Power Electronics Design Guide

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List of Figures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
7 S& M. x9 {& t; j4 Y4 cPreface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
, N) k+ X2 a2 t, B0 q# JChapter 1 Electric Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 AC versus DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Pivotal Inventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
9 I  l' ]- Q/ C1.3 Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4 Electric Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5 Electric Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.6 In-Plant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
. o: S: |1 ]. ~7 g1.7 Emergency Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
( ?& M1 b$ @0 Q3 d7 YChapter 2 Power Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 Switchgear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Surge Suppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
& G$ T6 j; D. C& w  a2 B2.3 Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
7 U( d# S( u3 f2 L2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
/ L) P$ z& b, }" d' g, H2.6 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
$ W9 B  K* V2 L6 P; m  e2.7 Supply Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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+ \6 j2 n2 [4 O

   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
Chapter 3 Analytical Tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.1 Symmetrical Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
% P4 J5 S' O/ w! z( K% ~3.2 Per Unit Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
3.3 Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.4 Circuit Simulation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.5 Simulation Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Chapter 4 Feedback Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
4.2 Amplitude Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
0 }& p9 [3 O/ h+ n& L5 s4.3 Phase Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
3 z- T& z* j1 J  u, l0 A" y4.4 PID Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
4.5 Nested Control Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Chapter 5 Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5 Q* a/ b7 O( `4 G* |5.1 Line Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.2 Circuit Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
% s  \& E0 r, G5 v5.3 Electromagnetic Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Chapter 6 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.2 Transient Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
; q$ e; z# h5 [4 B; q6.3 Mitigating Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Chapter 7 Transformers and Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
7.1 Transformer Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
# g! w% l5 a) N, k7.2 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
- `  g+ b# d, X2 s3 U: ?7.3 Insulation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
7.4 Basic Insulation Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
4 @; N8 t. C; c# X7.5 Eddy Current Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
7.6 Interphase Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
: g- \7 E& N2 u% X1 L" E7.7 Transformer Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
7.8 Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

