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

• Autorzy: Tkachuk Anatolii , Polishchuk Mykola , Polishchuk Liliia , Kostiuchko Serhii , Hryniuk Serhii , Konkevych Liudmyla

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.6984

Warianty tytułu

PL

Badania przetwornika DC-AC z mikrokontrolerem sterującym częstotliwością inwertera

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper discusses the key aspects of the development of a frequency-controlled direct current to alternating current (DC-AC) converter based on a microcontroller. Electric energy converters play an important role in ensuring energy stability, especially in the conditions of frequent and unpredictable power outages, which are characteristic of Ukraine. Emphasis is placed on improving the parameters of the inverter to increase its efficiency, stability of operation, and the possibility of using alternative energy sources, such as batteries and solar panels. The work investigates the 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 allows for maintaining a stable output voltage under conditions of changing input voltage parameters. The research methodology involved conducting an experimental analysis based on a symmetric non-composite Box-Benkin plan, which made it possible to optimize the design of 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 power of the device was studied. The obtained results demonstrated the efficiency of the device with a rational choice of element base. In the course of the research, a mathematical model of the process of optimizing the converter parameters was developed. It was concluded that increasing the power of field-effect transistors and changing the geometrical parameters of the transformer contribute to increasing the performance of the device. Prospects for further research include modernization of the microcontroller software, integration of protective sensors, and adaptation of the device to work with different types of loads.

PL

W artykule omówiono kluczowe aspekty rozwoju przetwornicy prądu stałego na prąd przemienny (DC-AC) sterowanej częstotliwościowo na bazie mikrokontrolera. Przetwornice energii elektrycznej odgrywają ważną rolę w zapewnieniu stabilności energetycznej, zwłaszcza w warunkach częstych i nieprzewidywalnych przerw w dostawie prądu, które są charakterystyczne dla Ukrainy. Nacisk położono na poprawę parametrów przetwornicy w celu zwiększenia jej sprawności, stabilności pracy i możliwości wykorzystania alternatywnych źródeł energii, takich jak baterie i panele słoneczne. W pracy zbadano strukturę i zasadę działania przetwornicy, która obejmuje takie główne elementy, jak źródło prądu stałego, mostek MOSFET, filtr niskiej częstotliwości i transformator wyjściowy. Zaproponowano obwód sterowania częstotliwością napięcia z wykorzystaniem mikrokontrolera ATmega328P, który umożliwia utrzymanie stabilnego napięcia wyjściowego w warunkach zmieniających się parametrów napięcia wejściowego. Metodyka badań obejmowała przeprowadzenie analizy eksperymentalnej opartej na symetrycznym niekompozytowym planie Boxa-Benkina, co pozwoliło na optymalizację konstrukcji urządzenia. W szczególności zbadano wpływ parametrów uzwojenia wtórnego transformatora, mocy tranzystorów i napięcia wejściowego na moc wyjściową urządzenia. Uzyskane wyniki wykazały wydajność urządzenia przy racjonalnym wyborze bazy elementów. W toku badań opracowano model matematyczny procesu optymalizacji parametrów przekształtnika. Stwierdzono, że zwiększenie mocy tranzystorów polowych i zmiana parametrów geometrycznych transformatora przyczyniają się do zwiększenia wydajności urządzenia. Perspektywy dalszych badań obejmują modernizację oprogramowania mikrokontrolera, integrację czujników ochronnych i dostosowanie urządzenia do pracy z różnymi typami obciążeń.

Słowa kluczowe

EN

inverter; frequency control; microcontroller; optimization; renewable energy

PL

inwerter; regulacja częstotliwości; mikrokontroler; optymalizacja; energia odnawialna

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2025
• Tom: T. 15, nr 1
• Strony: 55--61
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tkachuk Anatolii

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Electronics and Telecommunications, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-9085-7777

autor

Polishchuk Mykola

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Computer Engineering and Cyber Security, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-1218-5925

autor

Polishchuk Liliia

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Computer Engineering and Cyber Security, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-9282-1639

autor

Kostiuchko Serhii

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Computer Engineering and Cyber Security, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-1262-6268

autor

Hryniuk Serhii

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Computer Engineering and Cyber Security, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-0080-3167

autor

Konkevych Liudmyla

• Lutsk National Technical University, Faculty of Computer and Information Technologies, Department of Computer Engineering and Cyber Security, Lutsk, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-8279-3133

Bibliografia

• [1] Bajahzar A. S.: Box-Behnken Design for Optimization of Particle Swarm Optimizer for Artificial Neural Networks: Application to Lab-on-a-Disc Biosensors. IEEE Access 12, 2024, 158367–158375 [https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3485191].
• [2] Delgado-Zaragoza D., Gupta M.: A Single-Stage Buck/Boost Three-Phase DC AC Power Converter with Sine-PWM Method and Non-Pulsating AC Waveforms. 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2023 - ECCE Asia), Jeju Island, Korea, 2023, 3351–3357 [https://doi.org/10.23919/ICPE2023-ECCEAsia54778.2023.10213766].
• [3] Dong X.: AC/DC Hybrid Large-Scale Power Grid System Protection. Springer, 2023.
• [4] Gao D. (Z.), Sun K.: 16 - DC–AC inverters. Electric Renewable Energy Systems 2016, 354–381 [https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804448-3.00016-5].
• [5] Ghosh A., Zare F.: Control of Power Electronic Converters with Microgrid Applications. Wiley-IEEE Press, Hoboken 2022.
• [6] Kathiresh M., Kanagachidambaresan G.R., Williamson S.S. (eds.): E-Mobility: A New Era in Automotive Technology. Springer, 2022.
• [7] Mantilla Arias M. P. et al.: Simulation of the DC-AC Converter Control for an Isolated PV System. Brazilian Power Electronics Conference (COBEP), João Pessoa, Brazil, 2021, 1–4 [https://doi.org/10.1109/COBEP53665.2021.9684096].
• [8] Patrick D. R., Fardo S. W., Richardson R.: DC/AC Electrical Fundamentals. River Publishers, Gistrup 2023.
• [9] Polishchuk M. et al.: Tesla Switch of 4 Batteries Based on the Arduino Uno Board. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 13(3), 2023, 111–116 [https://doi.org/10.35784/iapgos.4051].
• [10] Priyadarshi N. et al. (eds.): Advanced Power Electronics Converters for Future Renewable Energy Systems. CRC Press, Boca Raton 2023.
• [11] Rahman M. D., Nazaf Rabbi M., Sarowar G.: Development of DC-DC Converters – A Review. International Conference on Computational Performance Evaluation (ComPE), Shillong, India, 2021, 341–347 [https://doi.org/10.1109/ComPE53109.2021.9752028].
• [12] Roditis I. et al.: A New Multiport DC-AC Power Converter for Distributed Energy Applications. 1st Industrial Electronics Society Annual On-Line Conference (ONCON), Kharagpur, India, 2022, 1–6 [https://doi.org/10.1109/ONCON56984.2022.10126565].
• [13] Strasser T. et al.: A Review of Architectures and Concepts for Intelligence in Future Electric Energy Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics 62(4), 2015, 2424–2438 [https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2361486].
• [14] Wang J. et al.: Bidirectional Three-Phase DC–AC Converter With Embedded DC–DC Converter and Carrier-Based PWM Strategy for Wide Voltage Range Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics 66(6), 2019, 4144–4155 [https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2866080.
• [15] Zhang X. et al.: Automated Design of Electrical Converters with Advanced AI Algorithms. Springer, 2023.