CN107408469B - 操作至少一个负载的开关设备 - Google Patents

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Abstract

操作至少一个负载的开关设备(1)，包括：至少一个开关单元(7；8；9)，所述至少一个开关单元向可连接至所述开关单元(7；8；9)的负载(2‑1；2‑2；2‑3)转换抽头电流相位(L)，以向所述负载(2‑1；2‑2；2‑3)供应电流，且所述至少一个开关单元(7；8；9)具有电流测量单元(7C；8C；9C)，所述电流测量单元(7C；8C；9C)测量所述至少一个电流相位(L)的电流相位级数；本地控制系统(18)，其在接收来自外部控制系统(24)的控制命令之后，以这样的方式驱动所述开关单元(7；8；9)的半导体开关(7B；8B；9B)：所述半导体开关(7B；8B；9B)在所述电流测量单元(7C；8C；9C)测量的所述电流相位(L)为零时开关；以及本地监控单元(20)，其评估所述至少一个电流相位(L)的所述电流测量单元(7C；8C；9C)测量的所述电流相位级数，以检测向连接至所述开关单元(7；8；9)的各负载(2‑1；2‑2；2‑3)的正常供电的操作偏差，以及报告任何检测到的操作偏差。

Description

操作至少一个负载的开关设备
技术领域
本发明涉及操作连接至轨道系统的负载的开关设备，且特别地，开关每天频繁开关的负载。
背景技术
轨道系统(例如，母线系统)包括通常并行设置并传导不同的电流相位(L)的多条母线。在许多应用中，需要频繁接通和断开负载，尤其是欧姆负载，例如，一天开关高达20,000次。为此，具有电预熔(pre-fuse)的固态继电器通常用于将负载开关到母线系统上。在本文的上下文中，这些传统的固态继电器单独连接到轨道适配器上。
这样的传统的开关装置具有各种缺陷。固态继电器单独连接的结果是装配相对复杂，且要求相当大量的装配空间。另一个缺陷是固态继电器的使用带来了相当高的电功耗。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种操作负载的开关设备，一方面使得简单的装配成为可能，且另一方面，为负载提供可靠的供电。
根据本发明，通过具有权利要求1陈述的特征的开关设备实现此目的。
因此，本发明提供了一种操作至少一个负载的开关设备，包括：
至少一个开关单元，向可连接至所述开关单元的负载转换抽头电流相位，以向所述负载供应电流，且所述至少一个开关单元具有电流测量单元，测量所述至少一个电流相位的电流相位级数；
本地控制系统，接收来自外部控制系统的控制命令之后，以这样的方式驱动所述开关单元的半导体开关：所述半导体开关在所述电流测量单元测量的所述电流相位为零时开关；且包括
本地监控单元，评估所述至少一个电流相位的所述电流测量单元测量的所述电流相位级数，以检测向连接至所述开关单元的关联负载的正常供电的操作偏差，以及报告任何检测到的操作偏差。
在一个可能的实施例中，所述开关设备包括至少一个电流相位监控单元，该电流相位监控单元监控所述母线系统的至少一个抽头电流相位随时间推移的所述级数。
在根据本发明的所述开关设备的一个可能的实施例中，所述开关设备的电流相位监控单元检测到关联的抽头电流相位为零，并向所述开关设备的所述本地控制系统报告检测到关联的抽头电流相位为零。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备包括至少一个错误检测单元或本地监控单元，监控是否已依照从所述本地控制系统接收的所述控制命令，由所述开关设备的所述开关单元转换了所述抽头电流相位。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述本地监控单元检测已发生的开关错误，并向所述开关设备的所述本地控制系统报告该开关错误。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备的所述本地控制系统经由控制接口传递由此向所述外部控制系统报告的开关错误。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，经由保险丝向所述混合电路传递所述抽头电流相位，特别地，可替换的保险丝。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，如果发生开关错误，所述开关设备的所述错误检测单元检测已发生的所述开关错误的类型。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述本地监控单元检测已发生的所述开关错误是否是由抽头电流相位的故障或由所述开关单元输出的持续电流引起。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述本地监控单元向所述开关设备的所述本地控制系统报告已发生的所述开关错误的所述类型。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备的所述本地控制系统经由控制接口传递由此向上向所述外部控制系统报告的已发生的所述开关错误的所述类型。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述外部控制系统评估由所述开关设备的所述本地控制系统向其报告的所述开关错误和/或所述错误的所述类型，并依照所述评估结果报告连接至所述开关设备的所述负载。