一种基于脉宽调制的电加热设备及其电饭煲的制作方法

本实用新型涉及电加热技术领域，尤其涉及一种基于脉宽调制的电加热设备，以及具有该电加热设备的电饭煲。

背景技术：

在目前厨用加热设备中，主要有天然气加热和电力加热两种方式。在电力加热设备中，又主要有微波加热、电磁加热以及电阻加热三种类型的产品。其中，虽然电阻性加热具有传热效率较低的缺点，但是，其对可加热器皿的材料限制少，具有较好的通用性。而微波和电磁加热对加热器皿材料有较为特殊的限制，如微波不能加热金属器皿、电磁加热对于低导磁率材料的加热效率底下，等等。因此，电阻加热类的电加热设备产品，在家庭、餐厨中的使用更为广泛。

在人们生活水平不断提高的今天，人们对食物味道要求也越来越高。食物的味道，不仅仅取决于食物材料，也与烹饪水平密切相关，而烹饪水平的高低，往往取决于火候的掌握，而火候的掌握，往往跟加热温度的精准调控有关。而对于电加热设备而言，如何提供能够更易于精准控温的电加热设备产品，则成为了产品具备市场竞争力的一个重要影响因素。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型目的在于提供一种基于脉宽调制的电加热设备，其能够基于脉宽调制实现对指定加热温度的控制，从而更易于实现精准控温操作，解决传统电加热设备难以实现精准控温加热的问题。

为解决上述技术问题，实现实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于脉宽调制的电加热设备，包括加热盘，加热盘上布设有用于作为加热源的电热线，所述加热盘上还安装有温度传感器，还包括脉宽调制加热控制电路；所述脉宽调制加热控制电路包括整流桥电路、滤波电路、逆变电路、脉宽调制电路和占空比控制器，所述整流桥电路的输入端连接交流电源，整流桥电路的输出端与逆变电路的输入端相连接，逆变电路的输出端与电热线相连接，逆变电路的逆变频率控制端与脉宽调制电路的调制信号输出端相连接，脉宽调制电路的脉宽控制输入端与占空比控制器的占空比信号输出端相连接，占空比控制器的信号输入端与温度传感器的感应信号输出端相连接。

上述基于脉宽调制的电加热设备中，作为优选方案，所述电热线为多组，分别与逆变电路的输出端相并联，且各组电热线呈同心圆环状分布盘绕在加热盘上，所述温度传感器安装在加热盘上位于其中两组同心圆环状盘绕的电热线之间的位置处。

上述基于脉宽调制的电加热设备中，作为优选方案，所述整流桥电路为单相桥式整流电路。

上述基于脉宽调制的电加热设备中，作为优选方案，所述单相桥式整流电路的输入端通过变压器耦合连接至交流电源。

上述基于脉宽调制的电加热设备中，作为优选方案，所述逆变电路采用绝缘栅双极型晶体管，所述脉宽调制电路为IGBT驱动模块。

上述基于脉宽调制的电加热设备中，作为优选方案，所述占空比控制器为集成有脉宽调制占空比控制单元的微处理器。

本实用新型还提供了一种电饭煲，包括上述的基于脉宽调制的电加热设备，作为电饭煲的电加热单元。

相比于现有技术，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备的技术优点是，其通过在布设电热线的加热盘上增加温度传感器进行温度采集和反馈，结合占空比控制器和脉宽调制电路，对电热线的平均加热功率加以控制，从而能够实现对指定加热温度的精准控制，解决传统电加热设备难以实现精准控温加热的问题。具有该电加热设备的电饭煲不仅能够实现电器自动化控制蒸煮米饭，还具备加热温度的精准控制的优点。该电加热设备还可以应用到其它的电加热功能产品中，具有很好的市场应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于脉宽调制的电加热设备一种具体实施方式的结构俯视示意图。

图2为本实用新型基于脉宽调制的电加热设备中脉宽调制加热控制电路一种具体实施方式的结构框图。

图3为具有本实用新型电加热设备的电饭煲的一种具体实施结构示意图。

具体实施方式

在电阻中流过电流时，会产生热量，将电阻热效应作为热源，可以为器皿加热。这种电阻也被称为电热线。在电热线上面产生的热跟电阻消耗的功率有关：

P＝UI＝I²R； (1)

式(1)中各项含义为：

P—电热线平均消耗功率；

R—电热线的阻值；

U—电源电压；

I—电热线上的电流。

在式(1)中，若电源为直流电源，U表示直流电源的电压，I表示直流电源的电流；若电源为交流电，则U和I则代表它们的有效值。在日常生活中使用的电源是交流电，有效值220V，电热线的阻值可认为近似不变，由此，当电热线阻值一旦固定，其上消耗的功率P保持不变。

若对电热线的供电回路增加开关，Us代表对电热线供电的直流电源，R代表电热线阻值，S为开关，假设S断开和闭合的时间分别为T1和T2，定义：

T＝T1+T2； (2)

若表达式(2)中的T为固定值，则有：

D＝T2/T； (3)

