和第三电流路径(3)的电流I3。为了提供用于单相电机(16)和三相电机(14)的廉价的开关设备(4)，该开关设备能够在三相运行时识别每个相位(11，12，13)的故障以及在单相运行时识别相故障，而提出，处理单元(6)这样地设计，即其检测第一和第三电流路径(1，3)的电流I1，I3，并且通过在第一和第三电流路径(1，3)的检测的电流I1，I3之间的相移确定开关设备(4)的当前的运行类型。

Description

用于单相电机和三相电机的开关设备
技术领域
本发明涉及一种开关设备，借助该开关设备不仅可以控制单相电机也可以控制三相电机，以及涉及一种开关设备的方法。
背景技术
在工业自动化技术的领域中，电负载(例如电机)为了能量供给而连接至供电网。供电网尤其是低压电网。
通常在欧洲的低压电网中应用的电压为230伏特的星形电压的额定值。为了对电负载进行控制，对电负载的能量供给通过开关设备来执行，从而借助该开关设备能够控制该负载。开关设备因此在输入侧与供电网连接并且在输出侧与电负载连接。在电机的情况中，这种类型的开关设备通常是电机启动器。
如果供电网是三相交流电网并且用户是三相电机，那么在用户上施加三相交流电。三相交流电通过开关设备，尤其是通过其三个导电路径引导至用户，从而在开关设备上存在三相运行。在三相交流电的情况中，在合乎规定的运行中存在相同频率的三个单独的交流电流或者交流电压，其彼此具有固定的120°的相移。交流电流是这样的电流，该电流使其方向(极性)规律重复地变化，并且在正的和负的瞬时值的情况中这样进行补充，即电流在时间平均上为零。
如果用户是单相电机，那么三相交流电网的一个相通常通过开关设备的各个电流路径引导至单相电机。在开关设备处存在单相运行。
在用于电机的或者非电机的负载的电子开关设备的情况中优选的是，能够识别出例如相故障、相过载、相非对称性的不同的网络故障，以在该种情况中断开负载并且向使用者报告该错误。这样的错误可以是各个、多个或者全部的三个相的缺失。也要一同考虑对各个或者多个电机导线的中断的识别。
为了测定这样的网络故障、不对称性和过载情况，通常由中间连接的开关设备来检测和评估各个相的电压值和电流值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于单相电机和三相电机的廉价的开关设备，其在三相运行中能够识别每个单独的相的故障，以及在单相运行中能够识别相故障。此外优选的是，该开关设备不仅对于三相运行而且对于单相运行都允许在连接的相方面进行相过载识别。此外，开关设备优选地识别相不对称性和/或在三相运行中识别出两个任意相的故障和/或所有三个相的故障。
该目的通过根据权利要求1的装置实现，也就是通过用于单相电机和三相电机的开关设备实现，其中，开关设备包括处理单元和第一、第二和第三电流路径，其中，第一和第三电流路径分别包括电流互感器，其中，处理单元能借助电流互感器检测所述第一电流路径的电流I1和第三电流路径的电流I3，其中，处理单元这样地设计，即处理单元检测第一和第三电流路径的电流I1，I3，并且通过在第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移确定开关设备的当前运行类型，并且该目的通过根据权利要求8所述的方法实现，也就是通过用于单相电机和三相电机的开关设备的方法实现，其中开关设备包括处理单元和第一、第二和第三电流路径，其中，第一和第三电流路径分别包括电流互感器，其中，处理单元能借助电流互感器检测第一电流路径的电流I1和第三电流路径的电流I3，其中，处理单元为了确定开关设备的当前运行类型而执行以下步骤：
-检测第一和第三电流路径的电流I1，I3，
-根据第一和第三电流路径的电流I1，I3来测定表征在第一和第三电流路径的电流I1，I3之间的相移的值，
-通过评估表征在第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移的测定的值来确定开关设备的当前运行类型。
本发明的优选的改进方案在从属权利要求2至7以及9至15中给出。
通过开关设备或者可以引导对单相电机的能量供给，从而作为开关设备的运行类型而存在单相运行。在此，例如用于对单相电机进行能量供给的第一、第二和第三电流路径串联连接。对此可替换的是，对三相电机的能量供给可以通过该开关设备引导，从而作为开关设备的运行类型而存在三相运行。在此，第一、第二和第三电流路径分别与三相电机和供电网的一个相连接。
开关设备优选地在第二电流路径中不包括电流互感器。优选的是仅仅开关设备的第一和第三电流路径分别包括一个电流互感器。优选的是，开关设备的第一和第三电流路径分别仅仅具有一个电流互感器。
借助开关设备能够优选地对后接的用户的能量供给进行控制。为此开关设备优选地在至少两个电流路径中包括一个开关。如果开关设备获得用于启动后接的用户的启动信号，例如来自上游的控制系统(例如可编程控制器)，那么开关被这样地控制，即后接的用户的能量供给通过开关设备实现。在之后的步骤中，优选地在开关设备的方面自动地实现确定当前的运行类型。
为了确定当前的运行类型，首先借助电流互感器在一个时间间隔中检测第一和第三电流路径的电流I1，I3。
为此，处理单元根据第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3来确定一个值，该值表征在第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移。
测定的表征值为此在处理单元方面进行评估，从而根据该评估来确定开关设备的当前运行类型(单相运行或者三相运行)。
因此，通过处理单元对运行类型的测定，借助对表征在第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移的值来实现。利用该值可以通过处理单元来检验：是否推导出的在第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移(根据表征相移的值)处于三相运行或者单相运行的相移附近。在三相运行时，存在大约120°的相移。在单相运行时存在从大约0°或者180°的相移。