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备包括至少一个温度传感器，该温度传感器监控内部温度，特别是所述至少一个开关单元的温度，并向所述开关设备的所述本地控制系统报告此温度。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备的所述控制接口经由光耦合器连接至所述外部控制系统。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，形成为混合电路的所述开关单元的机械开关包括继电器。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，形成为混合电路的所述开关单元的所述半导体开关包括三端双向可控硅。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备包括三个抽头电流相的三个开关单元，形成为混合电路，且每个包括机械继电器以及与其并联连接的三端双向可控硅。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述整个开关设备集成到电器外壳中。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，开关单元以及关联的本地控制系统集成到每个电器外壳中。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备的所述电器外壳包括每个电流相位的轨道接触点系统。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，外部控制系统经由插接连接可连接至所述开关设备的所述至少一个本地控制系统。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述至少一个负载经由插接连接可连接至所述开关设备的开关单元。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备以与电力网同步的方式运行。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备包括至少一个反向级。
在根据本发明的所述开关设备的另一个可能的实施例中，所述开关设备安装到顶帽式轨道或安装板上。
本发明进一步提供了一种具有权利要求21中陈述的特征的轨道系统。
因此，本发明提供了一种轨道系统，包括电流相位的多个轨道，且包括操作至少一个负载的至少一个开关设备，包括
至少一个开关单元，向可连接至所述开关单元的负载转换抽头电流相位，以向所述负载供应电流，且所述至少一个开关单元具有电流测量单元，测量所述至少一个电流相位的电流相位级数；
本地控制系统，接收来自外部控制系统的控制命令之后，以这样的方式驱动所述开关单元的半导体开关：所述半导体开关转换在所述电流测量单元测量的所述电流相位为零时开关；且包括
本地监控单元，评估所述至少一个电流相位的所述电流测量单元测量的所述电流相位级数，以检测与到连接至所述开关单元的关联负载的正常供电的操作偏差，以及报告任何检测到的操作偏差。
附图说明
在下文中，参照附图更详细地描述根据本发明的操作负载的开关设备的可能的实施例，其中：
图1A，1B，1C是显示了根据本发明的将负载开关到轨道系统的开关设备的可能的实施例的框图；
图2是说明了根据本发明的接通过程中的开关设备的实施例的操作模式的信号图；
图3是说明了根据本发明的断开过程中的开关设备的实施例的操作模式的信号图；
图4是设置多个开关负载的开关设备的母线系统的透视图；
图5是根据本发明的开关设备的一种实施例的透视图；
图6A；6B是开关设备中包含的开关单元的变形配置的电路图。
具体实施方式
图1A，1B显示了根据本发明的开关设备1的两个可能的实施例。在两个实施例中，开关设备1包括每个开关相位L的关联的开关单元7,8,9。这些开关单元在输入侧经由保险丝10,11,12连接至电相位连接触点4,5,6。在图1中示出的第一实施例中，由混合开关装置形成开关单元7,8,9中的每一个。在这样的情况下，每个混合开关装置包括机械开关7A,8A,9A以及与其并联连接的半导体开关7B,8B,9B。在图1B中示出的第二实施例中，每个开关单元7,8,9具有半导体开关7B,8B,9B。在图1A,1B中示出的两个实施例中，开关单元7,8,9都具有电流测量单元7C,8C,9C。开关设备1的开关单元7,8,9将抽头的电流相位L转换到可连接到关联的开关单元的负载2-1,2-2,2-3，如图1A,1B中示出的那样。此外，每个开关单元7,8,9具有电流测量单元7C,8C,9C，该电流测量单元测量至少一个电流相位L的电流相位级数L(t)。在这样的情况下，在一个可能的实施例中，电流测量单元7C,8C,9C都可由GMR传感器实现。可选地，电流测量单元7C,8C,9C都具有罗氏线圈(Rogowski coil)、变压器、霍尔传感器或分流测量电阻。开关设备1包括本地控制系统18，本地控制系统18在接收来自外部控制系统24的控制命令之后，以这样的方式驱动开关单元7,8,9的半导体开关7B,8B,9B：半导体开关在关联的电流测量单元7C,8C,9C测量的电流相位L(t)为零或时间上趋近于零(L(t)＝0)时开关。如图1A,1B所示出的，开关设备1包括本地监控单元20。本地监控单元20评估至少一个电流相位L的电流测量单元7C,8C,9C测量的电流相位级数L(t)，以检测向连接至开关单元7,8,9的关联负载2-1,2-2,2-3的正常供电的操作偏差。本地监控单元20由此优选地向本地控制系统18和/或外部控制系统24报告检测到的任何操作偏差。向连接至开关单元7,8,9的负载2-1,2-2,2-3的正常供电通常是在预设或预定电流幅度下具有例如50或60Hz的预设功率频率f的正弦电流相位。如果存在与此正常供电的偏差，本地监控单元20检测此偏差，且优选地，将其报告给集成到开关设备1中的本地控制系统18和/或经由开关设备1的接口报告给外部控制系统24。