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7.9 Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
( b2 l) n+ |& D0 _7.10 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
7.11 Instrument Transformers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
* t/ O9 o9 C/ x; C( p1 h4 o7 W7 s( OChapter 8 Rotating Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.1 Direct Current Machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
8.2 Synchronous Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
. s- @* F% b- f/ n3 ?9 e8.3 Induction (Asynchronous) Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
" G5 O/ D" G. p& ~8.4 NEMA Designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
, E  m/ W6 k1 b# h- _8.5 Frame Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
' Y7 S2 I' A7 a6 F, T: N: {1 N5 o8.6 Linear Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Chapter 9 Rectifiers and Converters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
9.1 Early Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
4 C4 x& o9 e: Y1 m+ H9.2 Mercury Vapor Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
0 f1 ?# M8 C9 z/ k9 k7 s: _9 v) z9.3 Silicon Diodes—The Semiconductor Age . . . . . . . . . . . . . . . .117
9 q9 T$ u7 Z" t/ F" ~9.4 Rectifier Circuits—Single-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
' p7 q9 l& }4 O/ ?9.5 Rectifier Circuits—Multiphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
( B) ^+ o" r8 k3 T9.6 Commutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Chapter 10 Phase Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
, `# b# G3 B& k10.1 The SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
10.2 Forward Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
8 ~* H+ z' A+ w( Y10.3 SCR Circuits—AC Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6 S. v1 k# f8 k3 j6 y% @10.4 SCR Motor Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
& @& A; {0 l7 o' [3 d  A  j10.5 SCR Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
. B- c1 N# B6 l2 G$ a! \% ~; R10.6 Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
( r# m" J; h+ I0 M1 |! r) S10.7 Gate Drive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
10.8 Power to the Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
10.9 SCR Autotapchangers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
; M, o/ C. ^3 L10.10 SCR DC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.11 SCR AC Motor Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
10.12 Cycloconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Chapter 11 Series and Parallel Operation . . . . . . . . . . . . . . . .153
11.1 Voltage Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
8 W% a& L$ }! {% ], S% w" w11.2 Current Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
11.3 Forced Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
viii Contents
Chapter 12 Pulsed Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
+ R, L+ g0 G* A& u  L12.1 Protective Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
12.2 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
, H5 W0 T; A, p) l* [+ I3 P; |# o12.3 SCRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
Chapter 13 Switchmode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
( @6 Y3 p# [6 [- ^) o& e13.1 Pulse Width Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
13.2 Choppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
13.3 Boost Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
6 t# b8 B3 p3 S# C13.4 The “H” Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
13.5 High-Frequency Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
13.6 Harmonic Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
13.7 Series Bridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 14 Power Factor and Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . .181
/ N5 u% _) L/ A- y) N+ n14.1 Power Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
; l/ K7 ^0 A5 r9 c! [14.2 Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
. c/ q1 Y4 {7 c, f! U14.3 Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
14.4 Interactions with the Utility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
14.5 Telephone Influence Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
, l- V- _6 T) }& j14.6 Distortion Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
$ N* A9 v6 E; h) t8 G" E1 s14.7 Zero-Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
! h- s: v) d4 l% o1 J+ T2 mChapter 15 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
# E( l9 X$ U8 w& h* @0 i% n15.1 Heat and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
4 A4 ]( f3 B9 d4 }- L15.2 Air Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205
- _, N  e4 Q! n" p15.3 Water Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
7 L3 G- M7 ]' g+ q3 Q7 h9 U. t) |15.4 Device Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
15.5 Semiconductor Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
% H  u) G3 i( V1 w# T' lChapter 16 Power Electronics Applications . . . . . . . . . . . . . . .215
16.1 Motor Drives and SCR Starters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
16.2 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
16.3 Foundry Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
  l* |& z4 o, {! _16.4 Plasma Arcs and Arc Furnaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
16.5 Electrochemical Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
# H2 N1 n8 u, H; o2 c# G, Y3 s  A6 H. D16.6 Cycloconverters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220
0 U- N; G* A7 t8 z! d) Z16.7 Extremely Low-Frequency Communications . . . . . . . . . . . . . .221
+ A) ?: @* {1 K: c, D% FContents ix
0 @3 h* P! }1 A# @$ F% i# c' Y16.8 Superconducting Magnet Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . .222
3 X  [9 H) o0 W2 |& B' _16.9 600-kW Opamp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
16.10 Ozone Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
& D9 {- k/ u, e# C3 z16.11 Semiconductor Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
16.12 VAR Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
7 @; i2 A; s8 ~: j3 X5 o0 W$ ~16.13 Induction Furnace Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
16.14 Tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
16.15 Multi-tap Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
Appendix A Converter Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
( @% S5 M* w/ |# w3 \1 K$ S) Q9 E% SAppendix B Lifting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
8 I. c5 y% G0 N$ @8 d! _1 l0 XAppendix C Commutation Notches and THDv . . . . . . . . . . . .233
: X2 z! Z0 W) L  U9 T2 BAppendix D Capacitor Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
* x4 P) f7 R0 Q9 P6 zAppendix E Rogowski Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
* g/ R# a6 j' O& g& f+ c; yAppendix F Foreign Technical Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
( t5 m7 s$ H/ Y$ @6 u' FAppendix G Aqueous Glycol Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
Appendix H Harmonic Cancellation with Phase Shifting . . . .243
Appendix I Neutral Currents with Nonsinusoidal Loads . . . .245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

2 N+ |- T5 a. ]5 Gxi
) h) }8 d1 |8 O0 J( }9 mList of Figures
% p# p- [- L* H  w. h$ s; [- v7 EFigure 1.1 Generation systems. .................................................3
Figure 1.2 Typical section of a utility. ......................................7
3 w4 w% I% r  `. _" G0 ^+ TFigure 2.1 Power electronics symbols.....................................16
) f  V" A' I: O, p# Z4 xFigure 2.2 Typical wire labeling. ............................................22
# B& L! e, F' G/ sFigure 2.3 Stress cone termination for shielded cable.............24
6 Y, m7 |# p; n: a) X1 AFigure 2.4 Capacitor construction. ..........................................27
2 a2 q: {7 N( Q! _' o! {Figure 2.5 Power resistor types. ..............................................30
Figure 2.6 Simple corona tester...............................................34
3 X9 M( Y2 g1 x- O3 A: V7 iFigure 2.7 480-V, 60-mm MOV characteristic. ......................36
: f0 z; L; H; n) N# i6 lFigure 3.1 Symmetrical components.......................................41
Figure 3.2 Arc heater circuit....................................................44
1 G  s- f$ Q# l5 X8 [( w( WFigure 3.3 Circuit voltage and current waveforms..................44
Figure 4.1 Basic feedback system. ..........................................49
Figure 4.2 R/C frequency response. ........................................51
( [" d% A  `! A/ k5 R$ n. `9 XFigure 4.3 Frequency responses of various networks. ............51
! y* D5 Q5 p& y4 I/ l6 e' t. A; ]: MFigure 4.4 Composite response. ..............................................52
' x+ B, {% F% l7 F7 k0 BFigure 4.5 Frequency responses, F(s), and corresponding
% e" y" j% R5 R# N. n0 q( W6 ktime responses, f(t).................................................52

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frank89757

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