在评估表征相移的测定的值时，该值优选地与基准值进行比较，从而获得关于在检测到的电流之间的当前相移的结论，从而可以实现与三相运行或者单相运行的对应关系。借助基准值优选地相关于表征相移的值将60°至150°的相移定义为三相运行并且0°至60°以及150°至180°的相移被定义为单相运行。基准值可以固定地存储在处理单元中。然而同样可以考虑的是，根据第一和第三电流路径的检测的电流来形成基准值。同样可以考虑的是，定义多个阈值的基准值，从而可以实现与开关设备的相应的运行类型的对应关系。
相移的测定可以通过不同方式实现。相移例如可以通过对第一和第三电流路径的当前电流的过零点和/或最大点的评估来实现。在此，根据检测第一和第三电流路径的电流I1，I3所测定的过零点和/或最大点形成进行表征值。根据对该值的评估，尤其是根据对两个电流路径的电流的过零点和/或最大点彼此之间的时间上的错置的评估，可以确定相移并进而确定开关设备的运行状态。
因此，开关设备在存在通过开关设备实现的主动能量供给时，自动和自主地确定是否存在单相运行或者三相运行。借助该信息，可以实现相关于连接的一个/多个相的相故障、相过载和/或相非对称性的特殊分析。
如果识别出三相运行，那么优选地对第一、第二和第三电流路径的电流I1，I2，I3相关于相故障、相过载和/或相非对称性的测定进行评估。第二电流路径的电流在此根据第一和第三电流路径的检测的电流来计算。
如果识别出单相运行，那么仅仅对第一和/或第三电流路径的电流I1，I3相关于相故障和/或相过载的测定进行评估。
如果在单相运行中对第二电流路径的计算出的电流相关于相故障和/或相过载的测定进行评估，那么这会导致错误的分析。通过之前执行的对开关设备的运行类型的确定可以避免这种类型的错误分析。
在本发明的一个优选的设计方案中，处理单元这样地设计，即处理单元为了确定开关设备的当前运行类型，在一个时间间隔内多次同时检测第一和第三电流路径的电流I1，I3，并且在此检测第一或第三电流路径的检测为正的电流I1，I3的第一数量以及第一和第三电流路径的检测同时为正的电流I1，I3的第二数量，并且接下来进行检验，是否第二数量大于第一数量的至少大约66％。
概念“同时地”检测第一和第三电流路径中的电流I1，I3被视为差不多在时间上同时地对两个电流路径中的电流I1，I3进行检测。
此外优选的是，处理单元检验是否第一数量大于至少一、尤其是大于大约十。如果启动信号在开关设备方面进行转换，从而必须存在对后接的用户的能量供给，并且该检验给出，即在考虑的时间间隔内，第一数量不大于至少一，那么就不通过开关设备实现能量供给。这存在错误，尤其是相故障，其优选地作为错误信号通过开关设备例如输出至上级的控制系统。如果通过处理单元进行的检验给出：在考虑的时间间隔内，第一数量大于至少一，那么此外就可以通过处理单元实现测定当前运行类型。
如果通过处理单元进行的评估得出：在考虑的时间间隔内，第二数量大于第一数量的至少大约66％、尤其是大约66％，那么就存在单相运行，也就是说单相电机的或者仅仅单相负载的能量供给通过开关设备实现。因此，处理单元进而开关设备自主地识别出存在单相运行。
如果评估得出：在考虑的时间间隔内，第二数量不大于第一数量的至少大约66％、尤其是大约66％，那么就存在三相运行，也就是说三相电机的或者三相负载的能量供给通过开关设备实现。因此，处理单元进而开关设备自主地识别出存在三相运行。
优选的是，时间间隔为至少一个供电网电流周期、尤其是一个供电网电流周期。为了重复地同时测定电流I1，I3的时间间隔特别固定存储在开关设备中。在时间间隔内，优选至少同时四次对电流I1，I3进行检测。电流的检测优选地以规律的间隔实现。优选的是，在所有大约500μs的时间间隔内同时检测电流I1，I3。
通过对第一和第三电流路径的同时检测为正的电流I1，I3进行计数，获得了相关于第一和第三电流路径的电流I1，I3之间的相移的结论。
在对第一和第三电流路径的同时检测为正的电流I1，I3进行计数和对第一和第三电流路径的检测为正的电流I1，I3进行计数时，尤其是考虑在时间间隔内的分别同样的电流检测。
第一和第三电流路径的同时检测为正的电流I1，I3和对第一或第三电流路径的检测为正的电流I1，I3因此形成了表征第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的相移的值。
通过将第一数量与第一数量进行比较，借助于该比较形成相关于相移的参考值，可以获得关于当前相移的结论以及获得当前运行类型的结论。
也可以考虑的是，处理单元为了确定开关设备的当前运行类型，在一个时间间隔内多次同时检测第一和第三电流路径的电流I1，I3，并且在此检测第一或第三电流路径的检测为负的电流I1，I3的第一数量以及第一和第三电流路径的检测同时为负的电流I1，I3的第二数量，并且接下来进行检验：是否第二数量大于第一数量的至少66％。此外，通过处理单元可以检验是否第一数量大于至少一。
如果通过处理单元进行的评估得出：在考虑的时间间隔内，第二数量大于第一数量的至少大约66％、尤其是大约66％，那么就存在单相运行。如果第二数量不大于第一数量的至少大约66％、尤其是大约66％，那么就存在三相运行。因此，处理单元进而开关设备自主地识别出当前运行类型。
借助利用检测同时为正的电流评估电流路径的检测为负的电流或者相反，同样可以实现关于第一和第三电流路径的检测的电流I1，I3之间的当前相移的结论，从而可以确定当前运行状态。
在本发明的另外的优选设计方案中，处理单元这样地设计，即其在开关设备的三相运行中为了测定通过第二电流路径引导的相的相故障，借助表征第一和第三电流路径的同时检测的电流I1，I3来计算和测定表征第二电流路径的电流I2的值：是否计算的值相应于有代表性的相故障电流。对相故障电流的监控尤其在测定开关设备的运行类型之后实现。