图1A是根据本发明的将至少一个负载2-1,2-2,2-3开关到轨道系统3或顶帽式(top hat)轨道适配器的电流相位L的开关设备1的一种示例的实施例的原理图。在图1中示出的实施例中，轨道系统3包括三个电流相位L1,L2,L3。在一个可能的实施例中，轨道系统3是包括多条母线的母线系统。轨道系统3还可包括电流相位L1,L2,L3的机械紧固的顶帽式导轨以及其他电导轨或线路。开关设备1还可包含在母线适配器中。为每个电流相位L1,L2,L3提供轨道(换句话说，母线或另一个轨道)。如图1A中示出的，为每个电流相位L1,L2,L3提供关联的轨道接触点系统4,5,6。在示出的实施例中，开关设备1包括每个抽头电流相位L的开关单元7,8,9。优选地，如图1A中示出的，在每个轨道接触点4,5,6和关联的开关单元7,8,9之间设置熔线元件(优选地，可替换的保险丝)。这些具有例如20amps的电流阈值。每个开关单元7,8,9在输出处连接至相位输出端子13,14,15，负载2-1,2-2,2-3各自可连接至相位输出端子13,14,15。优选地，负载2-1,2-2,2-3经由插件连接可连接至集成到外壳16中的开关设备1。负载2-1,2-2,2-3在输出处优选地连接至中性导体17。在一个可能的实施例中，负载2-1,2-2,2-3是欧姆负载。可选地，负载2-1还可包括电容和/或电感负载。负载2-1,2-2,2-3可例如为照明单元、加热单元或电机单元。
各种开关单元7,8,9都用于将从轨道系统3的载流轨道所抽头的电流相位L1,L2,L3转换到负载2-1,2-2,2-3，负载2-1,2-2,2-3可连接至开关单元。在一个可能的实施例中，开关单元7,8,9都由混合电路形成。每个混合电路7,8,9包括机械开关7A,8A,9A以及与其并联连接的半导体开关7B,8B,9B。在一个可能的实施例中，每个机械开关7A,8A,9A是继电器或开关继电器。与其并联连接的半导体开关7B,8B,9B优选是三端双向可控硅。在图1A中示出的实施例中，各种开关单元7,8,9集成到外壳16或开关设备1中，或包含在外壳16或开关设备1中。可选地，各种开关单元7,8,9还可集成到不同的外壳中。
开关设备1包括本地控制系统18，本地控制系统18在接收来自外部控制系统的控制命令后，以这样的方式驱动各种开关单元7,8,9的机械开关和/或半导体开关：它们每次在抽头电流相位L为量或时间上尽可能趋近于零的期间开关。在图1A中示出的实施例中，开关设备1具有作为开关单元7,8,9的混合电路，每个开关单元包括电流测量单元7C,8C,9C，该电流测量单元7C,8C,9C监控关联的抽头电流相位L随时间推移的级数。每个开关单元7,8,9的电流测量单元7C,8C,9C检测到关联的抽头电流相位L1,L2,L3为零，并将此零报告给开关设备1的本地控制系统18。可选地，可设置测量设备，测量设备连接至集成的电流监控单元19，该测量设备监控所有电流相位L并向开关设备1的本地控制系统18报告检测到的零。
在一个可能的实施例中，开关设备1进一步包括本地监控单元或错误检测单元20，其监控抽头电流相位L有没有已被关联的开关单元7,8,9依照本地控制系统18从外部控制系统24接收的控制命令实际上且没有错误地开关。这提供了所发出的控制命令实际上是否已被开关设备1执行的验证。本地监控单元20评估对应的电流相位L的电流测量单元7C,8C,9C测量的电流相位级数L(t)，以检测向连接至开关单元7,8,9的关联负载2-1,2-2,2-3的正常供电的操作偏差。本地监控单元20可向本地控制系统18和/或外部控制系统24报告检测到的与正常供电的操作偏差。电流监控单元19和/或本地监控单元20或错误检测单元20可集成到本地控制系统18中。本地控制系统18优选地执行关于是否由开关单元7,8,9依照从外部控制系统24接收的控制命令正确实现或没有错误地实现开关任务的持续验证。本地监控单元20检测电流相位L从电器或开关设备1向上还是向下流。还可检测是否存在短路的半导体7B,8B,9B或卡住的(stuck)机械接触点7A,8A,9A。在一个可能的实施例中，本地监控单元20检测已发生的开关错误，并将其报告给开关设备1的本地控制系统18。在一个可能的实施例中，本地控制系统18经由控制接口21将开关错误向上传给外部控制系统24。在另一种可能的实施例中，本地控制系统18经由控制输入22或经由其他控制接口，接收来自外部控制系统24的控制命令。在一个可能的实施例中，外部控制系统24直接或经由控制总线，经由插件连接，连接或插接至开关设备1。在一个可能的实施例中，开关设备1还具有集成的电流源23，该电流源23用于为集成其中的电开关组件(特别地，集成的本地控制系统18)供应电流。
