ES2225714T5 - Dispositivo calefactor electrico con varios elementos calefactores. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo calefactor eléctrico, especialmente como calefacción adicional para automóviles, con varios elementos calefactores (17) reunidos, formando un bloque calefactor, que se pueden activar cada uno de ellos separadamente, y un dispositivo de mando (16) para el activado de los elementos calefactores (17), pudiéndose ajustar la potencia calefactora para cada uno de los elementos calefactores (17) separadamente, caracterizado porque el dispositivo de mando (16) está preparado de tal manera que con la activación de los diversos elementos calefactores (17) se puede modificar una asignación de la potencia calefactora ajustable separadamente en cada uno de los elementos calefactores (17) en períodos de tiempo predeterminados (TR).
Description
Dispositivo calefactor eléctrico con varios
elementos calefactores.
Dispositivo calefactor eléctrico con varios
elementos calefactores. La presente invención se refiere a un
dispositivo calefactor eléctrico, según el preámbulo de la
reivindicación 1. Un dispositivo calefactor eléctrico de esta clase
es apropiado especialmente para el empleo como calefacción eléctrica
adicional en automóviles.
En los automóviles se emplean dispositivos
calefactores eléctricos, entre otras aplicaciones, para el
calentamiento del aire del habitáculo, para el precalentamiento del
agua de refrigeración en motores enfriados por agua o para el
calentamiento del carburante. Tales calefacciones eléctricas
adicionales están formadas usualmente de, por lo menos, una etapa
calefactora con elementos calefactores y un dispositivo de mando.
Los elementos calefactores están formados, en general, como
resistencia calefactora, especialmente como elemento PTC. La
calefacción y la unidad de mando se pueden conformar tanto como
unidades de funcionamiento separadas como también para formar una
unidad constructiva.
En el documento
EP-A2-1 157 868 se describe un
dispositivo calefactor eléctrico, en el que se han reunido en una
unidad constructiva tanto los elementos calefactores como también un
dispositivo de mando. Para la activación de los elementos
calefactores se han descrito una pluralidad de conceptos de mando
que a continuación se resumirán brevemente.
Una regulación de potencia para un dispositivo
calefactor eléctrico comprende, en el caso simple, varios elementos
calefactores separados y una activación idéntica para todos los
elementos calefactores. Una activación de esta clase se reproduce
en el ejemplo de tres etapas calefactoras de figura 1. La potencia
de calefacción de las diferentes etapas calefactoras P1, P2 y P3
está representada, una debajo de la otra, por encima de la potencia
calefactora total P (en el diagrama más inferior). En caso de
necesidades de calefacción crecientes se activan simultáneamente
los diversos elementos calefactores, de tal manera que cada uno de
los elementos calefactores individuales genera una potencia
calefactora cada vez mayor. Con ello corresponde la potencia
calefactora total P a la suma de las potencias calefactoras
individuales P1 a P3.
Para la activación de cargas eléctricas se
emplea frecuentemente la denominada modulación por anchura de pulsos
(PWM). Esta se distingue por una facilidad de realización técnica
especialmente simple. En la figura 2 se ha representado una
activación sincronizada de esta clase. Cada circuito del dispositivo
calefactor es sincronizado por un dispositivo de mando con una
frecuencia fija F y un período T. La potencia de cada elemento
calefactor individual resulta por ello de la relación de
sincronización. Mediante una modulación de la anchura de los pulsos
es posible variar la potencia calefactora.
La regulación de potencia mostrada en la figura
2 corresponde, en principio, a la activación lineal descrita con
referencia a la figura 1. De acuerdo con ello para la generación de
una determinada potencia de calefacción total predeterminada se
activan simultáneamente todos los elementos calefactores. Con la
potencia de calefacción total creciente aumenta la potencia
calorífica de los diversos elementos calefactores. La relación
duración-período de la figura 2 es, por ejemplo,
70% para cada uno de los pulsos. Se genera por tanto un 70% de la
potencia calefactora máxima posible. En el diagrama situado más
abajo de la figura 2, la línea de trazos con la designación
P_{70%} indica la potencia calorífica efectiva media de todos los
elementos calefactores del dispositivo calefactor. La línea
continúa indica, en cambio, cada una de las potencias
momentáneas.
