Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1 m% d7 z+ r" r$ z9 X: `0 tList of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
! c( K# j. Q  |, a) l0 sChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
8 r4 s2 O* e6 O7 M1 C9 a1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
  }* C7 i+ p: G- p2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
& u- z0 h3 L/ ?1 V. V2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
$ m5 H! K6 Y: {  k/ A  l2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
6 Q% ^' Y' `; B2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
3 j+ j* B3 D5 e4 A2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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7 t2 H, q* K5 l. C
6 ^& P+ a# D3 j% o8 T% }; O! K( u# S
( ~' c# M; ]; A   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
5 V* t4 D& z) N& q& }4 J" [2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Chapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
! c) ^# x) j# k; |7 J$ P3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
! p1 q3 a, \9 L" H5 X3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
; k3 o4 H) I. ?/ C, pChapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
, |7 c" [6 B' s* a5 f4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
) C( z7 ?& h, k6 N' n% ?) b+ F4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
: v; f! L: O2 r' a7 F5 U4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Chapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
. m7 c- c% h# o* m% _2 [5 D5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
0 L" E; B3 o/ a6 D5 {5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
( l, G: O/ l! l( z2 O* q0 L! \+ P' vChapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
, o5 Y& J' s' A0 u$ R( H6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
4 k6 I/ b: V4 s6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
7 a4 O3 [. b% |: s- F$ ]6 J1 Y7 s6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
. I/ @# Z. v4 w9 S8 L' {7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
2 i/ }3 x9 O! _9 U6 J7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
6 _3 C4 ?! l! ?4 A7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
0 F+ \/ B; Z7 f7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
6 ]$ z+ F4 c: m) r+ M0 UChapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
: K: c1 f* `! I  _8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
5 k2 q) R2 K+ r1 }+ o) A% V4 _8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
/ }* r5 q6 u. T% v" x$ L8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
* ~. l! l7 C, ?  W1 W8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Chapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
" j) U& \- E  g9 ~( z7 \" `9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
+ M& T5 z. A: X/ d- z9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
( U# K, S; i& I1 m9 t9 c& `9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
  b/ W8 P: E  d5 s4 Z- Z$ _2 c$ |9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
: |; K% z3 r+ ^* ^9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
& R) `6 w, M$ \7 z8 K5 R. N- a' |10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
( ^/ X. w& f  J10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
* D* }, _8 n+ g10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
; p: K, W" z% r! t( z( e9 z4 \& R, g4 u10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
+ D) a# z, R' a; |: F; p10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
% L. t, |3 g- Q; J: Z5 ], j1 o$ _10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
2 A$ L" a6 P! W7 r6 V. @' o10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
4 _* Z" l. A. R% z9 f1 n$ N- H! @10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
3 c2 P3 x. L* v4 M% ]Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
2 r% N; _2 ]7 O( L11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
  K7 N. Y  x# S3 e* W11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
( f* E' X( x  @$ w7 s3 f11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
1 Z! q9 F: o/ P" V  c2 Gviii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
. E" H( l6 S. T; D' C" a. D8 ]6 m12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
) a7 u: s& F. D: F% {Chapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
& ?4 l2 p, J0 a! X4 Z, v13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
0 j3 E8 o  m/ D# ^% |! z13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
& ^" [' Y4 ~: u% P! `& k( v, U* J3 r13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
# B# P; f) u4 m# \3 s13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
( T. b& J7 P+ tChapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
& ~6 F- ]6 k3 _, e4 Z( m9 \& r- q% |14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
! x' x. F4 \6 F$ V4 g  {14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
! V6 ]4 {- `6 }! T14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
: \6 U  l; e7 |5 C* `9 S14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
5 j' n- `  `9 {! I& [& vChapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
3 j0 ]9 K- T  B0 x7 N15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
9 J' U: @5 ^# C8 H1 |% u. n; h& y2 P15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
! i6 U4 D& M6 I15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
. P; z# \# s% f; O0 y2 [/ M/ ?4 C5 _Chapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
; F% I. [1 L/ H$ N" f16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
5 _9 N; ?/ V! V. G. @16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
) Z( Y# N6 Y3 c1 m- B16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
Contents ix
5 t, H( D5 F. W+ r3 e16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
3 W& U/ j/ j6 T! ^16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
2 R, }0 M) z% r" l, v' ?' u  C7 D16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
) o8 P! U5 [8 ?16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
+ f- U# R) a8 r" }16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
: X4 T* @5 {. M: C% C16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
* P) I1 _" U3 X( P& t16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
9 n: b+ M2 [; u9 w. E6 D: m* tAppendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
6 y# W+ C! a; ]" K  E  {) K* YAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
% T6 q5 Y. [0 k. b% ]) C5 uAppendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
- v* k6 z2 t# Z% c! L4 \, jIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

xi
List of Figures
Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
- r; z/ S1 o! B$ E* vFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
: m6 {, G# h2 b# Y6 N+ X; nFigure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
Figure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
Figure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
, _0 j5 Q3 \- ^0 G: Q8 RFigure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
. K; g. u6 }% CFigure 3.1 Symmetrical components.......................................41
: [4 Z# l$ n2 @2 }# t- FFigure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
/ ^3 v: }7 c8 p# t& Z' DFigure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
Figure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
/ a/ v& H& f6 |; R) ?* ?( c. ~8 OFigure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
. Q6 K/ x4 K7 k/ U# ?1 M# c& UFigure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
; z  V0 x: ?" c2 H( kFigure 4.4 Composite response. ..............................................52
Figure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
  x/ Y& }8 u4 g& p8 m2 c# mtime responses, f(t).................................................52

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frank89757

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