式(3)中的D即为占空比，D的取值范围为[0,1]，在电阻R上消耗的平均功率为：

式(4)中，I为开关S闭合时电阻R上的电流，为一定值。由此可以看出，通过改变占空比D的大小，可以对电热线平均功率在[0,I²R]区间内调节，由此便可以达到对加热温度的精确控制。

基于上述的技术原理，本实用新型提供了一种基于脉宽调制的电加热设备，如图1所示，其包括加热盘100，加热盘100上布设有用于作为加热源的电热线200，加热盘100上还安装有温度传感器300，且该电加热设备中还包括脉宽调制加热控制电路(未在图1中示出)。脉宽调制加热控制电路的结构框图如图2所示，其包括整流桥电路、滤波电路、逆变电路、脉宽调制电路和占空比控制器，所述整流桥电路的输入端连接交流电源，整流桥电路的输出端与逆变电路的输入端相连接，逆变电路的输出端与电热线相连接，逆变电路的逆变频率控制端与脉宽调制电路的调制信号输出端相连接，脉宽调制电路的脉宽控制输入端与占空比控制器的占空比信号输出端相连接，占空比控制器的信号输入端与温度传感器的感应信号输出端相连接。

本实用新型基于脉宽调制的电加热设备，其工作过程是：交流电源通过整流桥电路整流成直流电，经过滤波电路后，由逆变电路变换成频率和占空比能够在一定范围内连续可调的单相交流电输出给电热线，这个输出给电热线的单相交流电可以看做是以某种频率进行通/断切换的直流电，在通电时电热线有电流通过，电热线产生热量，在断电时电热线无电流通过，电热线不产生热量，进而由占空比控制器通过控制脉宽调制电路所输出的脉宽调制信号的占空比而实现对逆变电路输出的单相交流电的占空比和频率加以调节，从而达到控制电热线的加热平均功率、实现加热温度调节的目的；同时，由于加热盘上还安装有温度传感器，能实时的检测加热盘上被加热器皿的温度，并反馈给占空比控制器，因此占空比控制器可以根据其设置指定的加热温度与温度传感器反馈的实时温度作对比，调整其输出的占空比信号，从而较为精准的控制电热线达到指定加热温度的要求。

在本实用新型基于脉宽调制的电加热设备中，具体实施时，加热盘上的电热线可以采用多组的设计方式，各组电热线分别与逆变电路的输出端相并联，以对各组电热线提供均衡的供电电压，并且作为一种优选的布局方式，如图1所示，各组电热线200可以设计呈同心圆环状分布盘绕在加热盘100上，同时温度传感器300设计安装在加热盘100上位于其中两组同心圆环状盘绕的电热线之间的位置处。这样设计的好处是，多组电热线呈同心圆环状分布盘绕在加热盘上，形成一个特定的加热区，并且由于各组电热线具备均衡的供电电压，可以使得该加热区内各个部位的加热均匀性好，同时温度传感器布置位置使其能够准确检测到加热区的温度情况，提供准确的温度反馈信息。当然，电热线和温度传感器在加热盘上的布局方式还可以采用其他设计方案，只要能够满足温度反馈检测和加热控制的具体需求即可。

温度传感器的具体应用结构，则可以采用在加热盘上铠装铜热电阻，然后配合放大电路的形式来实现，可以采用电桥以及差分放大电路，将温度传感器输出电压放大至0～5伏范围，并可以使得温度传感器的测量温度范围达到-50℃至+150℃。如果需要设计温度传感器的测量温度高于150℃，则其测量电阻可以采用铂热电阻。

至于脉宽调制加热控制电路中，整流桥电路可以采用单相桥式整流电路，并且可以设计单相桥式整流电路的输入端通过变压器耦合连接至交流电源，用以实现变压转换。逆变电路可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，缩写为IGBT)，相应地，脉宽调制电路则可以设计为IGBT驱动模块，而占空比控制器则可以设计采用集成有脉宽调制占空比控制单元的微处理器，例如常用的PIC16F877A型微处理器、AVR Mega系列微处理器等8位的单片机，或者STM32系列的32位微处理器等，根据实际应用情况的需求而确定；这样以来，微处理器便可以通过光电耦合的方式控制IGBT驱动模块，最终达到控制IGBT通断实现脉宽调制控制的功能，控制过程更为稳定可靠，并且绝缘栅双极型晶体管的故障率低、使用寿命长，从而有助于提升本实用新型电加热设备产品的整体稳定性能。

本实用新型基于脉宽调制的电加热设备，还可以通过进一步的设计以适用于多种不同的应用场景。例如，可以在其占空比控制器中预设存储多种不同加热模式的温控曲线，并且在电加热设备中增加人机交互显示单元，例如数码显示管与输入按键的集成单元、触摸屏输入显示单元等，用于提供信息显示以及不同加热模式的选择操作，而选定某种加热模式后，占空比控制器就根据相应加热模式的温控曲线实时的调整不同时刻的指定加热温度值，并与温度传感器反馈的实时温度作对比，实现加热温度随时间曲线变化的加热控制，并且还可以进一步的在占空比控制器中采用PID控制算法或者模糊控制算法来执行指定加热温度与温度传感器反馈的实时温度之间的对比运算处理，从而进一步的提高随温控曲线进行加热温度调节的精准度。同时，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备中的电热线还可以根据实际的需求而选用不同的规格。这样以来，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备，就能够适用于多种不同的应用场景；例如，在电加热设备中预先设置针对火锅加热模式、炒菜加热模式、蒸煮加热模式的不同温控曲线，从而在用户选择不同加热模式时自动控制不同时段的加热温度，相比于传统的电热设备，就无需再认为把控整个加热过程的温度调节，并且还可以进一步的结合一些智能化、物联网化的功能设计，例如语音播报菜谱及流程、通过网络化实现远程的加热控制和加热模式选择，等等。