Para reducir los problemas de compatibilidad
electromagnética, al emplear la modulación por anchura de pulsos se
conectan y desconectan los consumidores de manera "suave", es
decir, con un flanco relativamente lento. Puesto que, sin embargo,
los interruptores de potencia necesarios para ello durante un flanco
de esta clase se activan en funcionamiento lineal, se genera al
mismo tiempo una potencia de pérdidas momentánea considerable.
Tales "pérdidas de flanco" pueden representar, con el activado
de calefacciones eléctricas adicionales, una parte importante de
toda la potencia de pérdidas del correspondiente interruptor.
En una activación de esta clase es desventajoso,
según la figura 2, la oscilación temporal de la potencia
calefactora generada por los elementos calefactores. Otros problemas
son las grandes puntas de corriente en la línea de entrada, ya que
todos los consumidores conectan o desconectan simultáneamente.
Para evitar tales oscilaciones temporales con la
cesión de calor, se pueden activar los elementos calefactores de
unas calefacciones empleando una modulación por anchura de pulso con
desfase temporal. Un ejemplo para una activación de esta clase se
reproduce en la figura 3. Con ello los tres elementos calefactores
representados se han sincronizado con un desfase temporal t. La
anchura de pulso correspondiente activa está distribuida para las
diversas etapas a través de un período completo T.
En un procedimiento de esta clase, se puede ver
en la corriente suma de los consumidores, es decir, los elementos
calefactores, los componentes de frecuencia visibles n veces (n =
número de canal). De este modo es posible con una frecuencia de
corriente suma permanente una frecuencia de modulación por anchura
de pulso más baja.
\newpage
Con un empleo de tales dispositivos calefactores
eléctricos en automóviles, la frecuencia de corriente suma tiene
influencia sobre toda la red de a bordo del automóvil y puede
percibirse como un parpadeo molesto, tan pronto como se sobrepasan
los límites de percepciones visuales.
Como se ha citado anteriormente, se origina en
general pérdidas de flanco con activación a través de una modulación
por anchura de pulsos. Estas pérdidas de flanco se presentan con
cada conexión y desconexión, de tal manera que su porcentaje con
frecuencia de activación creciente aumenta linealmente. La
frecuencia de activación no debe quedar por debajo de ciertos
límites, para que el parpadeo luminoso no se pueda percibir.
Permanece para una frecuencia de activación conveniente con ello
sólo un determinado corredor, dentro del cual, se puede variar la
frecuencia de activación.
La magnitud de la pérdida de flanco resulta de
la siguiente ecuación:
En ella P_{Edge} designa la potencia de
pérdida originada por los flancos, W_{RisingEdge} y la energía
convertida en un interruptor de potencia durante un flanco
creciente, W_{FallingEdge} la energía convertida en un interruptor
de potencia durante un flanco de creciente, T_{PWM} la duración
de períodos de la modulación por anchura de pulso y n el número de
los canales, es decir, el número de los elementos calefactores
activados separados.
Tales pérdidas de flanco se pueden introducir
con un procedimiento de activado mejorado. Para ello, con un
procedimiento de activado mejorado para un dispositivo eléctrico de
calefacción, la potencia de calefacción se puede ajustar sólo para
un elemento calefactor variable. Todos los otros elementos
calefactores se pueden conectar o desconectar, es decir, pueden
funcionar con plena carga o con carga cero. Estos elementos
calefactores se conectan o desconectan según necesidad. Para un
"ajuste fino" de la potencia a generar se conecta el elemento
calefactor ajustable con una contribución de potencia calefactora
variable.