在一个可能的实施例中，如果发生开关错误，本地监控单元20检测已发生的开关错误的类型。本地监控单元20检测可能的电流故障，可能的电流故障例如是由于相位故障或由于触发的保险丝，且本地监控单元20检测例如半导体开关7B,8B,9B短路或机械继电器7A,8A,9A熔断(fused)时的意外的持续电流。这样的错误类型或错误原因优选地由本地监控单元20向开关设备1的本地控制系统18报告。在一个可能的实施例中，开关设备1的本地控制系统18生成对应的错误消息，并经由控制接口21向外部控制系统24报告此错误消息。外部控制系统24直接或间接连接至控制接口21。外部控制系统24可例如为机器或电器的存储程序控制系统SPC。在一个可能的实施例中，开关设备1的控制接口21经由光耦合器连接至外部控制系统24。外部控制系统24一方面经由控制接口21向本地控制系统18传递控制命令，另一方面，接收来自本地控制系统18的错误消息。在一个可能的实施例中，外部控制系统24评估开关设备1的本地控制系统18报告的开关命令，并依照评估结果驱动连接至开关设备1的负载2-1,2-2,2-3。在评估中，在一个可能的实施例中，外部控制系统24还考虑与连接至开关设备1的负载2-1,2-2,2-3有关的信息。如果发生开关错误，外部控制系统24优选地通过假设的错误原因或报告的错误消息的类型的方式且依据连接至开关设备1的负载2-1,2-2,2-3，决定已发生的开关错误是致命的开关错误还是非致命的开关错误。在一个可能的实施例中，如果发生致命的开关错误，关闭或断开对应的负载2-1,2-2,2-3。相反地，如果涉及非致命的开关错误，在一个可能的实施例中，对应的负载2-1,2-2,2-3可开始继续操作。在一个可能的实施例中，根据本发明的开关设备1具有连接至本地控制系统18的显示设备或LED显示器等等。如果发生开关错误，特别地，发生致命的开关错误，通过显示设备的方式，向用户显示开关错误的发生。如果发生致命的开关错误，优选尽快直接或间接断开或关闭对应的负载2-1,2-2,2-3，且随后可替换对应的负载2-1,2-2,2-3。
图1B显示了根据本发明的开关设备1的另一种可能的实施例。在图1B中示出的实施例中，每个开关单元7,8,9包括半导体开关7B,8B,9B以及电流测量单元7C,8C,9C。半导体开关7B,8B,9B都由开关设备1的本地控制系统18驱动。电流测量单元7C,8C,9C向电流监控单元19和本地监控单元20传递测量信号，如图1B中所示的。半导体开关7B,8B,9B都连接在开关设备1的保险丝10,11,12和相位输出端子13,14,15之间。其余的单元或组件对应于图1A中示出的实施例的单元或组件。
图1A,1B,1C中示出的连接的负载2-1,2-2,2-3可包括各种负载2-1,2-2,2-3，例如，电机设备、通风设备或照明设备。在一个可能的实施例中，负载2-1,2-2,2-3为工具单元，例如，食品工业或塑料材料加工中的制造设备的加热设备。在根据本发明的开关设备1的另一种实施例中，其包括一个或多个温度传感器，可附于外壳16中。在一个可能的实施例中，这些温度传感器测量内部温度，特别地，测量各种开关单元7,8,9的温度T。在一个可能的实施例中，向本地控制系统18发送测量的温度T的信号。在图1A,1B,1C中示出的实施例中，三个开关单元7,8,9以及关联的保险丝10,11,12和本地控制系统18集成到外壳16中。在可选的实施例中，开关单元7,8,9及其关联的保险丝10,11,12都可集成到单独的电器外壳中，且具有专用的本地控制系统。
开关设备1优选地与具有45Hz到60Hz的预设电源频率的电力网同步。在任意时间发布并接收的开关命令优选地以这样的方式延迟一段短的时间：开关过程在尽可能有利的、接近零的抽头电流相位的时间发生。在特别的继电器中，优选地在接通和断开过程控制系统中考虑机械开关7A,8A,9A的时间延迟。优选地与开关单元7,8,9的机械开关或继电器7A,8A,9A并联连接的三端双向可控硅7B,8B,9B确保能够补偿不同继电器之间散布的产品(product)，且对应的继电器总是转换成无负载。半导体开关或三端双向可控硅7B,8B,9B中电流I的持续时间和强度优选地保持尽可能低一段最佳设置的开关时间。三端双向可控硅7B,8B,9B中的功耗仅在较低电流时发生较短时间。
在优选的实施例中，开关单元7,8,9由混合电路形成，混合电路各自包括机械开关以及与其并联连接的半导体开关。在混合电路7,8,9中，在每种情况下，半导体开关或三端双向可控硅7B,8B,9B承担开关工作，机械开关或继电器7A,8A,9A承担提供持续电流。接通过程期间，在最佳时间驱动混合电路或开关单元7,8,9的机械开关或继电器7A,8A,9A，机械开关7A,8A,9A具有特别的开关延迟。继电器接触点闭合之前，半导体开关或三端双向可控硅7B,8B,9B连通。继电器接触点7A,8A,9A关闭之后，半导体开关或三端双向可控硅7B,8B,9B断开。因此，完成关联负载2-1,2-2,2-3的本地控制系统18驱动的混合电路的接通过程。
在一个可能的实施例中，开关设备1包括反向级25，如图1C中示出的。反向级25可跨越两个相位L1,L2，如图1C中示出的，或可选地，跨越三个相位L1,L2,L3。通过反向级25的方式，在电机作为负载的情况下，可反转旋转方向。反向级25优选地由本地控制系统18驱动。