首先，在处理单元方面在一个时间间隔内重复地同时检测第一和第三电流路径的电流I1，I3，并且由此计算出表征第二电流路径上的电流I2的值。优选的是，借助处理单元由在该时间间隔内同时检测的电流I1，I3计算出电流I2的有效值。处理单元也可以在计算表征值之后测定：是否计算的表征值(例如电流I2的有效值)相应于有代表性的相故障电流。
该时间间隔和/或重复地同时检测电流I1，I3优选地类似于测定运行类型地实现。
如果处理单元测定得出：计算的值相应于有代表性的相故障电流，那么就存在相关于通过第二电流路径引导的相的相故障。处理单元优选地向特别是上级的控制系统给出报警信号，和/或中断对后接的用户的能量供应。
在本发明的一个有利的设计方案中，处理单元这样地设计，即其在开关设备的三相运行中为了测定通过第一电流路径引导的相的相故障而测定：是否第一电流路径的检测的电流I1持续地相应于有代表性的相故障电流。对相故障电流的监控优选地根据第一电流路径的多个在一个时间间隔(例如一个供电网电流周期)中测定的电流I1实现。优选的是，由第一电流路径的在该时间间隔内检测的电流I1形成有效值并且与有代表性的相故障电流进行比较。
如果处理单元测定得出：第一电流路径的电流I1持续地相应于有代表性的相故障电流，那么就存在相关于通过第一电流路径引导的相的相故障。处理单元优选地向特别是上级的控制系统输出报警信号，和/或中断对后接的用户的能量供应。
在本发明的另一个有利的设计方案中，处理单元这样地设计，即其在开关设备的三相运行中为了测定通过第三电流路径引导的相的相故障而测定：是否第三电流路径的检测的电流I3持续地相应于有代表性的相故障电流。对相故障电流的监控优选地根据第三电流路径的多个在一个时间间隔(例如一个供电网电流周期)内测定的电流I3来实现。优选的是，由第三电流路径的在该时间间隔内检测的电流I3形成有效值并且与有代表性的相故障电流进行比较。
如果处理单元测定得出：第三电流路径的电流I3持续地相应于有代表性的相故障电流，那么就存在相关于通过第三电流路径引导的相的相故障。处理单元优选地向特别是上级的控制系统输出报警信号，和/或中断对后接的用户的能量供应。
在测定相关于通过第一和第三电流路径引导的相的相故障时，优选的是对为了测定相关于通过第二电流路径引导的相的相故障而在一个时间间隔内同时检测的电流I1，I3进行评估。
在本发明的另一个有利的设计方案中，处理单元这样地设计，即其在开关设备的单相运行中为了测定相故障而测定：是否第一电流路径的检测的电流I1和/或第三电流路径的检测的电流I3持续地相应于有代表性的相故障电流。
对相故障电流的监控优选根据多个在一个时间间隔内(例如一个供电网电流周期)中测定的电流I1和/或I3实现。优选的是，由在该时间间隔中测定的第一和/或第三电流路径的电流I1，I3形成有效值，并且与有代表性的相故障电流进行比较。
如果处理单元测定得出这样的结论，即第一电流路径的电流I1和/或第三电流路径的电流I3持续地相应于有代表性的相故障电流，那么就存在相故障。处理单元优选地向特别是上级的控制系统输出报警信号，和/或中断对后接的用户的能量供应。
在本发明的一个有利的设计方案中，当在处理单元中存储的相故障阈值被超过时，存在相故障电流。存储的相故障阈值尤其取决于在开关设备上的当前电机额定电流。相故障阈值尤其是电流值，其小于在开关设备上设定的电机额定电流的30％。优选的是相故障阈值为在开关设备上设定的电机额定电流的25％。
如果第一电流路径的测定的电流I1和/或第三电流路径的测定的电流I3持续地未超过相故障阈值时或者计算的、表征第二电流路径的电流的值超过未超过相故障阈值时，那么就存在相关于通过相应的电流路径引导的相的相故障。
处理单元尤其是微控制器。
在工厂方面可以在开关设备上设定用于待连接的电机的固定预设的电机额定电流。然而同样可以考虑的是，在开关设备上能够借助开关设备的输入件在客户方面设定电机额定电流。因此，也许可以根据客户方面设定的电机额定电流来形成相故障阈值。
当然也可以考虑的是，不取决于开关设备的电机额定电流，相故障阈值是固定存储在处理单元中的电流值。
在本发明的另一个优选的设计方案中，开关设备具有至少两个开关，其设置在开关设备的不同的电流路径中。一个开关优选地集成在第一电流路径中并且另一个开关优选地集成在第三电流路径中，从而通过这些开关可以中断通过其电流轨道对后接的用户的能量供应。开关优选的是电磁继电器。
在本发明的另一个优选的设计方案中，处理单元这样地设计，即通过该处理单元能够实现对相关于供电网的通过开关设备引导的一个相/多个相的相过载的测定。
首先，通过处理单元测定开关设备的当前的运行状态。
如果开关设备处于三相运行中，那么通过处理单元在一个时间间隔(例如一个供电网电流周期)中多次测定第一和第三电流路径的电流I1，I3。接下来通过处理单元进行比较：是否在该时间间隔内第一电流路径的检测的电流I1(例如电流有效值)或者第三电流路径的检测的电流I3(例如电流有效值)持续地位于相过载阈值之上。此外，通过处理单元借助于第一和第三电流路径的同时检测的电流I1，I3，计算出表征第二电流路径的电流I2的值(例如第二电流路径的电流有效值)，并且接下来与相过载阈值进行比较。
如果开关设备处于单相运行中，那么通过处理单元在一个时间间隔(例如一个供电网电流周期)中多次测定第一和/或第三电流路径的电流I1，I3。接下来通过处理单元进行比较：是否在该时间间隔内第一电流路径的检测的电流I1(例如电流有效值)和/或第三电流路径的检测的电流I3(例如电流有效值)对于自身考虑或者共同持续地位于相过载阈值之上。
相过载阈值尤其是一个电流值，该电流值高于在开关设备上设定的电机额定电流的至少20％。相过载阈值优选最大为在开关设备上设定的电机额定电流的120％。相过载阈值优选地存储在处理单元中。
如果持续地超过相过载阈值，那么处理单元就识别出相应的电流路径的相的过载，并且输出过载报警信号。借助过载告警信号尤其可以中断对后接的用户的能量供给和/或向上级的控制系统输出信号。