Con la combinación de este concepto, con la
modulación por anchura de pulso, no se sintonizan permanentemente
todos los canales, sino que se ajustan sólo la potencia calefactora
del canal continuo ajustado a través de una PWM. Una activación
correspondiente se reproduce en las figuras 4 y 5. La potencia
calefactora de un elemento calefactor se incrementa de este modo
hasta que el elemento calefactor se pone a un máximo de su potencia
calefactora que pueda aportar. A continuación, el elemento
calefactor sin sincronización, es decir, sin modulación por anchura
de pulsos, continúa con corriente. En otro incremento de la potencia
de calefacción a aportar se consigue ésta a través de una
modulación por anchura de pulsos del siguiente elemento calefactor.
Este proceso se continúa hasta que todos los elementos calefactores
estén conectados permanentemente. La figura 5 muestra una
alternativa en la que sólo se puede ajustar la potencia calefactora
de uno de los elementos calefactores, mientras que los otros
elementos calefactores sólo se conectan o desconectan.
De esta manera se puede conseguir la misma
potencia calefactora generada con pérdidas de flanco reducidas. Las
pérdidas de flanco que se presentan se reproducen mediante la
siguiente ecuación:
Debido a que sólo uno de los elementos
calefactores se activa al mismo tiempo a través de un PWM, se
reducen las pérdidas de flanco en comparación a la ecuación
anterior a 1/n.
Es desventajoso en una regulación de potencia
calefactora de esta clase, sin embargo, el calentamiento no
homogéneo del bloque calefactor por los diferentes elementos
calefactores. Con ello, el medio local central se calienta de forma
desigual y presenta con ello zonas de diferentes temperaturas.
El objeto de la presente invención es proponer
un dispositivo calefactor eléctrico con calentamiento uniforme de
los elementos calefactores con, al mismo tiempo, la potencia de
pérdida más baja y un procedimiento para una activación de un
dispositivo calefactor eléctrico de esta clase.
Este objeto se consigue con la característica de
la reivindicación 1 para un dispositivo eléctrico calefactor y con
las características de la reivindicación 9 para un procedimiento de
activación.
Según la invención, la asignación de las señales
de activación para los elementos calefactores en intervalos de
tiempo predeterminados varía. Para la activación de un dispositivo
de calefacción eléctrica de esta clase se intercambian con ello las
corrientes alimentadas a los elementos calefactores, de tal manera
que los elementos calefactores se activan, uno tras otro, desde
"canales de activación" diferentes de la unidad de mando. De
este modo se puede conseguir en el medio temporal un calentamiento
homogéneo del medio a calentar.
Según una forma de realización preferente, se
modifica la asignación por permutación o rotación de todas las
asignaciones. De este modo se puede conseguir un calentamiento
homogéneo del medio a calentar, ya que a cada elemento calefactor
de cada "canal" del dispositivo se asigna el siguiente.
Las desigualdades en el medio a calentar se
pueden evitar de este modo especialmente si se emplea un esquema de
activación en el que los diversos elementos calefactores se conmutan
entre la potencia calefactora máxima y la potencia cero.
Con el empleo de una conmutación entre la
potencia calefactora máxima y la potencia cero, para la activación
de los elementos calefactores, se necesita por lo menos un canal de
mando, cuya potencia de calefacción se pueda ajustar de forma
continua. De forma ventajosa se emplea un canal de mando ajustable
continuamente y los canales restantes con una conmutación entre la
potencia calefactora máxima y la potencia cero. Con una activación
de esta clase, es posible una potencia de pérdidas más reducida con
al mismo tiempo ajustes de potencia más fino.
De forma ventajosa, se emplea para la activación
de la potencia calefactora ajustable continúa una modulación por
anchura de pulso. Los intervalos de tiempo en los que se modifica
las asignaciones son preferentemente un múltiplo entero de un
período de la modulación por anchura de frecuencia. De esta manera
se puede mantener especialmente pequeños las pérdidas de flanco por
la conmutación.
Las configuraciones ventajosas de la invención
son objeto de las subreivindicaciones.
