Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Chapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
/ f: J' W$ n3 \1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
$ a, v$ ]" R% [2 Q: V* |. H  Q1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
) ]8 v* L' M/ X/ U: d6 n2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
7 Z  G9 L0 J; l# ^2 S1 K) z2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4 \/ c0 w* f! f5 ~: n/ ?2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
# W. E6 e# A5 D  n% N2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
: p: U- E+ q) k$ @2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
$ @8 w& Y& `$ P! K, Y* P  ~; n2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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* X8 B+ ]+ O- J8 X& v

- t3 v' N$ x0 t" E   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2 v* e+ W7 k- H' N2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
3 F5 W/ G3 l/ s1 lChapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
- W% m6 U# ~! Y4 y/ W8 ?3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
# o1 t; f# E7 `4 U9 P2 g) F0 Q. p3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
9 N* _6 ^6 K) p. W3 G$ c- q, i3 M3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
6 n* @( h' c# C  |3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Chapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
! p  t  ~- i8 T& Y) |7 W8 _1 H4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
1 s" i! ^( X) {6 g0 `9 ~( A4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
3 z3 |3 b5 p8 _7 v% K8 e4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
8 [; U) x' P* Z1 U: P* SChapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
) l6 t) B" w$ z4 ]; J. ]5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
7 j4 k6 h% n! v# r9 m2 k8 j* L5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Chapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
7 |& x3 V  m: C  d! W; t+ w$ |6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
- ~7 U6 n5 b( u/ r6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
% Q+ ~9 x6 R/ [3 Y/ u% n$ D9 j; |. AChapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4 `1 ~  \' ?# ~: u- a7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
8 G: s# f/ r. {9 l7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
0 y% h4 B0 [  C0 m7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
' x  L; N4 q2 b$ {1 |; y7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
& z! o+ ?0 r$ C7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Chapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
1 N/ e. B, l" S1 n, A) R' P6 O8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
6 u8 I- |) }3 a  G; @+ {7 h8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
' F/ z, e! [6 ~" d9 f. _8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
5 @6 I: k$ U: W! q, K4 S9 {8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
; _: Y- C1 v3 [# g7 K2 \3 o8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Chapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
7 \8 A( c: o' v1 X. D# d* b4 H9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
2 W; h3 B' m7 G8 b; D0 |9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
. h5 ^5 u" R. a% O9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
3 m/ q8 P. v2 E" H' b! k10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
3 Q  J( D8 {, y- X& p, q10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
8 B" O+ A  T# E3 l10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
! i' `: g- g$ i$ B& C. q  F10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6 B2 ^9 R6 P2 d: d/ R10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
2 h) N9 l: `7 p& l- l9 R10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
4 z5 P8 L6 I9 K+ f9 u. X10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
: z% Q! H1 F( L1 M( U) q2 X10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
# @& I( g$ ~6 k) u( F4 H& rviii Contents
9 s7 P' ?0 Z6 ^* zChapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
. }/ r1 C/ S0 J1 O( G- S12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
; \& e; I2 F$ T' p& p% r3 N12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
; e9 W0 L# J& J- C; j0 D12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
; l5 ^, L4 a9 U: uChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
* E0 ?: d+ }* v- _  K, i" h: L13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
6 g! p+ l3 J$ W# |- [13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
& |/ b( V) f9 ]+ U8 w7 C/ R13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
/ o+ K9 D' c$ gChapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
: g' O% I; a" o3 [+ _9 w14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
0 S' b: w) s4 j7 F& G9 b5 |" W' W14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
) r/ O8 A& v. U/ j7 l5 V/ Y  Q14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Chapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
+ I" r' {! i8 y( i. X& t8 f% [15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
Chapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
8 l& a% y) \0 |  m8 J1 A8 X16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
Contents ix
16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
! K& h2 g$ @8 d8 J16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
2 v2 R. [  @; ]7 G16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
6 I! _9 ~, C. `9 p16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
* x) X4 [& }+ A16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
& R# y. B' e! U16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
+ u: ^- ?7 {- |" B! C, M+ W4 KAppendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
Appendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
$ x4 @1 P" r( T  IAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
2 P& \( w5 N1 T. s7 R3 HIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

xi
. J/ ~/ u! }$ A0 J1 bList of Figures
. A- T7 D5 v- Q8 P4 [& u) e; }Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
Figure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
/ f: O# }1 K1 \0 @Figure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
+ q1 u" ~' {4 c1 @8 oFigure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
1 R4 C0 W% `( NFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
( h: o2 l. W* pFigure 2.6 Simple corona tester...............................................34
Figure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
Figure 3.1 Symmetrical components.......................................41
( J/ w! B) [" \% r0 r8 H+ n+ cFigure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
: \% y1 T$ P; o& xFigure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
Figure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
Figure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
Figure 4.4 Composite response. ..............................................52
! |; r3 `. H2 ^* }: nFigure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
time responses, f(t).................................................52

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frank89757

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