如果没有进行对当前运行状态的测定，那么在存在单相运行时，根据三相运行对三个电流路径的过载的监控就会导致：根据在图2中示出的连接变体的第二电流路径的电流I2为第一电流路径的电流I1的两倍。因此这可能会导致对过载的错误探测。通过在处理单元方面首先测定当前运行类型，由此在开关设备的单相运行中在对相过载进行测定时可以有目的的不考虑第二电流路径的电流。
在本发明的另外的优选设计方案中，处理单元这样地设计，即通过该处理单元可以实现对相关于供电网的通过开关设备引导的一个相/多个相的相不对称性的测定。
首先，通过处理单元测定开关设备的当前运行状态。
如果开关设备处于三相运行中，那么通过处理单元进行比较：是否检测的或者计算出的电流I1，I2，I3中的一个持续地与检测的和计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。
当电流与检测和/或计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值偏差超过大约30％时，则尤其存在偏差。
如果存在与平均值的持续偏差，那么处理单元就识别出相非对称性并输出相非对称性信号。通过相非对称性信号尤其是中断对后接的用户的能量供给和/或向上级的控制系统输出一个信号。
在相应的分析时可以对相应的电流路径的分别测定或计算出的电流进行评估。然而同样也可以考虑相应的电流路径的电流的有效值。这尤其适用于第二电流路径的计算出的电流I2。
为了相应的测定，优选地在一个时间间隔内多次同时检测电流I1，I3。优选的是，在该时间间隔内电流I1，I3尤其大约每500μs被同时检测四次。电流的同时检测优选以规律的间隔实现。时间间隔优选是至少一个周期，尤其是供电网的电流的一个周期。
为了进行相故障识别、相非对称性和/或过载识别，开关设备尤其仅仅包括两个电流互感器。否则不会进行对电流路径在相故障识别、相非对称性识别和/或过载识别方面的主动测量。
电流互感器是用于无电位地测量较大的交流电的测量互感器。
在分析第一值是否持续地与第二值偏差时，优选地在一个时间间隔上执行分析，在该时间间隔中多次、有利的是至少四次并且有利的是以均匀的间隔对该值进行检测。在该时间间隔内检测第一值之后，尤其是相关于该时间间隔形成第一值的有效值并且与第二值进行比较。
开关设备用于控制和监控对后接的用户的能量供给。开关设备优选是尤其用于在低压范围中的电机的电机启动器。
替代相应的电流I1，I2，I3的有效值，同样可以形成或者考虑相应的电流I1，I2，I3的另外的有代表性的值。
附图说明
接下来根据图中示出的实施例对本发明和本发明的设计方案进一步说明和描述。图中示出：
图1是开关设备的示意图，通过开关设备来引导对三相电机的能量供应，以及
图2是图1中的开关设备的示意图，通过该开关设备来引导对单相电机的能量供应。
具体实施方式
图1示出了开关设备4的示意图，通过该开关设备来引导对三相电机14的能量供应，并且图2示出了图1中的开关设备4的示意图，通过该开关设备来引导对单相电机16的能量供应。图1和图2中的开关设备4是相同的开关设备。该开关设备4包括：三个输入侧的连接位置8；三个输出侧的连接位置9；第一、第二和第三电流路径1，2，3，其在设备内部地布置在输入侧的连接位置8和输出侧的连接位置9之间；第一电流互感器5，用于检测第一电流路径1的电流I1；第二电流互感器5，用于检测第三电流路径3的电流I3；以及处理单元6。第一和第三电流路径1，3分别包括一个开关7，借助该开关可以中断在输入侧的连接位置8和输出侧的连接位置9之间的导电连接，从而中断通过相应的电流路径1，3实现的对后接的用户14，16的能量供给。第一和第三电流路径1，3的开关7分别是电磁继电器。第二电流路径2不包括电流互感器，并且其设计为在输入侧的和输出侧的连接位置8，9之间的连贯的不受控的连接。开关设备4借助其处理单元6识别出关于通过开关设备4引导的能量供给的当前运行模式(单相运行或者三相运行)以及相故障、相过载和相非对称性等等。开关设备4、尤其是其处理单元6为此仅仅使用两个电流互感器5。
如果开关设备4获得启动与之连接的后接的用户14，16的指令，那么处理单元6就如此地驱控开关7，即产生用于后接的用户14，16的能量供给。尤其是产生相关于第一和第三电流路径1，3的、在输入侧的和输出侧的连接位置8，9之间导电连接。开关设备4可以为此自主地测定，是否以单相运行或者以三相运行来工作。为此，处理单元6执行以下步骤：
在一个时间间隔内，在此在供电网的电流的一个周期内，多次地、在此每500μs同时检测第一和第三电流路径1，3的电流值I1，I3。
相关于在该时间间隔内同时检测的第一和第三电流路径1，3的电流值I1，I3，处理单元6测定第一电流路径1的正电流值I1的数量(第一数量)(同样可以测定第三电流路径3的正电流值I3的数量)以及第一和第三电流路径1，3的同时为正的电流值I1，I3的数量(第二数量)。
接下来，处理单元6检验是否第一数量大于至少1。由此，处理单元6识别是否通过开关设备4实现能量供给。
如果该检验得出：在考虑的时间间隔内，第一数量不大于至少1，那么此时就不通过开关设备4实现能量供给。这可能存在相故障。开关设备4向上级的控制系统输出相应的错误报告。
如果检验给出：在考虑的时间间隔内，第一数量大于至少1，那么通过处理单元进一步检验，是否第二数量大于第一数量的66％。
如果通过处理单元6进行的检验得出：在考虑的时间间隔内，第一数量大于至少1，并且第二数量大于第一数量的66％，那么处理单元6确定出单相运行。也就是说，单相电机16的能量供给通过开关设备4实现；参见图2。如果识别出单相运行，那么相关于相故障和相过载的测定方面仅仅分析第一和/或第三电路路径1，3的电流I1，I3。此外，不执行对相不对称性的检验。