La presente invención se describe a continuación
mediante las figuras adjuntas en las que,
la figura 1 muestra un concepto de mando para la
activación uniforme de tres elementos calefactores,
la figura 2 representa un ejemplo para un mando
sincronizado de la potencia de calefacción,
la figura 3 representa un mando sincronizado de
la potencia calefactora con un desfase de tiempo de los diversos
canales de activación,
las figuras 4 y 5 muestran variantes de un
concepto de activación, en el que simultáneamente sólo seleccionan
un elemento calefactor entre la carga cero y la carga calefactora a
máxima,
las figuras 6a y 6b muestran una vista en planta
y lateral de un dispositivo calefactor eléctrico según la
invención,
la figura 7 muestra un circuito base de un
dispositivo calefactor eléctrico según la invención con tres
elementos calefactores, y
la figura 8 muestra un ejemplo para una
activación rotativa del elemento calefactor de un dispositivo
calefactor eléctrico.
La figura 6a muestra una vista lateral del
dispositivo calefactor eléctrico 1 según la invención, que es
especialmente adecuado para la aplicación en automóviles. La figura
6b muestra una vista en planta de un dispositivo calefactor
eléctrico 1. El dispositivo calefactor eléctrico 1 contiene un
bloque calefactor, que está formado por una pluralidad de elementos
calefactores 2, puestos en capas o apilados. Cada elemento
calefactor 2 comprende, por lo menos, un elemento calefactor de
resistencia con radiadores dispuestos contiguos a ellos o
superficies conductoras térmicas. Como elementos calefactores de
resistencia se emplea preferentemente elementos PTC. El bloque
calefactor, formado de elementos calefactores 2, se mantiene en un
marco. Este marco está formado de largueros opuestos 3 y travesaños
4 y 5 dispuestos perpendicularmente a ellos. Al contrario del
travesaño 4, el travesaño 5 está conformado como una caja abierta
por una cara. La abertura de este travesaño 5 en forma de caja se
encuentra en el lado opuesto del travesaño lateral opuesto a los
elementos calefactores 2. En esta caja se puede colocar un
dispositivo de mando, que puede controlar la cesión de calor de los
diferentes elementos calefactores 2 por el mando de la corriente
alimentada a los elementos calefactores. El lado abierto del
travesaño 5, configurado como caja, se cierra después del empleo
del circuito de mando con una capa a colocar encima o que se puede
sujetar por resorte. El dispositivo calefactor eléctrico 1 se
abastece a través de dos pernos de conexión 8 con corriente. Estos
se han configurado de tal manera que pueden conducir sin problemas
las corrientes calefactoras exigidas. El travesaño 5 posee, según
una forma de realización especial, aberturas de ventana en los
lados. Estas aberturas de ventana 7 se han dispuesto de tal manera
que se encuentran asimismo en la corriente del medio a calentar.
Entre las aberturas de ventana 7 opuestas se han dispuesto elementos
de refrigeración 6, que evacuan el calor de pérdidas desde los
componentes electrónicos de potencia del circuito de mando.
El circuito base de un dispositivo calefactor
eléctrico, como calefacción adicional, según la presente invención
se representa en la figura 7. Una unidad de mando 16,
preferentemente una unidad de cálculo o un microordenador, controla
la potencia calefactora de una pluralidad de resistencias eléctricas
calefactoras 17. Las elevadas corrientes que son necesarias para
conseguir una potencia calefactora total comprendida entre 1000 y
2000 W se alimentan a través de semiconductores de potencia 11,
especialmente transistores de potencia, a los que se alimenta las
resistencias eléctricas 17. El dispositivo de mando 16 determina la
cantidad de corriente que se transmite desde los transistores 11 a
las resistencias 17, y concretamente en función del procedimiento
de mando empleado y de los valores nominales predeterminados. Para
ello se conecta la unidad de cálculo 16 mediante conductores 18,
separadamente, con cada uno de los transistores de potencia 11.