图2通过相关电流相位L的信号图的方式，示意性地示出开关设备1中的开关单元7,8,9中的接通过程，开关单元7,8,9由混合电路形成。抽头电流L随着时间的推移具有正弦级数，且具有例如50Hz的预设频率f。在时间t1，开关设备1的本地控制系统18接收外部控制系统24的方式的外部接通命令。在图2中示出的示例中，在本地控制系统18接收控制命令的时间t1，由于半混合电路7,8,9的导体开关7B,8B,9B中产生了太多的功耗，直至时间t2处的下一个零的剩余时间太低。考虑机械开关或继电器7A,8A,9A的预设接通延迟，在抽头电流相位L的下一个半波，继电器7A,8A,9A在时间t3接收来自本地控制系统18的接通命令。在时间t4，还是在下一个零之前，混合开关装置7,8,9的三端双向可控硅电路7B,8B,9B接收来自本地控制系统18的控制命令。从时间上趋近零的抽头电流相位L的时间t5开始到时间t6，三端双向可控硅开关7B,8B,9B及对应的机械开关或继电器7A,8A,9A同时激活。从时间t6开始，可关闭三端双向可控硅7B,8B,9B。通过三端双向可控硅7B,8B,9B的方式，可补偿机械开关或继电器7A,8A,9A之间散布的产品(production)。如果接通命令和下一个零之间有足够的时间，该过程以接通在下一个零时发生的方式发生。
图3是抽头电流相位L的信号图，示意性显示了开关设备1的形成为混合电路的开关单元7,8,9执行的断开过程。混合开关装置7,8,9的机械开关或继电器7A,8A,9A最初处于开启状态。在时间t1，开关设备1的本地控制系统18接收断开命令，以断开或阻断外部控制系统的电流相位L的混合电路。在示出的示例中，由于混合电路7,8,9的三端双向可控硅7B,8B,9B中会发生太多功耗，直至抽头相位L的下一个零的时间太低。在时间t2，在下一个半相位，混合电路7,8,9的半导体开关或三端双向可控硅7B,8B,9B连通，且关联的继电器7A,8A,9A断开，同时，考虑中继器断开延迟。在时间t3，三端双向可控硅7B,8B,9B再次断开，同时考虑其短开关延迟，以在时间t4接近零的对应的相位L的方式，完成断开过程，且负载2-1,2-2,2-3与对应的相位L断开连接。如果断开命令和下一个零之间有足够的时间，该过程以断开过程在下一个零时结束的方式发生。
在一个可能的实施例中，本地监控单元或错误检测单元20将各种错误状态或错误类型检测或记录为错误。这些错误包括例如正被触发的对应的预熔10,11,12或正短路的三端双向可控硅或半导体开关7B,8B,9B。这意味着，半导体开关7B,8B,9B具有缺陷，且正持续传导电流。此外，本地监控单元20可记录是否超过内部极限温度。在一个可能的实施例中，每个开关单元7,8,9包括向本地监控单元20报告关联的开关单元7,8,9的温度T的温度传感器。优选地，由本地控制系统18经由接口向外部控制系统24报告可能的错误(特别地，包括温度错误)，且可在断开网络电压之后，最佳地发送可能的错误的信号。
图4示意性示出轨道系统3，该轨道系统3包括像图1的框图中示出的那样的三个开关设备1。图4中示出的轨道系统3包括三个母线3-1,3-2,3-3，承载三个电流相位L1,L2,L3。在示出的实施例中，三个开关设备1-1,1-2,1-3中的每个包括三个混合电路7-1,8-1,9-1；7-2,8-2,9-2；7-3,8-3,9-3。总计，例如九个负载设备或负载2-1,2-2,2-3可连接至图4中示出的三个开关设备1。开关设备1的电器外壳16-i包括每个电流相位L的轨道接触点系统。在电器外壳中，可在一侧设置替换其中包含的保险丝10,11,12的封盖。对于第一开关设备1-1，可在图4中的一侧上看到其中包含的替换三个保险丝10,11,12的此类型的替换翻盖25-i。如图4中能够看到的，开关装置特征在于低空间要求。所有连接可经由插件连接器发生。作为负载2-1,2-2,2-3，例如，可连接电机或电动机、加热元件或照明原件。在由混合电路形成的开关单元7,8,9中，开关过程中发生的功耗P非常低，且例如近似30％，少于使用固态继电器的可比较的装置。作为较低的功耗P和与其关联的较低的热量的结果，开关设备1的操作时间也增加。通过根据本发明的开关设备1的方式，将主操作电路和控制电路分开是可能的。为每个抽头电路相位L设置独立的电路，所有连接是可插接的。根据本发明的开关设备1适用于包括适配器或母线适配器的轨道系统。根据本发明的开关设备1可用于各种载流轨道系统，特别地，用于母线系统或顶帽式轨道系统。在一个实施例中，电流测量单元7C,8C,9C包括GMR传感器。可选地，电流测量单元7C,8C,9C包括罗氏线圈、霍尔传感器、变压器或分流测量电阻。
根据本发明的开关设备1适用于操作连接至开关设备1的开关单元7,8,9的至少一个负载2-1,2-2,2-3。开关设备1可用于包括多个负载的安装中的错误管理及服务管理，且在供电故障或干扰的情况下，生成警告消息，警告消息可例如传递至安装的中央控制系统或外部控制系统24。
图5是根据本发明的包括外壳16的开关设备1的一种示例的实施例的透视图。在示出的实施例中，外壳16可通过轨道适配器26的方式安装在轨道系统上。在图5中示出的实施例中，轨道适配器26是用于放置在母线系统上的母线适配器。在一个可能的实施例中，例如由于从外壳16突出的电接触点插到轨道适配器26的对应的插座中，图1A,1B中示出的连接接触点4,5,6可连接至轨道适配器16的对应的接触点系统。在此实施例中，外壳16可插到轨道适配器26中，轨道适配器26安装到母线系统3的多个母线3-1,3-2,3-3上。在一种可选的实施例中，轨道适配器26可集成到开关设备1中，换句话说，在此可选的实施例中，轨道适配器26一体形成到开关设备1的外壳16上。图5仅显示了根据本发明的开关设备1的一种实施例。可选地，开关设备1还可设置用于其他载流轨道。开关设备1也可以连接至安装板或交叉板上。开关设备1可以直接或通过机械适配器的方式机械地安装到顶帽式轨道上，且可以电连接线缆连接至电连接接触点4,5,6以提供电流相位L1,L2,L3。