如果检验得出：在考虑的时间间隔内，第一数量大于至少1，并且第二数量小于第一数量的66％，那么处理单元6确定出三相运行。也就是说，三相电机14的能量供给通过开关设备4实现；参见图1。如果识别出三相运行，那么相关于相故障、相过载和相不对称性的测定方面分析第一、第二和第三电路路径1，2，3的电流I1，I2，I3。
因此，开关设备4可以自主地识别其运行在哪个运行模式中。
因为通过开关设备4实现了对后接的用户14，16的能量供给，因此开关设备4具有相关于待连接的电机14，16的电机额定电流。
在图1中，开关设备4在工业设施的内部利用其三个输入侧的连接位置8与低压电网10、在此为三相交流电网的三个相11，12，13连接。三相电机14与开关设备4的输出侧的连接位置9连接。低压电网10的第一相11通过第一电流路径1引导至三相电机14。借助第一电流互感器5可以测量第一相11的电流I1，并且提供给处理单元6。借助第一电流路径1的开关7可以中断在第一电流路径1的输入侧和输出侧的连接位置8，9之间的导电连接。低压电网10的第三相13通过第三电流路径3引导至三相电机14。通过第一电流互感器5可以测量第三相13的电流I3，并且提供给处理单元6。借助第三电流路径3的开关7可以中断在第三电流路径3的输入侧和输出侧的连接位置8，9之间的导电连接。
处理单元6可以通过电流互感器5同时检测第一和第三电流路径1，3的电流I1，I3并且由此根据I2＝0-I1-I3计算出第二电流路径2的电流I2。在重复地同时检测第一和第三电流路径的电流I1，I3时，处理单元可以计算出第二电流路径2的电流I2。
在开关设备4确定三相运行之后，可以实现相关于通过三个电流路径1，2，3引导的相11，12，13的相故障、相过载和相非对称性的分析。
为了测定供电网10的通过第二电流路径2引导的相12的相故障，首先在一个时间间隔内多次同时对第一和第三电流路径1，3的电流I1，I3进行测定。
借助同时检测的第一和第三电流路径1，3的电流I1，I3计算出表征第二电流路径2的电流I2的值。在该实施例中，根据第一和第三电流路径1，3的同时检测的电流I1，I3相关于时间间隔来计算出第二电流路径2的电流I2。
接下来通过处理单元6测定，是否第二电流路径2的电流I2的计算出的有效值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下。有代表性的相故障电流因此是这样的电流，该电流小于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％。
如果第二电流路径2的计算的电流I2处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下，那么就存在相关于第二相12的相故障。如果第二电流路径2的计算的电流I2处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之上，那么就不存在相关于第二相12的相故障。
在第二相12的相故障的情况中，在第一和第三相11，13之间存在180°的相移。因为I1相对于I3相移了180°，因此适用于：I3＝(-I1)。因此得出I2＝0-I1-(-I1)＝0。I2的值因此处于设定的电机额定电流的20％之下。在没有相故障的情况中，第一电流路径1的电流I1与第三电流路径3的电流I3有120°的相差。因此，I2的值处于设定的电机额定电流的20％之上。
为了测定通过第一电流路径1引导的供电网10的相11的相故障，在该时间间隔内多次评估第一电流路径1的检测的电流I1。在此，在处理单元6的方面相关于该时间间隔形成第一电流路径1的电流I1的值，并且与有代表性的相故障电流进行比较。如果第一电流路径1的电流I1的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下，那么存在相关于第一相11的相故障。如果第一电流路径1的电流I1的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之上，那么就不存在相关于第一相11的相故障。
为了测定供电网10的通过第三电流路径3引导的相13的相故障，在该时间间隔内多次评估第三电流路径3的检测的电流I3。在此，在处理单元6的方面相关于该时间间隔形成第三电流路径3的电流I3的值，并且与有代表性的相故障电流进行比较。如果第三电流路径3的电流I3的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下，那么存在相关于第三相13的相故障。如果第三电流路径3的电流I3的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之上，那么就不存在相关于第三相13的相故障。
为了测定在开关设备4的三相运行中的相过载，通过处理单元6检验，是否第一电流路径1的电流I1的值、第三电流路径3的电流I3的值或者从第一和第三电流路径1，3的同时检测到的电流I1，I3中计算出的第二电流路径2的电流I2的计算的值超过相过载阈值。该相过载阈值为设定的电机额定电流的120％。如果电流I1，I2，I3的值在设定的电机额定电流的120％之上，那么在相应的相上就存在相过载。
为了测定在开关设备4的三相运行中的相不对称性，通过处理单元6检验，是否电流I1，I2，I3的各个值与相关于考虑的时间间隔检测的和计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。当考虑到的电流与检测到和计算出的电流I1，I2，I3的平均值偏差超过大约30％时，就存在偏差。
如从图2中可以获知，开关设备4同样可以用于控制和监控对后接的单相电机16的能量供应。为此，低压电网的相11与第一电流路径1的输入侧连接位置8连接。第一电流路径1的输出侧连接位置9借助连接插头15与第二电流路径2的输出侧连接位置9连接。第二电流路径2的输入侧连接位置8通过另外的连接插头15与第三电流路径5的输入侧连接位置8连接。第三电流路径3的输出侧连接位置9与单相电机16连接。