La potencia calefactora total, que se genera por
las resistencias calefactoras, regula la unidad de cálculo 16 en
función de la potencia calefactora. Además, se puede considerar
también la potencia del generador máxima que se dispone en un
vehículo para el mando.
Por el estado actual de la técnica, se conocen
diferentes conceptos de regulación de potencia, en los que, por
ejemplo, varios elementos calefactores independientes se activan
según la potencia calefactora total deseada o se pueden activar
secuencialmente. De acuerdo con la invención, cada resistencia
calefactora contribuye, en los medios temporales, con la
contribución de potencia calefactora igual a la potencia calefactora
total. Para ello, la asignación de la señal de mando generada por
el dispositivo de mando 16 ("canales") para los elementos
calefactores individuales con períodos de tiempo predeterminados,
especialmente rota o permuta. De este modo se distribuyen
desigualdades del calentamiento a través del bloque calefactor total
y se evitan zonas del calentamiento no uniforme en el flujo de aire
a calentar.
Preferentemente se han elegido los intervalos de
tiempo, de tal manera que utilizando la inercia térmicas de los
elementos calefactores se origine un calentamiento homogéneo.
Empleando una modulación por anchura de pulsos
reacciona el intervalo de tiempo, es decir, el período de rotación
(T_{R}), un múltiple entero K del período PWM T_{PWM}. El número
de los flancos generados con ello depende de la potencia
calefactora requerida, concretamente, de forma especial si se
modifica el estado de conmutación ON/OFF de un elemento calefactor
mediante la modificación de asignación. Puesto que el número de los
flancos determina la altura de la potencia de pérdidas generada, es
válido para un número máximo de flancos, que se origina entonces,
si un único canal sincronizado se emplean para el "ajuste fino"
de la potencia calefactora y los canales restantes se conectan y
desconectan correspondientemente, la ecuación:
Si el intervalo de tiempo, es decir, el período
de rotación o de permutación, se ha elegido muy grande (es
decir
k \rightarrow\infty), entonces se convierte la ecuación (3) en la ecuación (2).
k \rightarrow\infty), entonces se convierte la ecuación (3) en la ecuación (2).
La figura 8 muestra un ejemplo para una
activación rotativa de los elementos calefactores con cuatro
"canales de activación". Los canales de activación se asignan
según un esquema de rotación predeterminados a los elementos
calefactores 17. La duración de los periodos T_{R} se ha elegido
de tal manera que es ocho veces mayor que un período de modulación
por anchura de pulso T_{PWM}.
Con un valor de k de ocho para la relación del
intervalo de tiempo de rotación de la activación al período PWM se
genera, con relación al procedimiento conocido, con un canal
sincronizado y sin rotación (ecuación 2) una pérdida de flanco
adicional del 12,5%. Con relación al procedimiento en el que todos
los canales se han sincronizado uniformemente (figura 1) se
alcanza, en cambio, una reducción de la pérdida de flanco del 71,9%
en este ejemplo.
Además, mediante la activación individual con el
procedimiento con asignación de canal rotativo se dosifican de
forma mucho más fina que con una activación uniforme de los
elementos calefactores según la ecuación 1.
Resumiendo, la presente invención se refiere a
un dispositivo calefactor eléctrico y a un procedimiento para la
activación de un dispositivo de esta clase con el cual se consigue
un calentamiento homogéneo de un registro calefactor. Para ello se
varían las asignaciones entre los canales de activación de un
dispositivo de mando y los elementos calefactores en los períodos
de tiempo predeterminados.
Claims (15)
1. Dispositivo calefactor eléctrico,
especialmente como calefacción adicional para automóviles, con
varios elementos calefactores (17) reunidos, formando un bloque
calefactor, que se pueden activar cada uno de ellos separadamente,
y un dispositivo de mando (16) para el activado de los elementos
calefactores (17), pudiéndose ajustar la potencia calefactora para
cada uno de los elementos calefactores (17) separadamente,
caracterizado porque el dispositivo de mando (16) está
preparado de tal manera que con la activación de los diversos
elementos calefactores (17) se puede modificar una asignación de la
potencia calefactora ajustable separadamente en cada uno de los
elementos calefactores (17) en períodos de tiempo predeterminados
(T_{R}), en el que la asignación de las potencias calefactoras
ajustadas separadamente se modifica en los elementos calefactores
individuales (17) en períodos de tiempo predeterminados, a saber,
mediante la inversión de las corrientes dirigidas a los elementos
calefactores (17).
2. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 1, caracterizado porque la modificación de la
asignación representa una permutación o una rotación de la
asignación de la potencia calefactora ajustada por separado con
relación a los elementos calefactores individuales (17).
3. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo de
mando (16) activa por lo menos uno de los elementos calefactores
(17), a través de una conmutación entre la potencia calefactora
máxima y la potencia cero.
4. Dispositivo calefactor eléctrico, según una
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el
dispositivo de mando (16) activa por lo menos uno de los elementos
calefactores (17) a través de una potencia calefactora ajustable,
esencialmente continua.
5. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el dispositivo de
mando (16) de un elemento calefactor (17) se activa a través de una
potencia calefactora ajustable y todos los otros elementos
calefactores (17) se activan a través de una conmutación entre la
potencia calefactora máxima y la potencia cero.
6. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el dispositivo de
mando (16) activa por lo menos un elemento calefactor (17), cuya
potencia calefactora se puede ajustar de forma continua a través de
una modulación por anchura de pulsos.
7. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 6, caracterizado porque los intervalos de
tiempo predeterminados (T_{R}) representan un múltiple entero (k)
de un período (T_{PWM}) de la modulación por anchura de
pulsos.
8. Dispositivo calefactor eléctrico, según la
reivindicación 7, caracterizado porque el dispositivo
calefactor comprende, en total, cuatro elementos calefactores (17)
activables separadamente y unos intervalos de tiempo
predeterminados (T_{R}) representando un múltiplo entero (k) de un
período (T_{PWM}) de la modulación por anchura de pulsos.
9. Procedimiento para la activación de un
dispositivo calefactor eléctrico, especialmente como calefacción
adicional para automóviles, con varios elementos calefactores (17)
reunidos, formando un bloque calefactor, que se puede activar
separadamente, ajustándose la potencia calefactora separadamente
para cada elemento calefactor (17), caracterizado porque la
asignación de las potencias calefactoras ajustadas separadamente se
modifican en los elementos calefactores individuales (17) en
períodos de tiempo predeterminados (T_{R}), a saber, mediante la
inversión de las corrientes dirigidas a los elementos calefactores
(17).
10. Procedimiento según la dirección 9,
caracterizado porque la modificación de la asignación de una
permutación o de una rotación, representa las asignaciones de las
potencias calefactoras ajustadas por separado de los diferentes
elementos calefactores (17).
11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó
10, caracterizado porque uno de los elementos calefactores
(17) se activa a través de una conmutación entre la potencia
calefactora máxima y la potencia cero.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque por lo menos
uno de los elementos calefactores (17) se activa a través de una
potencia calefactora ajustable, esencialmente de forma continua.
13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó
12, caracterizado porque uno de los elementos calefactores
(17) se activa a través de una potencia calefactora ajustable
continua y todos los otros elementos calefactores (17) se activan a
través de una conmutación entre la potencia calefactora máxima y la
potencia cero.
14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó
13, caracterizado porque por lo menos un elemento calefactor
(17), cuya potencia calefactora se puede ajustar continuamente, se
activa a través de una modulación por anchura de pulsos.
15. Procedimiento según la reivindicación 14,
caracterizado porque los intervalos de tiempo predeterminados
(T_{R}) representa un múltiple entero (k) de un período
(T_{PWM}) de una modulación por anchura de pulsos.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP02024503A EP1416770B2 (de) | 2002-10-30 | 2002-10-30 | Elektrische Heizvorrichtung mit mehreren Heizelementen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2225714T3 ES2225714T3 (es) | 2005-03-16 |
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