根据本发明的开关设备1可用于安装的预防性维护。开关设备1的本地控制系统18可例如报告电流相位L的相位故障。此外，本地控制系统18可经由接口向外部控制设备24输出连接至开关设备1的负载错误或电器错误。开关设备1的本地控制系统18可向外部控制系统24报告软件错误以及硬件缺陷。如果开关设备1的开关单元7,8,9还未执行或仅部分执行或不正确地执行从外部控制24接收的控制命令，本地控制系统18优选地进一步确定警告通知。在一个可能的实施例中，本地控制系统18可经由接口向外部控制系统24报告连接至开关设备1的有缺陷的负载2-1,2-2,2-3。在另一种可能的实施例中，外部控制系统的本地控制系统18还可报告未正确连接的负载2-1,2-2,2-3。在一个可能的实施例中，本地监控单元20通过电流测量单元7C,8C,9C的方式检测连接到开关设备1的相位输出端子13,14,15的负载2-1,2-2,2-3是欧姆、电感、还是电容负载。在一个可能的实施例中，本地监控单元20基于电流测量单元7C,8C,9C进行的测量，确定连接至相位输出端子13,14,15的负载2-1,2-2,2-3的复电阻Z，并向开关设备1的本地控制系统18和/或经由接口向安装的外部系统24报告连接的负载z-i的确定的复电阻Z。在一个可能的实施例中，本地监控单元20监控连接的负载2-1,2-2,2-3的负载属性中的改变，特别地，由于在安装的持续操作期间戴上负载所产生的变化。例如，在一个可能的实施例中，可由本地监控单元20向本地控制系统18和/或向安装的外部控制系统24传送负载2-1,2-2,2-3的复电阻Z中随时间的推移的改变Z(t)。例如，如果基于测量，计算的连接至开关设备1的负载z-i的复电阻Z在不允许的操作范围外，可以这样的方式向外部控制系统24报告此情况：启动其中的对应的相关负载2-1,2-2,2-3的预防性维护或替换。
对于根据本发明的开关设备1，优选地存在主操作电路和控制电路之间的分离。根据图1A,1B中示出的本发明的开关设备1使得能够例如操作例如25A的电流幅度的三个独立的电路L1,L2,L3。负载2-1,2-2,2-3和接口21,22的连接优选地包括插接连接。
根据本发明的开关设备1使得能够将过载保护和短路保护分离。通过保险丝10,11,12的方式提供短路保护，优选地，保险丝10,11,12运行于部分负载范围。通过在正常操作中使用开关功能发现(例如，如果超过阈值)来关闭，提供过载保护。在一个可能的实施例中，根据本发明的开关设备1可由中央外部控制系统自动操作。可选地，开关设备1还可开关到手动控制。在另一种可能的实施例中，本地控制系统18可在供电中的异常事件情况下，经由接口输出警告消息，并在错误发生时生成错误消息。
在根据本发明的开关设备1的另一种可能的实施例中，如果开关单元7,8,9的半导体开关7B,8B,9B故障，进行限时紧急操作。
图6A,6B是根据本发明的开关设备1中包含的开关单元的变形配置的电路图。图6A,6B显示了像根据图1A,1B的开关设备1中包含的那样的开关单元7的变形。两个其余的开关单元8,9具有对应的构造。在图6A中示出的变形配置中，开关单元7各自包括机械开关7A和与其并联连接的半导体开关7B。机械开关7A可例如由继电器形成。如图6A中能够看到的，半导体开关7B和机械开关7A连接在两个并联的电流路径中，且可分别由本地控制系统18，通过关联的控制信号CTRL-HL和CTRL-R的方式单独驱动。在图6A中示出的实施例中，在半导体7B的电流路径中形成额外的保险丝7D，额外的保险丝7D使得连接至开关设备1的负载的紧急操作成为可能，且由例如三端双向可控硅开关形成。保险丝单元7D在例如超过5amps的电流幅度时燃烧。如果例如，半导体开关7B或三端双向可控硅短路且产生持续电流，为此目的的串联连接的保险丝7D以这样的方式短路：现在，电流仅仍然通过连接的负载的开关继电器7A供应。在例如每天开关20,000次的情况下，通过这样的方式，仍可执行例如成千上万次的开关过程，且使得几周的持续的紧急操作成为可能。在一个可能的实施例中，通过两个并联的电流路径中对应的电路测量的方式，本地监控单元20检测保险丝烧断之后，电流不再流到第一电流路径中，同时，电流相位L仍然经由继电器7A转换到连接的负载。在这样的情况下，本地控制系统18可例如经由用户接口显示相关开关单元7或其连接的电流相位L1的紧急电流或紧急操作。如果两个剩余的开关单元8,9上对应的保险丝8D,9D烧断，还可显示两个剩余的电流相位L2,L3的对应的紧急操作。
在图6A的电路图中未示出电流测量单元7C。在这样的情况下，电流测量单元7C能够通过传感器的方式(例如，使用连接在一个或两个电流路径中的GMR传感器)检测开关单元7的一个或两个并联的电流路径上的电流。
图6B显示了开关单元7的一种可选的变形配置，其中，其仅包括一个半导体开关7B。在图1B中示出的变形配置中，其余的开关单元8,9可类似地构造。保险丝7D与半导体开关7B串联设置，且例如，在半导体开关7B短路时烧断。结果，中断连接至开关单元7的负载2-1的供电。在一个可能的实施例中，连接在开关单元7的电流路径中的电流测量单元或电流过传感器显示错误本地监控单元20的负载2-1的供电的中断。在一个可能的实施例中，可经由用户界面，由本地控制系统18显示连接至相位L1的负载2-1的供电的故障。