在开关设备4确定单相运行之后，可以实现相关于通过三个电流路径1，2，3引导的相11的相故障和相过载的分析。在此，相故障和相过载的测定差不多类似于三相运行中的分析。在单相运行时，仅仅不执行基于第二电流路径2的计算的电流I2的分析。
为了测定相故障，在一个时间间隔内多次评估第一电流路径1的检测的电流I1。在此，在处理单元6的方面在该时间间隔期间形成第一电流路径1的电流I1的值，并且与有代表性的相故障电流进行比较。如果第一电流路径1的电流I1的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下，那么存在相关于第一相11的相故障。如果第一电流路径1的电流I1的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之上，那么就不存在相关于第一相11的相故障。
为了测定相故障，在该时间间隔内多次评估第三电流路径3的检测的电流I3。在此，在处理单元6的方面在该时间间隔期间形成第三电流路径3的电流I3的值，并且与有代表性的相故障电流进行比较。如果第三电流路径3的电流I3的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之下，那么存在相关于第一相11的相故障。如果第三电流路径3的电流I3的计算的值处于在开关设备4上设定的电机额定电流的20％之上，那么就不存在相关于第一相11的相故障。
为了测定在开关设备4的单相运行中的相过载，通过处理单元6检验：是否第一电流路径1的电流I1的值或第三电流路径3的电流I3的值超过相过载阈值。
在开关设备4中，利用仅仅两个电流互感器5和在所有运行类型中无电压测量地可以识别出错误的电压或者错误的负载。为此，在三相运行中对错误电流的计算是必要的，从而也能在该相中识别出相故障。这由I2＝0-I1-I3计算出。为了进行相故障识别，三个测定的/计算的电流有效值相对于最小电流(在此为设定的电机额定电流的20％)进行检验。如果一个或者多个电流值持续地位于该阈值之下，那么就向上级的控制系统输出一个报警信号(例如在相X中的相故障)。
在对于非对称性或者过载的电机保护识别中，在开关设备4的单行运行中，对于第二电流路径2的电流I2的单独分析会导致，开关设备总是以错误报告(非对称性报警信号或者过载报警信号)而触发，因为第二电流路径2的计算的电流I2或者为零、或者为在第一和第二电流互感器5上的电流I1，I3的两倍(I2＝2*I1或者I2＝2*I3)。通过测定开关设备4上的当前运行类型可以避免这种类型的错误评估。
为了在单相运行中识别相故障，第二电流路径的计算的电流I2不再是重要的，从而该电流在确定出存在开关设备4上的单相运行之后不再考虑用于识别相故障。如果在单相运行中电流I1或I3(在该种情况下是相同的)降低到相故障阈值之下，那么该开关设备4就以相应的错误报告来激发。因此在单相运行中也可以识别相故障。
通过这种方式可以提供廉价的开关设备4，其仅仅在使用两个电流互感器5和用于评估其信号的必要的处理单元6的情况下就可以广泛地识别出三相和单相运行中的电网错误。通过描述的电流互感器5在开关设备4中的布置以及对其信号的描述类型的评估，识别出了在开关设备4的三相和单相应用的运行时的单个的、多个的或者所有的相11，12，13的所有可能的故障。

Claims (20)

1.一种用于单相电机(16)和三相电机(14)的开关设备(4)，其中，所述开关设备(4)包括处理单元(6)和第一电流路径(1)、第二电流路径(2)和第三电流路径(3)，其中，所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)分别包括电流互感器(5)，其中，所述处理单元(6)能借助所述电流互感器(5)检测所述第一电流路径(1)的电流I1和所述第三电流路径(3)的电流I3，并且，
所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，并且通过在所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3之间的相移确定所述开关设备(4)的当前运行类型，
其特征在于，
所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了确定所述开关设备(4)的所述当前运行类型，在一个时间间隔内多次同时检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，并且在此或者测定所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测为正的电流I1，I3的第一数量以及所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测同时为正的电流I1，I3的第二数量，或者测定所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测为负的电流I1，I3的第一数量以及所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测同时为负的电流I1，I3的第二数量，并且接下来检验所述第二数量是否大于所述第一数量的至少66％。
2.根据权利要求1所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了确定所述开关设备(4)的所述当前运行类型，在一个时间间隔内通过借助所述电流互感器(5)检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，根据所述第一电流路径和所述第三电流路径的检测的电流I1，I3来测定表征在所述第一电流路径和所述第三电流路径的电流I1，I3之间的所述相移的值，并且评估测定的表征值，从而根据该评估确定所述开关设备的所述当前运行类型。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备(4)，其中，仅仅所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)分别包括一个电流互感器(5)。