此外，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备还可以应用到其它的电加热功能产品中。例如，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备可以应用于电饭煲，作为电饭煲的电加热单元。作为具有该电加热设备的电饭煲的一种具体实施例，如图3所示，其包括整体呈桶状上端带锅盖1的锅体2、锅体2上部的内腔中设置的整体呈桶状的内胆3以及设置于锅体中的电加热单元，该电加热单元为实用新型基于脉宽调制的电加热设备，电加热单元包括位于内胆下方贴合设置的加热盘4，其中，所述内胆3下底面中部设置有过水孔，过水孔下部贴合衔接有一个竖直向下固定于锅体的出水管5，出水管5上设置有电磁阀开关6，加热盘4设置于出水管5四周，内胆3中还安装设置有一个饭皿7，饭皿7包括一个竖筒和位于竖筒底部的滤网，饭皿7下方和内胆内底面之间留有蒸馏空间。这样，煮饭时，将米放入到饭皿内，关闭出水管上的电磁阀开关，然后加入水进内胆，淹过米的高度。开启电加热单元加热至沸腾，然后打开电磁阀开关，放出一部分米汤，留一部分米汤在内胆中，继续加热，直至饭被蒸熟。这样实现了沥米蒸煮，具有结构简单，操作方便，省时省力的优点，放出的米汤可以收集食用。

本实施例中，所述锅体2内还具有位于下部的下部腔室，下部腔室内搁置有一个米汤容器8，出水管5下端正对于米汤容器8上端口设置，下部腔室侧面开设置有腔室门供米汤容器8取出。这样，方便米汤收集到米汤容器直接食用。实施时，出水管也可以直接外排式设置。

本实施例中，内胆内腔下表面中部具有一圈向上的挡水环9，过水孔位于挡水环9内。这样，放出米汤时，靠挡水环自动截留部分米汤在内胆中完成蒸饭，保证了米汤的定量截留，保证后续蒸饭的可靠性。当然实施时，也可以靠通过对电磁开关阀的开关控制实现对米汤的截留。

本实施例中，饭皿7的周向内腔表面靠近上端位置具有一圈内凹的卡槽，卡槽内卡接设置有一个竹制的滤盘10，饭皿7周向外壁的两侧沿径向水平向外延伸设置有转轴并靠转轴可转动地安装在锅体上部的内腔中，锅体上还设置有转轴控制机构。这样，可以在煮饭时靠饭皿将米浸泡在水中煮饭，蒸饭时，可以控制饭皿翻转180°，将饭粒落入到竹制的滤盘中实现蒸饭，这样保留了蒸饭的竹香味，使得蒸好的饭粒更加可口也更加符合部分喜爱竹蒸筒蒸饭的怀旧者的饮食习惯。饭皿中设置有竹制的滤盘时，内胆可以和锅体固定为一体设置，方便转轴的安装。当然实施时，也可以不设置竹制的滤盘，这种情况下可以将内胆可拆卸地置入搁置在锅体内。

本实施例中，所述饭皿7为不锈钢材料制得。这样，方便在水中沸煮。当然，实施时，也可以采用陶瓷材料等其他材质。

本实施例中，所述转轴控制机构包括位于锅体上的一个步进电机11，步进电机11和锅体上的控制模块相连并受其控制，步进电机11输出轴和转轴传动连接。这样，通过步进电机方便控制实现饭皿的翻转。当然实施时，也可以采用其他的转轴控制机构，比如直接设置一个延伸出锅体的旋转把手靠人工进行控制。另外，实施时，步进电机和转轴之间可以直接相连，也可以靠齿轮传动连接以调整传动比使其方便控制。

本实施例中，所述控制模块包括一个摇晃控制电路单元，用于控制步进电机输出往复旋转运动。这样，可以在蒸饭时，可以饭皿产生往复的振动或晃动，让米粒充分均匀受热，膨胀饱满，极大地提高了蒸得的米饭的口感和质量。

本实施例中，所述电磁阀开关6和加热盘4均和控制模块相连。

综上所述，可以看到，本实用新型基于脉宽调制的电加热设备通过在布设电热线的加热盘上增加温度传感器进行温度采集和反馈，结合占空比控制器和脉宽调制电路，对电热线的平均加热功率加以控制，从而能够实现对指定加热温度的精准控制，解决了传统电加热设备难以实现精准控温加热的问题，并且还能够基于本实用新型基于脉宽调制的电加热设备通过进一步的设计使其能够适用于多种不同的应用场景，满足不同的加热需求，具有很好的市场应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。