Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
9 [& Q6 L  {6 H9 ~2 t/ E8 Z/ j/ PList of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Chapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
" r% L6 n3 E* w0 ]# V0 b1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
: V9 @/ y' n% F! i+ q" ~1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
6 A( n7 w* p5 W) X. U/ i8 H" Z) [& _1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
6 Z% o) S" K0 g! ]1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
, y4 U& P2 V% ~; n& D3 p1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
- j1 F' G' h5 `) R; m% V4 V1 qChapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
4 |4 I. C" q2 H& z" ?8 ~2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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; B1 H9 G8 T9 l) n( a& c8 R

   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
& _0 v- `1 I3 b1 D& L( wChapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
0 |# M. n* s$ t& ^: S$ R) i6 j3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
$ r; ^0 v$ T5 T5 m+ A( O- K* T3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
( U2 T" A0 c' {" ~/ q7 ^6 U3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3 |3 b1 p/ h2 Z3 {5 r  k$ cChapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
' W+ E. ?- o/ {! p7 \5 a4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
: W# ]1 b- G, a; n4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
  E6 O5 g7 g5 [4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
! V( ~& M9 t+ s  M: tChapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
$ q7 q. \1 {7 Q7 Y8 \1 X! f4 AChapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
7 J4 S& h. J( H# T; N5 C. c! |9 H6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
% c& d6 L; n( O8 f' k6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
9 I/ l( w0 z5 F6 v$ SChapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
, b. n3 p) q4 f7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
) J4 v( M3 {& V$ U9 r7 e7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
; ?% [+ |2 Q& _1 U7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Chapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
) a2 j, t6 V* O& n, i. u0 \, N8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4 w6 w  Q/ Q! ]3 ~& [  S* d  Q  X8 }8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
) H- i. T/ O$ f& K4 P& b1 A  w8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Chapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
3 U+ ?9 h6 W& h! j9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
4 |7 D8 L, I% U% X( U3 F9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
) {+ E. @6 s7 B) }Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
% h) l& d/ ]& B1 w' L: r10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
3 l8 ~9 {+ I" @" U. f10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
% f7 K2 n+ Z" @& \  B10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
! g2 [1 N$ f& y8 ^0 X1 ~10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
! J. \' q" V6 K% P5 W1 ^( t10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
+ w/ s/ t7 R, r* T10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
! T; M3 _# e( g$ d' G9 _10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
' u' t6 l  f. }+ b2 H11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
- F, N( v+ }' K' x11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
viii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
, h7 U1 C5 |, ]$ b: M4 bChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
, t5 J- j. }6 t0 \7 r5 u13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
# @- _. e" I# o" T2 O13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
( A2 {- |5 P1 g14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
+ V; P' J& W! Q14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
: o5 f/ ?3 Z4 O( P14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
. h2 H9 n0 N* ~& n14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
1 Y8 r" C: H2 w' E  P4 O& j14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Chapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
8 T3 k0 B# z8 e7 ]0 Q4 N15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
9 j0 c/ Y: m5 J. L5 WChapter 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
) e" F7 U3 s; ?8 O' _# u16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
Contents ix
( t* S+ P  F0 l/ ~& S" ?; ]4 g16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
1 [8 g9 m/ l( a6 y16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
, ]. L  \: f" k# @- C16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
, e; H2 q: h  {- O. w! j16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
9 a+ R* }. M$ Q4 m: |9 I7 P16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
! E0 _/ H+ q# C16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
, d$ j0 v% D7 J8 GAppendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
Appendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
1 F! m3 F7 x' l- }Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
9 @7 s' Y7 D. }3 y0 h6 R2 O3 _Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
2 Z: [) r" X! }7 H. W" _! |Appendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Appendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
- D9 ?3 G  B8 d$ u6 z1 {! jAppendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
* Z$ E' i  y6 X. {/ G: xAppendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247
0 j  t4 }. M3 b7 [. I& @$ @
xi
- q6 H$ }& I9 O' `List of Figures
Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
% w! P/ x1 ^, k% l# k* m4 Y8 aFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
( }3 X# h7 Q* W/ A6 D: |( q. qFigure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
+ S) X! i' d: e- Y- y( h( v4 RFigure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
5 W$ u+ w9 O6 c, D& C( ?. AFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
( f  O, s1 M+ u1 s2 EFigure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
Figure 3.1 Symmetrical components.......................................41
Figure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
9 ?5 v0 l" ]8 n: x2 FFigure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
' S* W9 A8 R" R0 YFigure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
7 e  E' g$ p( {: \9 x' Q: g& LFigure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
Figure 4.4 Composite response. ..............................................52
Figure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
time responses, f(t).................................................52

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frank89757

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