4.根据权利要求1或2所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元在开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第二电流路径(2)引导的相(12)的相故障，借助所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的同时检测的电流I1，I3来计算和测定表征所述第二电流路径(2)的电流I2的值：是否计算的值相应于有代表性的相故障电流。
5.根据权利要求3所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元在开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第二电流路径(2)引导的相(12)的相故障，借助所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的同时检测的电流I1，I3来计算和测定表征所述第二电流路径(2)的电流I2的值：是否计算的值相应于有代表性的相故障电流。
6.根据权利要求1或2所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了测定相过载在一个时间间隔内
-在所述开关设备(4)的三相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过相过载阈值，并且是否由所述第一电流路径和所述第三电流路径的电流I1，I3中计算的、表征所述第二电流路径(2)上的电流I2的值持续地超过相过载阈值，和/或
-在所述开关设备(4)的单相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过所述相过载阈值。
7.根据权利要求5所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了测定相过载在一个时间间隔内
-在所述开关设备(4)的三相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过相过载阈值，并且是否由所述第一电流路径和所述第三电流路径的电流I1，I3中计算的、表征所述第二电流路径(2)上的电流I2的值持续地超过相过载阈值，和/或
-在所述开关设备(4)的单相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过所述相过载阈值。
8.根据权利要求4所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了确定相不对称性
-在所述三相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)、所述第二电流路径(2)和所述第三电流路径(3)的检测和计算出的电流I1，I2，I3之一持续地与检测和/或计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。
9.根据权利要求7所述的开关设备(4)，其中，所述处理单元(6)如下设计，即所述处理单元为了确定相不对称性
-在所述三相运行中比较：是否所述第一电流路径(1)、所述第二电流路径(2)和所述第三电流路径(3)的检测和计算出的电流I1，I2，I3之一持续地与检测和/或计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。
10.一种用于单相电机(16)和三相电机(14)的开关设备(4)的方法，其中，所述开关设备(4)包括处理单元(6)和第一电流路径(1)、第二电流路径(2)和第三电流路径(3)，其中，所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)分别包括电流互感器(5)，其中，所述处理单元(6)能借助所述电流互感器(5)检测所述第一电流路径(1)的电流I1和所述第三电流路径(3)的电流I3，其中，所述处理单元(6)为了确定所述开关设备(4)的当前运行类型而执行以下步骤：
-在一个时间间隔内多次同时检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-在所述时间间隔内测定所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测为正的电流I1，I3的第一数量，以及在所述时间间隔内测定所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测同时为正的电流I1，I3的第二数量，或者
在所述时间间隔内测定所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测为负的电流I1，I3的第一数量，以及在所述时间间隔内测定所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的检测同时为负的电流I1，I3的第二数量，
-检验是否测定的所述第二数量大于测定的所述第一数量的至少66％。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第二电流路径(2)引导的相(12)的相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次同时检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-借助所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的同时检测的电流I1，I3来计算表征所述第二电流路径(2)上的电流I2的值，
