Design and simulation of a single-phase inverter with digital PWM

Abstract

El presente proyecto tiene como objetivo principal el diseño de un inversor monofásico con fines académicos. El rasgo más distintivo es la implementación digital de la modulación PWM, empleando una placa Arduino para este fin. A pesar de que hoy en día es posible encontrar inversores monofásicos en circuitos integrados, en vista a reforzar el enfoque académico, el circuito será diseñado y construido pieza a pieza. Así, se facilita el entendimiento y visualización los componentes necesarios, así como la comprobación de las formas de ondas en los elementos internos. Para lograr estos objetivos, se realizará un primer análisis teórico, incluyendo aplicaciones y elementos básicos. Posteriormente se definirán las características específicas del inversor deseado, permitiendo así el cálculo y selección de los componentes necesarios. Una parte fundamental del trabajo recae en la programación de la señal PWM. Por ello, se contemplarán las posibilidades del microcontrolador al respecto. Diversas opciones para el código serán consideradas y se seleccionará la mejor para la aplicación. Tras el enfoque teórico, el circuito completo será simulado con el software LTSpice e implementado en una protoboard. Asimismo se realizarán medidas con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del equipo y su eficiencia. Finalmente, el circuito será impreso en una PCB.

The current project has as major aim the design of a single-phase inverter for educational purposes. The main distinctive feature is the digital implementation of the PWM modulation, employing an Arduino board for this purpose. Although nowadays it is possible to find integrated circuits with single – phase inverters, in order to reinforce the educational approach, the circuit will be designed and built piece by piece. Thus, it is easier to understand and visualize all the elements required, as well as to check the waveforms obtained on the internal elements. To achieve these aims, a first complete theoretical analysis will be done, including its applications and basic elements. Afterwards, the specific characteristics of the desired inverter will be defined, allowing the computation and selection of the components required. A fundamental part of the work relies on the programming of the PWM signal. For this reason, an insight into the possibilities provided by the microcontroller will be made. Some options for codes will be developed and the optimal for the application will be selected. After the theoretical approach, the complete circuit will be simulated with the LTSpice software and implemented on a protoboard. Some measurements will also be done in order to check the performance of the device and its efficiency. Finally, a PCB with the complete circuit will be developed.