Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
4 N0 m; f4 C; b0 ~$ u' Z8 ^5 pChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
7 I& [: w3 G  Q1 A1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
) X: Y& A& o& F- S- E+ s1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
7 Z( A9 a& z: l- D. S1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
5 l, ]; Q# N* ^, l6 U; k1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Chapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
) K6 I( Q7 T: o2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
' f- m( [& t- S5 U4 Q2 g9 b- T2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
  i) W+ Z) M2 {* e2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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   2.8 Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322.9 Hipot, Corona, and BIL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
. h2 S/ K  P; n5 O2.10 Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.11 Metal Oxide Varistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
" y# s1 C$ T& h4 R2.12 Protective Relays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Chapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3 a3 A2 L4 n. |' V6 F3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
6 E  J8 ]  a& F6 b  ~3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
* `" D5 k6 s( }. m2 Q# w* _/ d+ ^# c3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
7 S3 w2 s8 G, W2 x3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Chapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
7 \  C+ h* S- Y0 v4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
( n+ M: J6 s& c) Z4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Chapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
6 z4 c5 p; M+ U7 v; y! H+ f# \$ f5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
& G2 g" T- E# {% k5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
2 \. K* X. T3 Y5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
: P/ [4 j) a4 U+ y# JChapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
- o5 t/ V; s' H9 y* `6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
$ Y1 B+ H8 N( x7 K2 \: ~9 L* g6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
' W$ G! r: V/ l$ d2 S+ T. {4 f6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
- z7 y7 _9 v3 r7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
" c8 ]3 O1 S$ O) t% R7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
2 {  X- H* p; P& l& j7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
  a. m, s% V; X! u) G: C$ `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
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
: T/ y& O0 R) J' ^8 e2 H8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
" i) a7 ^: L  U* S8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
; c0 g/ |, X+ q1 f3 d8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
1 _) A# o4 s0 @$ O( d" x' D8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
. ?/ M7 a% D  N$ l4 tChapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
3 A2 A  U/ f6 H0 w1 dChapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
+ ^0 p9 G3 f5 H2 I6 Q: R+ ~& W3 k2 v+ H10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
$ Q, u0 n( K% o. M0 O10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
; z. V! B) K' |0 I1 V8 k10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
6 x4 S: h, K9 q1 o; U10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
. Z! S7 G3 B- @. E* V6 C# ?Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
; E* n* G) \, ]1 P5 {viii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
) b9 j; g5 }$ B$ o12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
4 b4 c3 g1 U, t3 B. G* d+ Z3 uChapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
' c1 T( U. ]  ?; J13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7 ?) v  z8 A" y3 m/ _4 }13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
2 S8 O, e: {+ ^2 }0 C13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
% C0 p: T8 \/ {  T. }13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
0 J7 |1 l: z& |7 F" y+ IChapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
! a$ ~1 P5 t- a6 R14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
& F1 G, E4 D4 q$ j: o14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
" j5 S. ^- j% o% j14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
Chapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
% N  s& X% z0 U/ I# [' \# g15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
2 k0 A7 m) A7 Q15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
5 M& ]% H- n2 [9 `& x9 s4 ]4 iChapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
' E' L3 b5 R) z! d0 E4 U16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
5 A( y: g1 z4 m' M+ u( B- Y16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
; \0 E% e1 c2 mContents ix
( \0 ~2 c' g- U; f6 p, |16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
3 k( n4 i* u6 \* M* U2 x16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
$ P9 Y- U$ }: w, z1 q4 K: A16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
9 D2 H3 T6 H6 J9 d, R16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
! m" v$ T- t0 t- EAppendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
Appendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
Appendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
Appendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
( h) [7 X' [& hAppendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
2 l8 Q% U* x- i- RAppendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
Appendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
4 J7 @- T9 }1 ~1 q+ u0 oIndex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

xi
; A3 _7 v0 h* Y9 ]9 {List of Figures
Figure 1.1 Generation systems. .................................................3
& j# u) I" X6 GFigure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
5 w- G0 t! F3 D/ Z* mFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
Figure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
3 h" m7 ?& s* d6 YFigure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
) \+ r3 y, G1 q5 L0 WFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
+ P! c9 k" i7 z6 O& |/ D" {( dFigure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
Figure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
" P1 {) S+ D( u! R% L: DFigure 3.1 Symmetrical components.......................................41
6 `( Z1 r% _! O9 CFigure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
Figure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
. l* [3 P. P) FFigure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
Figure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
Figure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
/ r# ]; W: S( V3 `/ }Figure 4.4 Composite response. ..............................................52
Figure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
- X3 X8 N8 B  P) m$ wtime responses, f(t).................................................52

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frank89757

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