-测定是否计算的值相应于有代表性的相故障电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第一电流路径(1)引导的相(11)的相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次检测所述第一电流路径(1)的电流I1，
-测定是否所述第一电流路径(1)的检测的电流I1持续相应于有代表性的所述相故障电流。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第三电流路径(3)引导的相(13)的相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次检测所述第三电流路径(3)的电流I3，
-测定是否所述第三电流路径(3)的检测的电流I3持续相应于有代表性的所述相故障电流。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的三相运行中为了测定通过所述第三电流路径(3)引导的相(13)的相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次检测所述第三电流路径(3)的电流I3，
-测定是否所述第三电流路径(3)的检测的电流I3持续相应于有代表性的所述相故障电流。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的单相运行中为了测定相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次检测所述第一电流路径(1)的电流I1和/或多次检测所述第三电流路径(3)的电流I3，
-测定是否所述第一电流路径(1)的检测的电流I1和/或所述第三电流路径(3)的检测的电流I3持续相应于有代表性的所述相故障电流。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述开关设备(4)的单相运行中为了测定相故障，所述处理单元(6)执行以下步骤：
-多次检测所述第一电流路径(1)的电流I1和/或多次检测所述第三电流路径(3)的电流I3，
-测定是否所述第一电流路径(1)的检测的电流I1和/或所述第三电流路径(3)的检测的电流I3持续相应于有代表性的所述相故障电流。
17.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述处理单元(6)为了确定相过载在所述开关设备(4)的三相运行中执行以下步骤：
-多次同时检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-借助所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的同时检测的电流I1，I3来计算表征所述第二电流路径(2)的电流I2的值，
-检测是否所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过相过载阈值，
-检测是否计算的、表征所述第二电流路径(2)上的电流I2的值持续地超过所述相过载阈值，
并且在所述开关设备(4)的单相运行中执行以下步骤：
-多次检测所述第一电流路径(1)和/或所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-检测是否所述第一电流路径(1)和/或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过所述相过载阈值。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述处理单元(6)为了确定相过载在所述开关设备(4)的三相运行中执行以下步骤：
-多次同时检测所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-借助所述第一电流路径(1)和所述第三电流路径(3)的同时检测的电流I1，I3来计算表征所述第二电流路径(2)的电流I2的值，
-检测是否所述第一电流路径(1)或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过相过载阈值，
-检测是否计算的、表征所述第二电流路径(2)上的电流I2的值持续地超过所述相过载阈值，
并且在所述开关设备(4)的单相运行中执行以下步骤：
-多次检测所述第一电流路径(1)和/或所述第三电流路径(3)的电流I1，I3，
-检测是否所述第一电流路径(1)和/或所述第三电流路径(3)的检测的电流I1，I3持续地超过所述相过载阈值。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述处理单元(6)为了测定相不对称性：
-在所述三相运行中比较，是否所述第一电流路径(1)、所述第二电流路径(2)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I2，I3之一持续地与检测和计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述处理单元(6)为了测定相不对称性：
-在所述三相运行中比较，是否所述第一电流路径(1)、所述第二电流路径(2)和所述第三电流路径(3)的电流I1，I2，I3之一持续地与检测和计算出的电流I1，I2，I3的有效值的平均值有偏差。
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