本地监控单元20还可检测与连接至开关单元7,8,9的负载的正常供电的操作偏差。例如，本地监控单元20可检测相位L3的相位故障。在一个可能的实施例中，本地监控单元20随后测量供电相位的相位故障持续多长时间。如果对应的相位故障仅持续几秒，这仅是异常，由本地控制系统18经由接口报告为异常。但是，如果相位故障持续的更长，例如，超过10秒，这可被本地控制系统18认为是错误。可经由用户界面，由本地控制系统18显示此错误，并作为错误报告给外部控制系统24。在此变形配置中，本地监控单元20具有时间测量单元或计数器，通过时间测量单元或计数器的方式测量传感器检测的相位故障的持续时间。
本地监控单元20检测的操作偏差的另一种示例是：即使通过控制信号的方式关闭了关联负载2-1，仍然发生的电流。如果例如，关闭负载2-2，且通过电流测量单元8C的方式确定电流仍然经由电流端子14流到关闭的负载，这可能最初由本地控制系统18评估为几秒的异常，通过这样的方式，生成对应的警告消息。尽管关联的负载断开较长的时间，如果电流流动例如超过20秒，这可被本地控制系统18认为是错误，所述错误触发对应的错误消息，错误消息例如被传送到外部控制系统24。在优选的实施例中，还经由开关设备1的用户界面向用户显示错误消息。显示的或传送的错误指出了错误的类型。例如，尽管关闭负载，错误消息指出电流仍经由关联的开关单元流到对应的负载。此类型的错误消息的另一种示例是：已在特别的相位(例如，相位L3)确定了长持续时间的相位故障。错误消息的另一种示例是开关单元中包含的保险丝(保险丝7D)已烧断，且因此对应的半导体开关7B可能已经短路。因此，在一个可能的实施例中，错误消息还包含关于已发生的错误的可能的原因的信息，以及已发生的错误类型的信息。此外，通过显示单元的方式，可向用户显示消除可能已经发生的错误的指令。在一个可能的实施例中，显示且可选地向外部控制系统24传送本地监控单元20检测的操作异常和/或错误，以评估错误。
在根据本发明的开关设备1的一个可能的实施例中，开关设备1的图1A,1B中示出的单元或组件集成到电路板上。在这样的情况下，载流线路优选地由连接至电路板的铜路径形成。在一个可能的实施例中，电流测量单元7C,8C,9C测量铜路径或线路中流的电流I。在一个可能的实施例中，这些由GMR传感器形成。为了绝缘，这些GMR传感器可优选地设置在电路板的相对或后面。
在一个可能的实施例中，开关设备1的外壳16包括通风缝。在根据本发明的开关设备1的另一种可能的实施例中，至少一个通风管道设置在开关设备1的外壳16的外壳壁上。在一个可能的实施例中，根据本发明的开关设备1可运行于待机模式。根据本发明的开关设备1使得多个电器的级联开关成为可能。开关设备1为电开关电器提供较高可用的电力输出、较低的功耗、以及较高数量的电周期。根据本发明的开关设备1可以简单的方式安装在轨道系统上，特别地，安装在母线系统上。根据本发明的开关设备1还提供过载保护以及短路保护。
在一个可能的实施例中，根据本发明的开关设备1还包括配置存储器。在此配置存储器中，可经由接口配置特别的操作参数。这些操作参数包括例如：到连接至开关设备1的负载2-1,2-2,2-3的正常供电的电流级数。例如，连接的电流相位的预设的幅度和频率以及信号级数可写到开关设备1的配置存储器。例如，50Hz的240V幅度以及正弦电压级数写到或保存到配置存储器中。可选地，其他幅度、频率、或电压级数也可存储在开关设备1的配置存储器中。本地监控单元20优选地访问配置存储器。在一个可选的实施例中，本地监控单元20将如电流测量单元7C,8C,9C测量的向负载2-1,2-2,2-3输出的电流相位级数L(t)与配置存储器中保存的供电级数作比较。如果存在任何差异，可由本地控制系统18的本地监控单元20向开关设备1和/或向安装的外部控制系统24报告该差异。

Claims (23)

1.一种操作至少一个负载的开关设备(1)，包括：
至少一个开关单元(7；8；9)，其向可连接至所述开关单元(7；8；9)的负载(2-1；2-2；2-3)转换抽头电流相位(L)，以向所述负载(2-1；2-2；2-3)供应电流，且所述至少一个开关单元(7；8；9)具有电流测量单元(7C；8C；9C)，测量至少一个抽头电流相位(L)的电流相位级数；
本地控制系统(18)，其在接收来自外部控制系统(24)的控制命令之后，以这样的方式驱动所述开关单元(7；8；9)的半导体开关(7B；8B；9B)：所述半导体开关(7B；8B；9B)在所述电流测量单元(7C；8C；9C)测量的所述抽头电流相位(L)为零时开关；以及
本地监控单元(20)，其评估所述至少一个抽头电流相位(L)的所述电流测量单元(7C；8C；9C)测量的所述电流相位级数，以检测向连接至所述开关单元(7；8；9)的各负载(2-1；2-2；2-3)的正常供电的操作偏差，以及报告任何检测到的操作偏差。
2.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述至少一个开关单元(7；8；9)由混合电路形成，
其中，所述混合电路包括机械开关(7A；8A；9A)以及与其并联连接的半导体开关(7B；8B；9B)。
3.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)包括至少一个电流测量单元(7C；8C；9C)，所述电流测量单元(7C；8C；9C)监控至少一个抽头电流相位(L)随时间推移的所述级数。
4.根据权利要求3所述的开关设备，
