Investigation of DC-AC converter with microcontroller control of inverter frequency

Abstract

The paper discusses the key aspects of the development of a frequency-controlled direct current to alternating current (DC-AC) converterbased on a microcontroller. Electric energy converters play an important role in ensuring energy stability, especially in theconditions of frequentand unpredictable power outages, which are characteristic of Ukraine. Emphasis is placed on improving the parameters of the inverter to increaseits efficiency, stability of operation, and the possibility of using alternative energy sources, such as batteries and solar panels.The work investigatesthe structure and principle of operation of the inverter, which includes such main components as a direct current source, a MOSFET bridge,a low-frequency filter, and an output transformer. A voltage frequency control circuit using an ATmega328P microcontroller is proposed, which allowsfor maintaining a stable output voltage under conditions of changing input voltage parameters.The research methodology involved conductingan experimental analysis based on a symmetric non-composite Box-Benkin plan, which made it possible to optimize the designof the device. In particular, the influence of the parameters of the secondary winding of the transformer, the power of the transistors, and the input voltage on the output powerof the device was studied. The obtained results demonstrated the efficiency of the device with a rational choice of element base.In the courseof the research, a mathematical model of the process of optimizing the converter parameters was developed. It was concluded that increasing the powerof field-effect transistors and changing the geometrical parameters of the transformer contribute to increasing the performance of the device. Prospectsfor further research include modernization of the microcontroller software, integration of protective sensors, and adaptationof the device to workwith different types of loads.

У статті розглянуто ключові аспекти розробки частотно-регульованого перетворювача постійного струму в змінний (DC-AC) на основі мікроконтролера. Перетворювачі електричної енергії відіграють важливу роль у забезпеченні енергетичної стабільності, особливо в умовах частих та непередбачуваних відключень електроенергії, характерних для України. Акцент робиться на покращенні параметрів інвертора для підвищення його ефективності, стабільності роботи та можливості використання альтернативних джерел енергії, таких як акумулятори та сонячні панелі. У роботі досліджується структура та принцип роботи інвертора, який включає такі основні компоненти, як джерело постійного струму, міст MOSFET, низькочастотний фільтр та вихідний трансформатор. Запропоновано схему регулювання напруги та частоти з використанням мікроконтролера ATmega328P, яка дозволяє підтримувати стабільну вихідну напругу в умовах зміни параметрів вхідної напруги. Методологія дослідження включала проведення експериментального аналізу на основі симетричного некомпозитного плану Бокса-Бенкіна, що дозволило оптимізувати конструкцію пристрою. Зокрема, було досліджено вплив параметрів вторинної обмотки трансформатора, потужності транзисторів та вхідної напруги на вихідну потужність пристрою. Отримані результати продемонстрували ефективність роботи пристрою при раціональному виборі елементної бази. В ході дослідження було розроблено математичну модель процесу оптимізації параметрів перетворювача. Зроблено висновок, що збільшення потужності польових транзисторів та зміна геометричних параметрів трансформатора сприяють підвищенню продуктивності пристрою. Перспективи подальших досліджень включають модернізацію програмного забезпечення мікроконтролера, інтеграцію захисних датчиків та адаптацію пристрою до роботи з різними типами навантажень.