其中，所述电流测量单元(7C；8C；9C)检测到所述抽头电流相位(L)为零，并向所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)报告所述抽头电流相位(L)为零。
5.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述本地监控单元(20)监控是否已依照所述本地控制系统(18)从外部控制系统(24)接收的所述控制命令，已经由所述开关单元(7；8；9)输出所述抽头电流相位(L)。
6.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述本地监控单元(20)检测已发生的开关错误，并向所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)报告所述开关错误，
其中，所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)经由接口(21)传递由此向外部控制系统(24)报告的开关错误。
7.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述抽头电流相位(L)经由可替换的保险丝(10；11；12)向所述开关单元(7；8；9)传递。
8.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，如果发生开关错误，所述本地监控单元(20)检测已发生的所述开关错误的类型，并向所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)报告已发生的所述开关错误的所述类型。
9.根据权利要求8所述的开关设备，
其中，所述本地监控单元(20)检测已发生的所述开关错误是否由抽头电流相位(L)的故障或所述开关单元(7；8；9)输出的持续电流引起。
10.根据权利要求9所述的开关设备，
其中，所述本地控制系统(18)经由接口(21)向所述外部控制系统(24)传递已发生的所述开关错误的所述报告的类型，
其中，所述外部控制系统(24)评估所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)报告的所述开关错误和/或其类型，并依照评估结果驱动连接至所述开关设备(1)的所述负载(2-1；2-2；2-3)。
11.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器监控所述开关设备(1)中的内部温度，并向所述开关设备(1)的所述本地控制系统(18)报告所述内部温度。
12.根据权利要求11所述的开关设备，其中所述内部温度为所述至少一个开关单元(7；8；9)的温度。
13.根据权利要求6所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)的所述接口(21)经由至少一个光耦合器连接至所述外部控制系统(24)。
14.根据权利要求2所述的开关设备，
其中，形成为混合电路的所述开关单元(7；8；9)的机械开关(7A；8A；9A)包括继电器，
其中，形成为混合电路的所述开关单元(7；8；9)的所述半导体开关(7B；8B；9B)包括三端双向可控硅。
15.根据权利要求2所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)包括三个抽头电流相位(L1；L2；L3)的三个开关单元(7；8；9)，每个开关单元包括机械继电器以及与其并联连接的三端双向可控硅。
16.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)集成到电器外壳(16)中，或在每种情况下，开关单元(7；8；9)以及关联的本地控制系统集成到单独的电器外壳中，
其中，所述开关设备(1)的所述电器外壳包括每个抽头电流相位(L)的关联的轨道接触点系统。
17.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，外部控制系统(24)经由插接连接可连接至所述开关设备(1)的至少一个本地控制系统(18)，
其中，所述至少一个负载(2-1；2-2；2-3)经由插接连接可连接至所述开关设备(1)的开关单元(7；8；9)。
18.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)与电力网同步。
19.根据权利要求3所述的开关设备，
其中，所述电流测量单元(7C；8C；9C)包括GMR传感器、罗氏线圈、变压器、霍尔传感器或分流测量电阻。
20.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)可安装到顶帽式轨道或安装板上。
21.根据权利要求1所述的开关设备，
其中，所述开关设备(1)包括至少一个反向级(15)。
22.一种轨道系统(3)，包括电流相位的多个轨道(3-1；3-2；3-3)，且包括根据权利要求1至18中任一项的至少一个开关设备(1)，所述至少一个开关设备经由轨道接触点系统连接至所述轨道(3-1；3-2；3-3)，以抽头所述电流相位，其中，负载(2-1；2-2；2-3)可连接至所述开关设备(1)的每个开关单元(7；8；9)。
23.根据权利要求22所述的轨道系统，
其中，所述轨道系统(3)包括具有多个并行设置的母线的母线系统。
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